Актуальность работы.
Пучки быстрых заряженных частиц являются эффективным инструментом исследования состава и структуры конденсированных сред, поэтому исследование особенностей взаимодействия этих пучков с веществом имеет не только научную, но и практическую ценность. Электромагнитные процессы, сопровождающие их прохождение через различные среды, весьма многообразны и недостаточно исследованы. В последние годы был открыт целый ряд так называемых ориентированных эффектов, возникающих в кристаллах при каналировании ионов в них, которые уже нашли широкое применение в радиационной и ядерной физике.
Использование эффекта каналирования заряженных частиц для исследования кристаллов сложного химического состава и структуры позволяет получать уникальную информацию о профилях распределения примесей, радиационных дефектов, а также смещениях атомов из равновесных положений в кристаллической решетке. Особенности метода каналирования в многокомпонентных кристаллах позволяют получить информацию о структуре кристаллов, недоступную другим методам. Так, исследование кристаллов УВа2Си307. х с помощью метода каналирования выявило аномальное скачкообразное изменение величины статических и/или динамических смещений атомов из узлов кристаллической решетки вблизи температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Использование «брустверных» областей угловых зависимостей дало возможность определения объемной модели структуры и получить детальную информацию о структурных особенностях кристаллической решетки таких кристаллов как УВа2Сиз07. х, Ьа2Си04 и Ш2Си04.
При проникновении многозарядного иона в твердое тело его зарядовое состояние быстро изменяется благодаря обмену электронами между ионом и твердым телом. Интерес к этому явлению был впервые проявлен в работах Бора и не ослабевает до сих пор. В понимании закономерностей, наблюдаемых при исследовании равновесных зарядовых состояний ускоренных ионов при их прохождении через аморфные твердые тела достигнут значительный прогресс, однако при движении ионов через кристаллические среды возникают новые явления, которые в полной мере не исследованы. В частности, обнаружено, что прохождение тяжелых ионов через ориентированные кристаллы сопровождается проявлением ряда эффектов, нарушающих изотропность углового распределения первоначально изотропного пучка. Систематическое экспериментальное исследование ориентационной зависимости прохождения различных ионов через различные кристаллы показало существование, так называемых, эффектов «охлаждения» или «нагрева» пучка ионов, движущихся вдоль кристаллографических направлений.
Таким образом, развитие теоретических методов для исследования эффекта каналирования и эволюции зарядовых состояний ионов при прохождении через кристаллы, которым посвящена работа, является актуальным и своевременным.
Цель работы:
Пучки быстрых заряженных частиц являются эффективным инструментом исследования состава и структуры конденсированных сред, поэтому исследование особенностей взаимодействия этих пучков с веществом имеет не только научную, но и практическую ценность. Электромагнитные процессы, сопровождающие их прохождение через различные среды, весьма многообразны и недостаточно исследованы. В последние годы был открыт целый ряд так называемых ориентированных эффектов, возникающих в кристаллах при каналировании ионов в них, которые уже нашли широкое применение в радиационной и ядерной физике.
Использование эффекта каналирования заряженных частиц для исследования кристаллов сложного химического состава и структуры позволяет получать уникальную информацию о профилях распределения примесей, радиационных дефектов, а также смещениях атомов из равновесных положений в кристаллической решетке. Особенности метода каналирования в многокомпонентных кристаллах позволяют получить информацию о структуре кристаллов, недоступную другим методам. Так, исследование кристаллов УВа2Сиз07х с помощью метода каналирования выявило аномальное скачкообразное изменение величины статических и/или динамических смещений атомов из узлов кристаллической решетки вблизи температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Использование «брустверных» областей угловых зависимостей дало возможность определения объемной модели структуры и получить детальную информацию о структурных особенностях кристаллической решетки таких кристаллов как УВа2Сиз07. х, Ьа2Си04 и Ш2Си04.
При проникновении многозарядного иона в твердое тело его зарядовое состояние быстро изменяется благодаря обмену электронами между ионом и твердым телом. Интерес к этому явлению был впервые проявлен в работах Бора и не ослабевает до сих пор. В понимании закономерностей, наблюдаемых при исследовании равновесных зарядовых состояний ускоренных ионов при их прохождении через аморфные твердые тела достигнут значительный прогресс, однако при движении ионов через кристаллические среды возникают новые явления, которые в полной мере не исследованы. В частности, обнаружено, что прохождение тяжелых ионов через ориентированные кристаллы сопровождается проявлением ряда эффектов, нарушающих изотропность углового распределения первоначально изотропного пучка. Систематическое экспериментальное исследование ориентационной зависимости прохождения различных ионов через различные кристаллы показало существование, так называемых, эффектов «охлаждения» или «нагрева» пучка ионов, движущихся вдоль кристаллографических направлений.
Таким образом, развитие теоретических методов для исследования эффекта каналирования и эволюции зарядовых состояний ионов при прохождении через кристаллы, которым посвящена работа, является актуальным и своевременным.
Научная новизна.
Впервые, с помощью разработанной кинетической теории каналирования: выявлены новые особенности строения кислородной подрешетки в кристалле УВа2Сиз07хдано физическое объяснение обнаруженным эффектам «охлаждения» и «нагрева» ионных пучков при каналировании в кристаллах и проведено исследование прохождения многозарядных ионов через ориентированные кристаллыпредсказан эффект автомодельности угловых распределений при прохождении многозарядных ионов через тонкие ориентированные кристаллыпредсказана зависимость перехода от эффекта «охлаждения» к «нагреву» изотропного пучка тяжелых многозарядных ионов от глубины их проникновения в кристалл.
Практическая значимость.
Проведенные в диссертации исследования позволили получить новые фундаментальные данные о структуре кислородной подрешетки кристалла УВа2Сиз07. х недоступные другим методам. Разработанная автором кинетическая теория каналирования тяжелых многозарядных ионов, учитывающая диффузию в пространстве поперечных импульсов и обмен зарядом между кристаллом и ионом позволит расширить возможности метода каналирования для получения уникальной информации не только о структурных особенностях кристаллов, но и о физике ион-атомных столкновений.
Положения, выносимые на защиту:
1. Из характера угловой зависимости выхода резонансного упругого рассеяния 160(аг, а)|60 ионов гелия на атомах кислорода в кристалле.
УВа2Си307.х следует, что в кислородных цепочках имеются вакансии, формирующие разупорядоченную (составляющую не более 20%) долю атомов кислорода, а атомы кислорода в этих цепочках смещены из положений равновесия в направлениях, перпендикулярных оси <001>.
2. Кинетическая теория прохождения тяжелых многозарядных ионов через кристаллы, учитывающая как диффузию в пространстве поперечных импульсов, так и обмен зарядом между кристаллом и ионом позволяет дать физическое объяснение обнаруженным эффектам «охлаждения» и «нагрева» ионных пучков при каналировании в кристаллах.
3. Проявление эффектов «охлаждения» или «нагрева» пучков тяжелых многозарядных ионов определяется различной зависимостью вероятностей захвата и потери электронов от прицельного параметра при взаимодействии ионов с атомными цепочками.
4. При прохождении многозарядных ионов через тонкие ориентированные кристаллы относительные угловые распределения обнаруживают свойство автомодельности, переход от эффекта «охлаждения» к «нагреву» изотропного пучка тяжелых многозарядных ионов зависит не только от энергии ионов, но и от глубины их проникновения в кристалл.
Апробация работы:
Основные результаты работы докладывались на международных конференциях и совещаниях:
1. На 36-ой и 37-ой Международных конференциях «По физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами» г. Москва, Россия, 2006, 2007 г. г.
2. На 11-ой и 12-ой Всероссийских научных конференциях студентов-физиков и молодых ученых, г. Екатеринбург, 2005, г. Новосибирск 2006 г. г.
3. На международной конференции «Many-Particle Effects in Radiation Physics», г. Белгород, сентябрь 2004 г.
4. На Российская межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в индустрии наносистем, материалов и живых систем», 18−24 сентября 2006, МИЭМ, Москва.
5. На 7-ой Баксанской школе экспериментальной и теоретической физики, 22−27 октября 2006 г., Приэльбрусье, Кабардино-Балкария.
Личный вклад автора.
Автором разработаны алгоритмы решения кинетических уравнений и выполнены все численные расчеты. Автор принимал непосредственное участие в постановке всех рассмотренных в диссертации задач, обсуждении полученных результатов и подготовке публикаций. Соавторы принимали участие в постановке задач, проведении экспериментальных работ по каналированию ионов в кристалле УВа2Сиз07. х и обсуждении полученных результатов.
Основные результаты работы:
1. Установлено, что характер измеренного выхода упругого резонансного рассеяния ионов Не+ с энергией 3.055 МэВ на атомах кислорода в кристалле YBa2Cu307. x вдоль осевого направления <001> свидетельствует о наличии смещений атомов кислорода в цепочках 0(3)-0(4) и 0(2)-0(2) в направлении, перпендикулярном оси <001>.
2. Установлено, что особенности в угловом распределении выхода резонансного упругого свидетельствуют о наличии разупорядоченной доли атомов кислорода (т.е. занимающих хаотические положения в плоскости, перпендикулярной направлению <001>), которая формируется из цепочек 0(3)-0(4) и 0(2)-0(2). Доля разупорядоченного кислорода составляет величину не более 20%.
3. Предложена модель попарного смещения атомов кислорода в одном направлении, причем направления смещений изменяются на противоположные для следующих пар вдоль цепочек <001> Такая модель смещения атомов кислорода и величина смещений не противоречит результатам исследований структуры УВа2Сиз07. х с помощью методов рентгеновской и нейтронной дифракции.
4. На основе кинетической теории прохождения многозарядных тяжелых ионов через кристаллы, учитывающей как диффузию в пространстве поперечных импульсов, так и обмен зарядом между кристаллом и ионом, дано адекватное описание наблюдаемых угловых распределений тяжелых ионов, проходящих через ориентированные кристаллы, вычислены парциальные угловые распределения различных зарядовых состояний и дано физическое объяснение обнаруженным эффектам «охлаждения» и «нагрева» ионных пучков при каналировании в кристаллах.
5. Показано, что проявление эффектов «охлаждения» или «нагрева» пучков тяжелых многозарядных ионов определяется зависимостью вероятностей захвата и потери электронов от прицельного параметра при взаимодействии ионов с атомными цепочками, что и определяет характер углового и пространственного распределения заряда каналированных ионов. Согласие с экспериментальными данными достигается при предположении, что при высоких энергиях ионов вероятность захвата электрона каналированными ионом подавлена по отношению к вероятности потери.
6. Показано, что переход от эффекта «охлаждения» к «нагреву» изотропного пучка тяжелых многозарядных ионов зависит не только от энергии ионов, но и от глубины их проникновения в кристалл.
7. Предсказан эффект автомодельности угловых распределений при прохождении многозарядных ионов через тонкие ориентированные кристаллы.
8. Показана возможность определения зависимости вероятностей захвата и потери электронов от прицельного параметра при взаимодействии ионов с атомными цепочками из экспериментально измеренных парциальных угловых распределений многозарядных ионов.
Публикации:
Материалы, изложенные в диссертации, опубликованы в журналах.
Физика твердого тела", «Журнал технической физики», «Письма в ЖТФ»,.
Известия ВУЗов, физика", «Nuclear Instruments and Methods in Physics.
Research". Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в работах:
1. Borovik A.S., Malyshevsky V.S., Rakhimov S.V. Ion Channeling Investigation of Oxygen Sublattice in YBa2Cu307 Crystal Film. // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. — 2004. — V. B226, #3. — P. 385−391.
2. Боровик A.C., Малышевский B.C., Рахимов C.B. Исследование структурных особенностей кислородной подрешетки в кристалле YBa2Cu307. x методом каналирования. // Физика твердого тела. — 2005. — Т. 47,№ 9. -С. 1552−1558.
3. Borovik A.S., Malyshevsky V.S., Rakhimov S.V. Investigation of Oxygen Sublattice in High-Tc Crystals by Channeling Technique. // Вестник Воронежск. гос. ун-та. Сер. Физика, Математика. — 2005. — № 1. — С. 128 132.
4. Малышевский B.C., Рахимов C.B. Исследование структурных особенностей ВТСП-кристаллов методом каналирования и резонансных ядерных реакций. // Известия ВУЗов, Сер. Физика — 2006. — № 8. — С. 35−39.
5. Малышевский B.C., С. В. Рахимов С.В. Пространственное и угловое распределение заряда тяжелых ионов при каналировании в кристаллах. // Журнал технической физики. — 2007. — № 4. — С. 1−9.
6. Малышевский B.C., Рахимов С. В. Особенности угловых распределений многозарядных ускоренных ионов в ориентированных кристаллах. // Письма в ЖТФ. — 2007. — Т. 33, №.16. — С.1−9.
7. Borovik A.S., Malyshevsky V.S., Rakhimov S.V. Investigation of Oxygen Sublattice in high-Tc // Proceedings of 7-th International Workshop «Crystals by Channeling Technique, High-Temperature Superconductors and Novel Inorganic Material Engineering», Moscow, Russia. June 20−25, 2004, Moscow, Russia.-P. 18.
8. Borovik A.S., Malyshevsky V.S., Rakhimov S.V. Investigation of Oxygen Sublattice in high-Tc Crystals by channeling technique. // Proceedings of International Workshop «Many-Particle Effects in Radiation Physics», Belgorod, Russia, September 7−10, 2004. — P. 57.
9. Рахимов С. В. Исследование структурных особенностей ВТСП-кристаллов методом каналирования и резонансных ядерных реакций. // Сб. тезисов докладов победителей студенческих научных конференций, проходящих в рамках «Недели науки» за 2004;2005 г. Ростов-на-Дону: Ростовск. гос. ун-т, 2005.-С. 175−180.
10. Рахимов С. В. Исследование кислородной подрешетки кристалла Y-Ba-Cu-0 методом каналирования. // Сборник тезисов Одиннадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, Екатеринбург, 24−30 марта 2005 г. — Екатеринбург: Изд-во АСФ России, 2005. — С. 125.
11. Рахимов С. В. Угловые распределения и кинетика быстрых каналированных ионов в кристаллах // Сборник тезисов Двенадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, Новосибирск, 23−29 марта 2006 г. — Новосибирск: Изд-во АСФ России, 2006. — С. 162.
12. Malyshevsky V.S., Rakhimov S.V. Spatial and Angular Charge Distribution of Channeled Heavy Ions. // Proceedings of 16th International Workshop on Inelastic Ion-Surface Collisions (IISC-16), Hernstein, Austria, September 17−22,2006;P. 81.
13. В. С. Малышевский B.C., Рахимов C.B. Угловые распределения и кинетика перезарядки быстрых каналированных ионов в кристаллах. // Сб. тезисов докладов XXXVI Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 30 мая — 1 июня 2006 — С. 22.
14. Рахимов C.B. Угловые распределения и кинетика перезарядки быстрых каналированных ионов в кристаллах. // Труды 7-ой Баксанской молодежной школы экспериментальной и теоретической физики, Приэльбрусье, Кабардино-Балкария, 22−27 октября 2006 г., М.: Изд-во МИФИ, 2007. — С. 206−214.
15. Рахимов C.B. Зарядовые распределения быстрых тяжелых ионов при каналировании в кристаллах. // Сб. тезисов докладов Российской межвузовской научной школы молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в индустрии наносистем, материалов и живых систем», Москва, 18−24 сентября 2006 г. — М.: Изд-во МИЭМ, С. 23.
16. Малышевский B.C., Рахимов C.B. О возможности измерения зависимости вероятности захвата электронов от прицельного параметра при каналировании многозарядных ионов. // Сб. тезисов XXXVII Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 28 — 30 мая, 2007 — С. 30.
3.8 Основные результаты, полученные в Главе 3.
1. Разработана кинетическая теория прохождения тяжелых многозарядных ионов через кристаллы. Теория учитывает как диффузию в пространстве поперечных импульсов, так и обмен зарядом между кристаллом и ионом. Это позволяет дать адекватное описание наблюдаемых угловых распределений тяжелых ионов, проходящих через ориентированные кристаллы, вычислить парциальные угловые распределения различных зарядовых состояний и дать физическое объяснение обнаруженным эффектам «охлаждения» и «нагрева» ионных пучков при каналировании в кристаллах.
2. Проведены расчеты углового и пространственного распределения заряда каналированных ионов с различной энергией. Проявление эффектов «охлаждения» или «нагрева» пучков тяжелых многозарядных ионов определяется зависимостью вероятностей захвата и потери электронов от прицельного параметра при взаимодействии ионов с атомными цепочками, что и определяет характер углового и пространственного распределения заряда каналированных ионов. Согласие с экспериментальными данными достигается в предположении, что при высоких энергиях ионов вероятность захвата электрона каналированными ионом подавлена по отношению к вероятности потери.
3. Показано, что переход от эффекта «охлаждения» к «нагреву» изотропного пучка тяжелых многозарядных ионов зависит не только от энергии ионов, но и от глубины их проникновения в кристалл.
4. Предсказан эффект автомодельное&tradeугловых распределений при прохождении многозарядных ионов через тонкие ориентированные кристаллы.
5. Показана принципиальная возможность определения зависимости вероятностей захвата и потери электронов от прицельного параметра при взаимодействии ионов с атомными цепочками из экспериментально измеренных парциальных угловых распределений многозарядных ионов. 1.
Рис. 3.1. Усредненные по доступной области коэффициенты диффузии.
АГ' 48МеУ,<100>М 2.
Рис. 3.2. Усредненные по доступной области вероятности захвата и потери электрона.
А1, Е=13.5 МеУ, <100> в!, 0.1 цт.
А!, Е=48 МеУ, <100> БГ, 0.1 цт.
0,40.
0,35.
0,30.
0.25.
0,15.
0,10.
0,05.
0,000.
0,005 0,010.
Апд1е (гас!).
0,00 0,015 0,000 п-'-г.
0,005 0,010.
Апд1е (гас!).
0,015.
Рис. 3.3. Парциальные угловые распределения каналированных ионов в кристалле.
Al**5, E=13.5 MeV, <100> Si, 0.1 ит аГ*, E=48 MeV, <100> Si, 0.1 цш.
Angle (rad) Angle (rad).
Рис. 3.4. Угловая плотность распределения заряда каналированных ионов. аГ°, Е=13.5 МеУ, <100> Эь 0.1 цт а1*0, Е=48 Л/^, <100> 0.1 цт.
Рис. 3.5. Пространственное распределение заряда каналированных ионов в поперечной плоскости канала.
А1, Е=48 МеУ, <100> 0.1 цт У (х, у).
А1, Е=13.5 МеУ, <100> ЭК 0.1 цт.
Рис. 3.6. Распределение плотности потока каналированных ионов в поперечной плоскости канала.
1,04.
АГ, Е = 48 MeV, <100> SI.
1,03.
1,02 о 1,01.
1,00.
0,99.
Ьг^—.
Depth, цт i 1 — 0.01.
О/—Л 1 2-ОЛ.
I 3−0.2.
4 / | 4 — 0.3 6 — 0.5 ij 1 7 — 0.7 8−1.0.
1 9 — 2.0.
1 иЧ'^ШгШ!^ ' • .
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Р/Р.
АГ°, Е = 13.5 MeV, <100> Si.
1,35 1,30 1,25 1,20 1,15 1,10 1,05 1,00 0,95 0,90.
Рис. 3.7 Рассчитанные угловые распределения изотропного пучка ионов А1 с энергией 48 и 13.5 МэВ, прошедших кристалл кремния вдоль оси <100> в зависимости от толщины кристалла (Рсг — критический импульс для ионов с максимальным зарядом Q=13).
Y*0, E ¦ 63 MeV, <100> Si.
Angle, rad Angle, rad.
Y*°, E = 177 MeV,<100>Si.
Angle, rad Angle, rad.
Рис. 3.8 Рассчитанные суммарные (а) и парциальные (b) угловые распределения изотропного пучка ионов Y с энергией 63 и 177 МэВ, прошедшего тонкий кристалл кремния вдоль оси <100>.
Crystal.
Ion Beam detector or film.
Рис. 3.9 Возможная принципиальная схема экспериментальной установки для измерения парциальных угловых распределений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Успехи в развитии физики ион-атомных столкновений, ядерной физики, а также современной электронной техники определили появление новых оригинальных методов исследования поверхностей твердых тел и кристаллических структур. Метод обратного резерфордовского рассеяния ионов, пришедший из ядерной физики, основан на кулоновском взаимодействии заряженной движущейся частицы с атомом исследуемого вещества. Этот метод в сочетании с каналированием и использованием резонансных ядерных реакций эффективен при решении фундаментальных и прикладных задач физики твердого тела, таких как определение местоположения примесных атомов и собственных дефектов в элементарной ячейке кристалла, определение амплитуды тепловых колебаний, изучение совершенства кристаллов.
Разработанная автором кинетическая теория каналирования ионов, учитывающая диффузию в пространстве поперечных импульсов и обмен зарядом между кристаллом и ионом позволит расширить возможности метода каналирования для получения уникальной информации не только о структурных особенностях кристаллов, но и о физике ион-атомных столкновений.
Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность своему научному руководителю доктору физико-математических наук Малышевскому B.C. за многостороннюю помощь и полезные обсуждения затронутых в диссертации вопросов. Автор также выражает благодарность участникам ежегодной международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами за стимулирующие обсуждения и критические замечания.
