CC BY
8
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
УДК 537.534.74-537.533.74
ВЛИЯНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ВОЗБУЖДЕНИЙ ИОНОВ 22 Ne
НА КИНЕТИКУ ИХ ТОРМОЖЕНИЯ В ТОНКИХ УГЛЕРОДНЫХ
ПЛЕНКАХ
А. В. Стысин
Сниияф)
E-mail: stys@yandex.ru
На основе метода связанных кинетических уравнений исследована роль промежуточных возбуждений ионов 22 Ne с энергией 2 МэВ/нуклон в кинетике их торможения при прохождении тонких углеродных пленок в неравновесном режиме. Результаты расчетов сопоставлены с недавно полученными теоретическими и экспериментальными данными.
Введение
Основной особенностью процесса прохождения многозарядных ионов через вещество является перезарядка: ион, двигаясь в веществе, может подхватить или потерять электрон, а также перейти в состояние промежуточного возбуждения. Если мишень достаточно толстая, то в пучке устанавливается динамическое равновесие, свойства которого не зависят от распределения зарядовых состояний во входном пучке и определяются скоростями переходов между ними, а влияние возбужденных состояний сводится к увеличению скоростей ионизации ионов и, следовательно, к увеличению среднего заряда и тормозной способности пучка. Первое теоретическое исследование влияния возбужденных состояний многозарядных ионов на кинетику их торможения в неравновесном режиме было проведено в работе В. В. Балашова [1], основой для которой послужили результаты экспериментов по прохождению ионов кислорода через тонкие углеродные пленки, полученные группой S. Datz et al. [2]. Всесторонний анализ кинетики торможения в этой работе проводился с использованием метода связанных кинетических уравнений, и было показано, что возбужденные состояния играют особую роль в неравновесном режиме прохождения, а их учет ведет к лучшему согласию теоретических расчетов и результатов измерений.
В настоящей работе мы исследуем влияние промежуточных возбуждений многозарядных ионов на кинетику их торможения в неравновесном режиме на основе экспериментальных данных по прохождению ионов 22 Ne через тонкие углеродные пленки, полученных группой W. von Oertzen et al. (Hahn-Meit-ner-Institut, Berlin) [3, 4] при помощи нового метода.
1. Результаты расчетов и обсуждение
Метод связанных кинетических уравнений предложен в работе [5], а его расширение для учета воз-
бужденных состояний сделано в [1], и к настоящим расчетам он применяется без каких-либо дальнейших изменений. К достоинствам этого метода, по сравнению с распространенным методом Монте-Карло, следует отнести малые затраты компьютерного времени при расчетах с немонохроматическим падающим пучком. Система связанных кинетических уравнений (в диффузионном приближении [1]) для функций распределения ¿^(Д,ж) энергетических потерь в каждой зарядовой фракции в дифференциальной форме имеет вид
^^ = -А**ЖД,/) + £ А.;;/-;;(А - А,,) -
зфг
ОД (А,*)
г ЭА 2 ЭА2 '
К этой системе ставятся начальные условия, т.е. начальное зарядовое распределение и энергетический спектр падающего пучка, который в настоящей работе принимается гауссовым.
Мы рассматриваем кинетику торможения ионов 22 Ме с энергией 2 МэВ/нуклон в углеродных пленках толщиной от 3.9 до 18.4 мкг/ем2. В настоящих расчетах учитываются 25 различных состояний иона 22 Ме с зарядом от 5+ до 10+, среди которых помимо основных состояний имеются также состояния одноэлектронного возбуждения. Скорости
переходов Л^_= Лц между этими состояниями,
а также тормозные способности «замороженных» зарядовых состояний Бг взяты из экспериментальной работы [3]. Параметры стрегглинга О^ вычислены с использованием наиболее простой боровской модели [6] и приняты равными 7.8 кэВ2/(мкг/ем2) для всех состояний. В эксперименте непосредственно измеряется спектр энергетических потерь ионов, прошедших слой заданной толщины и покидающих мишень в заданном состоянии, а также в качестве
усредненных характеристик — зарядовое распределение в выходном пучке, средние энергетические потери в каждой фракции и дисперсия спектра.
На рис. 1 приведена суммарная фракция возбужденных состояний ионов всех зарядов для различных зарядовых состояний входного пучка. В равновесном зарядовом распределении возбужденные состояния составляют около четверти всего пучка, однако в предравновесном режиме вклад таких состояний особенно велик.
Для выяснения влияния возбужденных состояний на кинетику торможения пучка проведены две серии вычислений: в первом случае — с учетом всех состояний базиса, а во втором — пренебрегая возбужденными состояниями. Результаты расчетов тормозной способности в случае, когда на мишень
?, м кг/см
Рис. 1. Суммарная фракция ионов в возбужденных состояниях /ех(^) для различных входных зарядов в зависимости от толщины мишени
(-6ЕШ), кэВ/(мкг/см' 14
Чп ^ОШ
(, мкг/см
Рис. 2. Разрешенная по зарядовым состояниям тормозная способность (—сШ/сЙ)(£) для совпадающих входных и выходных зарядовых состояний. Сплошные линии: расчет с полным базисом зарядовых состояний. Пунктирные линии: без учета возбужденных состояний
-йЕЩ, кэВ/(мкг/см )
14
13-
12
11
10
№(10+) ->С,
£0=44 мэВ
110+ ~> 10+ 210+ ~> 9+(2р) 310+ ~> 9+(1э) 410+ --> 8+(1 э2р) 510+ ~> 8+(1з2)
10
20
30
40
50
£ мкг/см
Рис. 3. Разрешенная по зарядовым состояниям тормозная способность (—сШ/сЙ)(£) для различных выходных зарядовых состояний и входного заряда 10+
А//А/,
_!-,-1-.-1-1-1-1-г
3100 3150 3200 3250 3300 3350 3400
Р<П!(А), 10 /кэВ
Е кан.
450
700
750
ДЕ=£-Е„, кэВ
о'
Рис. 4. (а) Спектр энергии ионов 10+ в детекторе в условиях эксперимента [3, 4] после прохождения углеродной пленки, толщиной 6.6 мкг/см2; (б) теоретический спектр для тех же условий. Ео = 44 МэВ. Сплошная линия: расчет с полным базисом зарядовых состояний. Пунктирная линия: учтены только основные состояния
направляют пучок ионов одного заряда, а на выходе отбирают ионы того же заряда, приведены на рис. 2. Как и в случае с ионами кислорода, наблюдается картина, характерная для неравновесного режима распространения пучка многозарядных ионов в веществе: в случае достаточно высокого заряда ионов в падающем пучке учет возбужденных состояний ведет к уменьшению тормозной способности, а не к ее увеличению, как того можно было бы ожидать.
Результаты расчетов тормозной способности для различных выходных конфигураций ионов как функции толщины мишени для падающего пучка ионов Же10+ (рис. 3) подтверждают наблюдение, сделанное ранее для ионов кислорода [1]: тормозная способность ионов в состояниях одноэлектронного возбуждения (кривые 2, 4) быстро достигает значений тормозной способности основного состояния ионов с большим на единицу зарядом. Это объясняется тем, что такие состояния заселяются, в первую очередь, за счет однократного подхвата электрона основным состоянием вышележащего по заряду иона.
Посмотрим на эти результаты с практической точки зрения. На рис. 4, а показан пример экспериментального спектра энергии ионов в детекторе в условиях нового метода [3, 4] для толщины пленки 6.6 мкг/ем2 и выходного заряда 10+, а на рис. 4, б — аналогичные спектры, рассчитанные с полным базисом состояний (сплошные линии), а также только с учетом основных состояний ионов разных зарядов (пунктир). Хорошо видно, что учет возбужденных состояний существен и приближает форму рассчитанного спектра к экспериментальному. Помимо ожидаемого перераспределения интенсивности пиков учет возбужденных состояний приводит к небольшому сдвигу спектра в сторону большей энергии, что является следствием описанных выше эффектов.
Заключение
С помощью метода связанных кинетических уравнений в диффузионном приближении нам удалось исследовать влияние промежуточных возбуждений на наблюдаемые в эксперименте величины (спектры энергетических потерь, тормозные способности). Наши расчеты подтверждают выводы об особой роли возбужденных состояний многозарядных ионов в кинетике их торможения в неравновесном режиме и важности учета этого факта в соответствующих расчетах. В ближайшее время на основе метода связанных кинетических уравнений планируется провести анализ новых экспериментов группы W. von Oertzen et al. по торможению ионов аргона и кислорода в тонких углеродных пленках.
Автор выражает благодарность В. В. Балашову за постановку задачи и внимание к работе, A.B. Бибикову и A.A. Соколику — за ценные обсуждения. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 04-02-16742) и JNTAS-GSJ (грант JNTAS-GSJ-03-04-3602).
Литература
1. Balashov V. V. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. 2003. B205. P. 813.
2. Rosner В., Datz S., Wu W. et al. // Phys. Rev. 1998. A57. P. 2737.
3. Blazeisic A., Bohlen H.G., von Oertzen W.. // Phys. Rev. A61. P. 032901.
4. Blazeisic A., Bohlen H.G., von Oertzen W. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. 2002. B190. P. 64.
5. Балашов B.B., Бибиков A.B., Бодренко И.В. // ЖЭТФ. 1997. 111. С. 2226.
6. Bohr N., Lindhard J. // Mat. Fys. Medd. Danske Vid. Selks. 1954. 28. P. 7.
Поступила в редакцию 11.12.04
