Диссертация (Неупругие процессы при взаимодействии полей тяжёлых ионов и ультракоротких импульсов электромагнитного поля с атомными системами), страница 2

Помимо этого, изучение ультракоротких импульсов электромагнитногополя связано с развитием ускорителей тяжелых ионов, так как поля, создаваемые релятивистскими и ультрарелятивистскими ионами, достаточно близки посвоим свойствам к полю световой волны [1–5]. Например, в экспериментальныхработах [6] поле иона урана 92+ с энергией 1 ГэВ/нуклон интерпретировалоськак сверхинтенсивный импульс ( > 1019 Вт/см2 ), с длительностью ∼ 10−18сек. Аналогично исследованию взаимодействия полей высокозарядных ионов смногоатомными системами, актуальна задача по исследованию взаимодействиюультракоротких импульсов электромагнитного поля (аттосекундные импульсы)с такими системами.

Такие процессы могут дополнить рентгеноструктурныйанализ с высоким временным разрешением, связанной с аттосекундной спектроскопией и аттосекундной метрологией. Обычно аттосекундная физика использует в качестве мишеней сравнительно простые объекты и расширение (нананоструктуры, многоатомные системы, динамические системы) объектов исследования представляется необходимым и лежащим в русле развития теорийв 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 при-8кладном 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, TSR- 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 изучение 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, необходимо развитие новых, непертурбативных теорий, не связанных с теорией возмущений. Известно, что теорию возмущений можно применять, если выполненонеравенство / ≪ 1, где — заряд иона, — относительная скорость столкновения, здесь и везде ниже используются атомные единицы. Если ионы имеютвысокий заряд ≫ 1 теория возмущений неприменима, поскольку даже при ≫ 1 часто оказывается, что / > 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, изучены9достаточно 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 десятковпроцентов, 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 >> 1 [13, 16]. Дляскоростей сравнимыми с атомными ∼ 1 эта поправка изучена плохо.

Хотяесть теории и подходы, которые могут считать эту поправку при ∼ 1, но ониоснованы на сложных численных расчётах для простейших атомов [13]. Поэтому поиск этой поправки в случае скоростей иона ∼ 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 непертурбативной теории неупругих процессов при взаимодействии полей тяжёлых ионов и ультракороткихимпульсов электромагнитного поля с многоатомными и динамическими системами. Проведении на основе развитых подходов расчётов неупругих процессов,активно исследуемых в настоящее время теоретически и экспериментально.10Задачи работы :1.

Развитие непертурбативной теории многократной обдирки (ионизации)снарядов при столкновениях быстрых тяжёлых структурных ионов с нейтральными молекулами и наночастицами. Проведении на основе развитойтеории расчётов неупругих процессов.2. Развитие теории по расчёту потерь энергии и флуктуации потерь энергии при 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. На основе непертурбативных подходах развить теорию по расчёту спектровпереизлучения ультракороткого импульса электромагнитного поля многоатомными системами.5.

Изучить взаимодействие двухмодовых квантованных электромагнитныхполей с атомами вещества.6. Развитие теории по расчёту спектров переизлучения и сечений ионизациипри взаимодействии ультракоротких импульсов электромагнитного поля иполей ионов с динамическими мишенями.Научная новизна заключается в развитии непертурбативной теориинеупругих процессов при взаимодействии полей тяжёлых ионов и ультракоротких импульсов электромагнитного поля с многоатомными и динамическимисистемами, а также получение, по возможности, основных закономерностей ваналитическом виде:1. На основе приближения эйконала развита непертурбативная теория по расчётам сечений многократной ионизации быстрых тяжелых высокозарядных структурных ионов при столкновениях с многоатомными системами,с учетом всевозможных возбуждений и ионизации, как снаряда, так и мишени.

Развита непертурбативная теория потерь энергии быстрых высокозарядных структурных ионов при столкновениях со сложными молекулами и наночастицами, с учетом всевозможных возбуждений и ионизации,11как снаряда, так и мишени. Показано, что эффект кратности столкновений приводит к значительному увеличению обдирки ионного пучка, чтоможно использовать в ускорительных комплексах.2. Развита непертурбативная теория расчетов потерь энергии на сложныхатомах. Показано, что учет введённых непертурбативных оболочечных поправок приводит к заметному улучшению согласия с экспериментом посравнению с расчетами по формуле Бете-Блоха со стандартными поправками. Показано, что теория Бете-Блоха появляется в частном случае нашейтеории. Также установлено, что непертурбативная оболочечная поправкаможет давать вклад до 50% к теории Бете-Блоха.

Развит метод расчётавыхода кластеров при ионном распылении твёрдого тела.3. Развита непертурбативная теория расчетов флуктуации потерь энергии насложных атомах. Введена поправка к известной теории Титейка по расчёту флуктуаций потерь энергии. Показано, что теория Титейка являетсячастным случаем нашего подхода. На основе анализа полученных выражений показано, что вклад нашей поправки к теории Титейка может бытьв несколько раз больше (до десяти раз!) результатов рассчитываемых поформуле Титейка, что подтверждено экспериментами. Также проведенырасчёты флуктуации потерь энергии с учётом размеров иона, установлено,что размер иона может давать существенный вклад к теории, где размериона не учитывается, что также подтверждает эксперимент.4.

На основе модельных методов развиты теории для расчёта поляризационной поправки, потерь энергии и флуктуации потерь энергии при столкновении структурного иона любой зарядности с атомами вещества прискоростях иона близкими к атомным ∼ 1. Показано, что при >> 1полученные выражения переходят в известные ранее теории.5. На основе непертурбативных подходах развита теория по расчёту спектровпереизлучения ультракоротких импульсов электромагнитного поля многоатомными регулярными структурами, а также структурами совершающими тепловые колебания атомов.