Введение к работе
Актуальность темы.
Физика взаимодействия тяжелых заряженных частиц с веществом продолжает привлекать все большее внимание со стороны исследователей. Это связано, в перв)то очередь, с ростом практических приложений данной области. Потоки ионов легко управляются электрическими и магнитными полями, что позволяет получать хорошо сфокусированные п}"чки требуемых энергий. В отличие от многих видов проникающего излучения (электроны, нейтроны, гамма-кванты) быстрые ионы обладают узко направленным пробегом в веществе. Это позволяет проводить глубокие структурные изменения в строго ограниченном объеме вещества и определяет известные применения ионных пучков для распыления, модификации свойств твердых тел, радиационной терапии. Кроме того, ионные пучки являются важным, а для ряаа задач и уникальным инструментом диагностики поверхностных и приповерхностных слоев твердых тел.
Возникающие в этой области теоретические вопросы всегда привлекали внимание ведущих теоретиков. Достаточно назвать имена Н.Бора, Г.Бете, Э.Ферми, Л.Ландау, Й.Линдхарда. Такой интерес обусловлен смежностью данной области, где почти в каждой задаче одновременно используются методы квантовой теории атома, квантовой теории твердого тела, квантовой и классической теории рассеяния, физической кинетики. В решении многих практических задач часто одновременно используются строгие результаты, полученные из первых принципов, и феноменологические или интуитивные понятия, о применимости которых можно судить лишь по совпадению конкретного расчета с экспериментом. Обоснование и определение границ применимости различных феноменологических понятий и является интереснейшей теоретической задачей, решение которой практически всегда позволяет получать новые результаты и разрабатывать эффективные методы расчета.
При исследовании физических систем с большим числом степеней свободы часто имеет место ситуация, когда экспериментально невозможно точно зафиксировать состояние системы, а можно определить лишь некоторые статистические функции состояния системы, являющиеся его усредненной характеристикой. При теоретическом рассмотрении таких задач существует, как известно, два подхода. Первый - динамический -состоит в том, что мы точно решаем задачу с учетом всех степеней свободы, а затем проводим усреднение результата с учетом конкретных условий эксперимента. Преимуществом такого подхода является его физическая строгость, а недостатком - огромная размерность задачи и, как
следствие, громоздкость вычислений. Второй подход - статистический -состоит в том, что исходя из общих уравнений, выводятся уравнения сразу для тех статистических функций состояния системы, которые непосредственно измеряются в эксперименте. Редуцированная таким образом задача имеет гораздо меньшую размерность, что является важным преимуществом подхода. Основным недостатком статистического метода является тот факт, что не всегда исходная задача строго сводится к уравнениям для измеряемых статистических функций. Часто приходится делать дополнительные приближения, в зависимости от условий задачи, о применимости которых можно судить лишь на основе сравнения с экспериментом или более строгим расчетом. Другим недостатком статистического подхода является недостаточная разработанность методов решения многих возникающих здесь математических задач. Тем не менее, для многих задач статистический подход является единственно возможным и оправданным (системы с числом частиц порядка числа Авогадро, для которых давно разрабатываются классическая и квантовая статистики). Кроме того, вывод соответствующих статистических уравнений и исследование области их применимости позволяет определять необходимый набор параметров (динамические параметры), характеризующих систему «в среднем», с необходимой точностью.
В задачах взаимодействия тяжелых заряженных частиц с веществом, в которых определяющим является пространственное движение частиц (внедрение в вещество, отражение от поверхности, прохождение сквозь пленки и др.) динамический подход на основе классической механики представлен методом моделирования траекторий в его различных вариантах ( метод молекулярной динамики или метод множественного взаимодействия, метод парных коррелированных столкновений, метод парных случайных столкновений). Статистический подход в таких задачах исследовался на основе кинетігческих уравнений типа Больцмана, которые физически эквивалентны методу парных случайных столкновений.
На протяжении длительного времени вопросы перезарядки ионов при их прохождении через вещество изучались с точки зрения элементарных процессов потери и подхвата электронов и получения пучков многозарядных ионов. В прикладных задачах (распыления, имплантации, диагностики и др.) учет внутренней структуры ионов проводился полуфеноменологически, в рамках известной концепции "эффективного заряда". Это об\ словлено, с одной стороны, большим успехом динамического подхода для описания взаимодействия ионов с веществом, с помощью которого не только были объяснены многие экспериментальные результаты, но и открыты новые эффекты (самый известный пример -каналирование). В рамках динамического подхода понятия эффективного заряда оказалось достаточно для решения многих практических задач. С
другой стороны, включение перезарядки в динамический подход потребовало бы значительного увеличения размерности задачи и времени вычисления, и без того почти предельного для современных ЭВМ. К настоящему времеїги, однако, необходимость более точного учета зарядовых состояний не вызывает сомнений практически во всех приложениях ионных пучков. Это приводит к необходимости разработки статистических методов учета перезарядки. Движение иона можно практически всегда рассматривать как классическое и в статистическом подходе описывать классической функцией распределения. Вігутреїшяя же структура иона подчиняется квантовым законам, и статистически должна рассматриваться на языке матрицы плотности. Взаимное влияние квантовых и классических степеней свободы в таких условиях может приводить к интересным явлениям. Таким образом, в этой области физики возникает уникальная теоретическая задача, решение которой требует сочетания методов квантовой и классической кинетітческой теории. Создание соответствующего аппарата и изучение различных эффектов в этой области находится только в начальной стадии в настоящее время.
Цель работы - разработка и применение статистического подхода в классических и квантовых задачах взаимодействия быстрых ионов с веществом.
Нагнал новизна.
На основе кинетического подхода Ландау с единых позиций рассматривается кинетика замедтения быстрых точечных и составных частиц в веществе, анализируются различные кинетігческие ситуации (предел малого числа столкновений, диффузионное приближение и др.), соответствующие методы решения кинетических уравнений и их применимость. В диффузионном приблігжении получены упрощенные кинетические уравнения (в интегральной форме и в виде уравнений в частных производных), позволяющие легко, но адекватно учитывать перезарядку при исследовании торможения ионов в веществе.
Разработан метод прослеживания эволюции спиновой матрицы плотности атомной системы в произвольно ветвящемся каскаде ненаблюдаемых электромагнитных переходов.
На языке спиновой матрицы плотности проведено теоретическое исследование эффектов выстраивания углового момента каналированного иона в условиях резонансного когерентного возбуждения.
Научная и практическая ценность.
Проведенный анализ замедления быстрых ионов в веществе вносит вклад в понимание кинетики процесса и определяет набор динамических параметров, которые управляют процессом в различных условиях. Разработанный метод расчета спектров энергетических потерь ионов в предравновесном режиме может быть использован при анализе современных экспериментов по взаимодействию ионов с веществом.
Разработанный метод прослеживания эволюции спиновой матрицы плотности атомной системы в произвольно ветвящемся каскаде ненаблюдаемых электромагюгтных переходов позволяет рассчитать угловое распределение излучения на любой стадии каскада и актуален при анализе современных экспериментов по диэлектронной рекомбинации ( и аналогичным процессам) ионов при взаимодействии с веществом.
Проведенный расчет выстраивания каналированных ионов в условиях когерентного кулоновского возбуждения (РКВ) обнаруживает большую чувствительность к параметрам модели процесса и может способствовать построению полной адекватной теории РКВ, отсутствующей в настоящее время.
Апробация работы.
Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на V международном совещании «Автоионизационные явления в атомах» (Дубна, 1995). XV Международном семинаре по ион-атомным столкновениям (Будапешт, 1997), на XIII международной конференции "Взаимодействие ионов с поверхностью" (Звенигород, 1997) и на научных семинарах НИИЯФ МГУ.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, основные из которых приведены в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Каждая из глав состоит из введения, теоретической части, численных расчетов и заключения. Общий объем составляет 105 страниц, включая 2 таблицы и 25 рисунков. Список литературы содержит 95 наименований.
