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

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«Северный Арктический федеральный университет имени М.В. Ломоносова»На правах рукописиМакаровДмитрий НиколаевичНеупругие процессы при взаимодействии полейтяжёлых ионов и ультракоротких импульсовэлектромагнитного поля с атомными системами01.04.02. - Теоретическая физикаДиссертация на соискание учёной степени доктора физико–математическихнаукНаучный консультант:доктор физико–математических наук,профессор В.

И. МатвеевАрхангельск20182ОглавлениеВведение71 Торможение и обдирка структурных тяжёлых ионов при столкновениях с молекулами и наночастицами. Эффект кратностистолкновения171.1 Сечение ионизации и эффективное торможение одноэлектронноготяжёлого снаряда при столкновении с двухатомной молекулой . .1.1.1 Сечения неупругих процессов .

. . . . . . . . . . . . . . . .1.1.2 Эффективное торможение . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1720251.2 Сечения многократной ионизации тяжёлого снаряда при столкновении с двухатомной молекулой . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.2.1 Общая часть . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .1.2.2 Сечения многократной обдирки снарядов . . . . . . . . . .3134371.3 Непертурбативная теория торможения и потерь энергии иона насложных молекулах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.3.1 Потери энергии на молекулярных мишеях в методе нейтральных атомов . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44461.3.2Потери энергии в методе Томаса-Ферми для двухатомныхмолекул . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571.4 Новый тип внутренних мишеней для структурной ионной обдирки 601.4.1 Общая часть . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621.4.21.4.3Расчёт зарядовых состояний ионного пучка . . . . . . . . .Выводы и обсуждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66682 К теории потерь энергии быстрыми заряжёнными частицами 712.1 Поправка Блоха . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7432.2 Погрешности приближения при расчете поправки Блоха на свободных электронах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.3 Потери энергии при столкновениях с атомами в приближении эйконала .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.4 Результаты расчетов, обобщение на сложные атомы . . . . . . . .2.5 Оценки и выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.6 Непертурбативная оболочечная поправка . . . . . . . .

. . . . . .2.6.1 Непертурбативная оболочечная поправка для водородоподобных атомов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.6.22.6.3808389939798Непертурбативная оболочечная поправка для сложныхатомов . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . 100Результаты расчетов, сравнение с экспериментальнымиданными . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1032.7 Ионизационные потери энергии в модельном подходе2.7.1 Постановка решаемой задачи. Метод решения.2.7.2 Потери энергии. . . . .

. . . . . . . . . . . . .2.7.3 Предельные случаи. . . . . . . . . . . . . . . .............................1041061091132.7.4 Поправки к теории Бете . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1202.7.5 Моменты в теории торможения . . . . . . . . . . . . . . . . 1212.8 Размеры кластеров и процессы фрагментации при ионном распылении твердого тела . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . 1242.8.12.8.2Расчет вероятности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124Сравнение с экспериментом . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1273 Флуктуации потерь энергии быстрыми заряжёнными частицами. Страгглинг1293.1 Непертурбативное описание страгглинга и поправка к формулеФано . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1323.2 Расчеты и оценки для простейшей мишени . . . . . . . . . . . . . 1373.3 Непертурбативная формула для расчёта энергетического страгглинга на сложных атомах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1403.3.1 Детали расчета Δ для атома меди . . . .

. . . . . . . . . . 1433.4 Флуктуации потерь энергии быстрыми заряжёнными частицамис учётом размера иона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1443.4.1Флуктуации энергетических потерь . . . . . . . . . . . . . 14643.4.2Сравнение с экспериментальными данными . . . . . . . .

. 1513.5 Флуктуации ионизационных потерь энергии в модельном подходе 1523.5.1 Флуктуации потерь энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1543.5.2 Теория возмущений. Формула Фано . . . . . . . . . . . . . 1563.5.3 Классический предел и формула Бора для флуктуаций.Непертурбативная поправка к формуле Фано и формулаТитейка .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1574 Поляризационная поправка (поправка Баркаса) в теории потерь энергии заряженными частицами1624.1 Потери энергии в области короткодействующего потенциала . . . 1644.2 Потери энергии в области применимости дипольного приближения для дальнодействующего потенциала . . . . . . .

. . . . . . . 1684.3 Основной метод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1704.4 Параметр и поправка Баркаса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1724.5 Сравнение с экспериментальными данными . . . . . . . . . . . . . 1745 Взаимодействие ультракоротких импульсов электромагнитногополя с произвольными наносистемами1775.1 Спектры переизлучения сложных атомов при взаимодействии сультракоротким импульсом электромагнитного поля .

. . . . . . . 1775.1.1 Многоэлектронные спектры . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1795.1.2 Многоэлектронные спектры в поле Гауссового импульса . . 1835.2 Выражения для спектров переизлучения ультракоротких импульсов электромагнитного поля произвольными наносистемами .

. . 1905.2.1 Общая часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1915.2.2 Анализ полученного выражения для спектров переизлучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1995.2.3Аналитические спектры переизлучения различных наносистем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 2015.3 Cпектры переизлучения ультракоротких импульсов электромагнитного поля многоатомными структурами с учётом их тепловыхколебаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2085.3.1 Влияние тепловых колебаний на спектр переизлучения . . 21055.3.2Влияние тепловых колебаний на спектр переизлучениядвух- и трехмерными мишенями . .

. . . . . . . . . . . . . 2165.4 Влияние дефектов в регулярных наносистемах на процессы интерференции при переизлучении аттосекундных импульсов электромагнитного поля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2175.4.1 Общая часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2185.4.2 Дефекты линейной цепочки . . . . .

. . . . . . . . . . . . . 2205.4.3 Обобщение на двух-и трехмерные структуры . . . . . . . . 2225.5 Аналитическое решение уравнения Шредингера в приближениивнезапных возмущений атома электромагнитными импульсамиаттосекундной и меньшей длительности . . . . . . . . . . . . . .

. 2255.5.1 Вывод . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2265.6 Неупругие процессы и переизлучение импульсов электромагнитного поля аттосекундной и меньшей длительности при взаимодействии с атомами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2335.6.1 Общая часть .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2335.6.2 Импульс гауссовой формы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2385.7 Неупругие процессы в сильном 2 модовом квантованном электромагнитном поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2415.7.1 Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 2435.7.2 Решение уравнения Шредингера . . . . . . . . . . . . . . . 2455.7.35.7.4Ионизация атома . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248Высоко-интенсивная генерация квантово-запутанных фотонов . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . 2516 Динамические мишени в полях тяжёлых ионов и ультракоротких импульсах электромагнитного поля2606.1 Процессы переизлучения ультракоротких импульсов электромагнитного поля системами находящимися в нестационарных состояниях . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2606.1.16.1.26.1.36.1.4Общая часть . . . . . . . . . . . .Перезарядка . . . . . . . . . . . . .Релаксация . . . . . . . . . . . . .Атом в резонансном внешнем поле........................................................26126527027366.2 Процессы ионизации при взаимодействии ультракороткого импульса электромагнитного поля и полей тяжёлых ионов с атомами, находящимися в нестационарных состояниях .

. . . . . . . 2756.2.1 Ионизация релаксирующего электрона в атоме . . . . . . . 2756.2.2 Ионизация при Оже-распаде . . . . . . . . . . . . . . . . . 279Заключение283Список публикаций по теме диссертации286Литература293Приложение 1313Приложение 2314Приложение 3319Приложение 4320Приложение 5323Приложение 6324Приложение 73267ВведениеАктуальность 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. В настоящее время существует тенденция на созданиеметодов генерации ультракоротких импульсов и создание более мощных лазеров.