Автореферат (Неупругие процессы при взаимодействии полей тяжёлых ионов и ультракоротких импульсов электромагнитного поля с атомными системами)

На правах рукописиМАКАРОВ Дмитрий НиколаевичНеупругие процессы при взаимодействииполей тяжёлых ионов и ультракороткихимпульсов электромагнитного поля сатомными системами01.04.02. - Теоретическая физикаА В Т О Р Е Ф Е РАТдиссертации на соискание учёной степенидоктора физико–математических наукСанкт-Петербург - 2018Работа выполнена в центре теоретической физикии на кафедре фундаментальной и прикладной физики ФГАОУ ВО«Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломносова»Научный консультант - Матвеев Виктор Иванович, доктор физико–математических наук, профессор, главный научный сотрудник центра теоретической физики ФГАОУ ВО «Северный (Арктический) федеральный университет именит М.В. Ломоносова», г.

Архангельск.Официальные оппоненты:Астапенко Валерий Александрович, доктор физико–математических наук, профессор, главный научный сотрудник кафедры радиотехники и прикладной информатики ФГАОУ ВО «Московский физико-технический институт (государственный университет)», Московская область, г. Долгопрудный.Ипатов Андрей Николаевич, доктор физико–математических наук, профессор кафедры физики и технологии наногетероструктур ФГБУ ВО и науки«Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет Российской Академии наук», г. Санкт-Петербург.Нефедов Андрей Владимирович, доктор физико–математических наук, ведущий научный сотрудник ФГБУ «Петербургский институт ядерной физикиим. Б.П.

Константинова», г. Санкт-Петербург.Ведущая организация - Лаборатория теоретической физики им. Н.Н. Боголюбова «Объединённый институт ядерных исследований», Московская область, г. Дубна.Защита состоится «26» сентября 2018 года в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.29, созданного на базе ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», по адресу: Россия,г. Санкт-Петербург, ул.

Политехническая д. 29.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» www.spbstu.ru.Автореферат разослан «»Учёный секретарь диссертационногосовета Д 212.229.29, доцент, к.ф.-м.н.2018 годаЕрмакова Н.Ю.3Общая характеристика работыАктуальность темы исследования. Во многих случаях для теоретических и экспериментальных исследований интерес представляют разнообразныепроцессы, сопровождающие взаимодействие электромагнитных полей, в томчисле полей заряженных частиц, с различного рода одноатомными и многоатомными объектами. Рост интереса к физике ультракоротких импульсов связан не только с современными тенденциями на создание более мощных лазерови методов генерации ультракоротких импульсов, но и с прогрессом в техникеускорителей тяжелых ионов, поскольку поля, создаваемые релятивистскими иультрарелятивистскими заряженными частицами, близки по своим свойствамк полю световой волны [1]-[5].

Например, в экспериментах [6] поле иона уранаU 92+ с энергией 1 ГэВ/нуклон интерпретировалось как сверхинтенсивный импульс (I > 1019 Вт/см2 ), длительностью τ ∼ 10−18 сек. Аналогично исследованию взаимодействия полей высокозарядных ионов с многоатомными системами,актуальна задача по исследованию взаимодействию ультракоротких импульсовэлектромагнитного поля (аттосекундные импульсы) с такими системами. Такие процессы могут дополнить рентгеноструктурный анализ возможностямиспектроскопии с высоким временным разрешением, связанной, в том числе, саттосекундной спектроскопией и аттосекундной метрологией. Обычно аттосекундная физика использует в качестве мишеней сравнительно простые объектыи расширение (на наноструктуры, многоатомные системы, динамические системы) объектов исследования представляется необходимым и лежащим в руслеразвития теорий в физике ультракоротких процессов.Столкновительные эксперименты с участием релятивистских и ультрарелятивистских многозарядных ионов представляют собой дополнительную возможность исследования поведения вещества в сверхсильных ультракороткихэлектромагнитных полях.

Сечения неупругих процессов в столкновениях такого типа довольно велики и поэтому такие исследования интересны и в прикладном плане. Значительный прогресс в технике эксперимента достигнутый впоследнее время в области исследований столкновений релятивистских и ультрарелятивистских тяжелых ионов с атомами, молекулами и ядрами связан сиспользованием ускорителей тяжелых ионов в ряде научных центров России иза рубежом.

В экспериментах исследуют столкновения тяжёлых ионов, как теоретически, так и экспериментально, например, в Германии (GSI-Darmstadt, TSR4- Heidelberg), ЦЕРНе, Америке (RHIC - BNL), Канаде (TRIUMF), Китае (INR Langou), Швеции (CRYRING - Stocholm),Франции(GANIL), Японии (RIKEN Saitama) и в России (Объединенном институте ядерных исследований). Современное развитие теории торможения быстрых заряженных частиц во многомнаправлено на описание ситуаций, связанных с усложнением структуры, какснарядов, так и мишеней [7]-[9].

Выбор быстрых высокозарядных структурныхионов в качестве снарядов и использование многоатомных мишеней приводятк качественно новой физической картине столкновений. Это приводит появлению эффектов, отсутствующих или пренебрежимо малых в случаях полностьюободранных ионов и одноатомных мишеней. Кроме того, при использованиимногоатомных мишеней, таких как многоатомные молекулы, кластеры и наночастицы, в процессы потерь энергии и обдирки вносят заметный вклад эффекты многократных столкновений, последовательное описание которых возможно лишь непертурбативными методами [10].

Поэтому в случаях столкновенийс многоатомными мишенями, в процессы потерь энергии и сечений обдиркиионов вносят вклад эффекты ориентации молекулы-мишени относительно направления движения снаряда. Для учета влияния, на процессы многократнойобдирки тяжёлых ионов, ориентационных молекулярных эффектов, необходиморазвитие новых, непертурбативных теорий, не связанных с теорией возмущений. Известно, что теория возмущений применима, если выполнено неравенствоZ/v 1, где Z — заряд иона, v — относительная скорость столкновения, здесьи везде ниже используются атомные единицы. При использовании же ионоввысоких зарядов Z 1 теория возмущений неприменима, поскольку даже приv 1 часто оказывается, что Z/v ≥ 1.Известно, что помимо обдирки иона на различных мишенях важной характеристикой прохождения иона через вещество является ионизационные потери энергии и флуктуации ионизационных потерь энергии (straggling) [11]-[15].Эти характеристики, при прохождении лёгких ионов через вещество, изученыдостаточно хорошо, но при прохождении тяжёлых ионов возникают трудности,связанные с непертурбативным рассмотрением таких процессов [14].

Поэтомунеобходимы такие непертурбативные теории, которые дополнят известную теорию Бете-Блоха для потерь энергии и теорию Титейка для флуктуации энергетических потерь. Следует сказать, что если согласие теории и экспериментадля потерь энергии, в случае тяжёлых ионов, составляет несколько десятков5процентов, то в случае флуктуации энергетических потерь эти отличия могутдостигать нескольких сотен и даже тысячи процентов [14]. Поэтому исследование этих характеристик актуально в настоящее время. Кроме того, теорий,удовлетворительно описывающие потери энергии и флуктуации потерь энергиипри скоростях иона сравнимых с атомными, нет в настоящее время и обычнопользуются полуэмпирическими формулами [13].

Также следует сказать о поляризационной поправке к теории торможения быстрых заряженных частиц(поправка Баркаса), которая в настоящее время изучена достаточно хорошодля лёгких ионов и скоростей иона много больше атомных v >> 1 [13, 16]. Дляскоростей сравнимыми с атомными v ∼ 1 эта поправка изучена плохо. Хотяесть теории и подходы, которые могут считать эту поправку при v ∼ 1, но ониоснованы на сложных численных расчётах для простейших атомов [13].

Поэтому поиск этой поправки в случае скоростей иона v ∼ 1 и сложных атомов безиспользования численных расчётов актуален в настоящее время и этим занимаются большое количество исследователей в России и за рубежом. Следует сказать, что исследование неупругих процессов при взаимодействии аттосекундных и меньших длительности импульсов осложняет тот факт, что дипольноеприближение уже не корректно применять. Кроме того, если поля достаточносильные необходимо учитывать и магнитную составляющую электромагнитного импульса. Точное решение уравнения Шредингера, для таких импульсов,является актуальной задачей и может привести к появлению ранее не изученных закономерностей в неупругих процессах.Цель работы заключается в развитии теорий по расчётам неупругихпроцессов при взаимодействии полей тяжёлых ионов и импульсов электромагнитного поля с многоатомными и динамическими системами.

Проведении наоснове развитых подходов расчётов неупругих процессов, активно исследуемыхв настоящее время теоретически и экспериментально.Задачи работы :1. Развитие непертурбативной теории многократной обдирки (ионизации) снарядов при столкновениях быстрых тяжёлых структурных ионов с нейтральными молекулами и наночастицами. Проведении на основе развитой теориирасчётов неупругих процессов.2. Развитие теории по расчёту потерь энергии и флуктуации потерь энергии6при прохождении структурного высокозарядного иона через вещество, используя приближение эйконала.3. На основе модельных методов развить теорию по расчёту потерь энергии,флуктуации потерь энергии, а также поляризационной поправки для высокозарядных ионов и скоростей иона близким к атомным.4.