Столкновительные процессы с изменением зарядового состояния многоэлектронных атомов и ионов

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..........................................................6
ГЛАВА 1. ОДНОЭЛЕКТРОННАЯ ИОНИЗАЦИЯ АТОМОВ И ИОНОВ ЭЛЕКТРОННЫМ УДАРОМ
1.1 Введение.....................................................30
1.2 Общие соотношения. Вклад прямой ионизации, автоионизации и резонансных процессов...................................... 30
1.2.1 Прямая ионизация........................................33
1.2.2 Формулы Лотца...........................................35
1.2.3 Возбуждение с автоионизацией............................36
1.2.4 Резонансная ионизация................................. 38
1.3 Методы расчета сечений ионизации атомов и ионов..............40
1.3.1 Борновское приближение..................................42
1.3.2 Метод парциальных волн..................................44
1.4 Программа АТОМ...............................................46
1.4.1 Радиальные волновые функции.............................48
1.4.2 Общая схема работы программы............................49
1.4.3 Ионизация электронным ударом в программе АТОМ...........50
1.4.4 Возможности и ограничния программы АТОМ.................51
1.5 Численные расчеты сечений ионизации по программе АТОМ, сравнение с экспериментом и другими расчетами.................52
1.6 Параметры аппроксимаций для сечении и скоростей ионизации многозарядных ионов...........................................58
2
1.7 Асимптотическое поведение сечений ионизации при больших энергиях
налетающих электронов..........................................61
1.7.1 Классическое приближение..................................61
1.7.2 Константы Бете............................................66
1.8 Вклад возбуждения внутренних электронов в автоионизационные
состояния......................................................74
1.8.1 Модельный потенциал взаимодействия налегающей частицы с атомом мишени..................................................74
1.8.2 Дипольные и квадрупольные переходы......................78
1.8.3 Переходы между близкими уровнями. Приближение Бейтса-Дамгаард...................................................... 83
1.8.4. Выбор эффективного радиуса взаимодействия для сечений и скоростей возбуждения электронов из внешних и внутренних оболочек..................................................................................84
1.8.5. Возбуждение ионов электронным ударом. Пороговое
поведение сечений.......................................85
1.9 Основные выводы Главы 1........................................92
ГЛАВА 2. МНОГОЭЛЕКТРОННАЯ ИОНИЗАЦИЯ АТОМОВ И ИОНОВ ЭЛЕКТРОННЫМ УДАРОМ
2.1 Введение.......................................................94
2.2 Свойства полных сечений ионизации. Элементарные процессы, приводящие к многоэлектронной ионизации........................96
2.3 Полуэмпирические формулы. Бете-борновское описание сечений многоэлектронной ионизации....................................101
2.4 Вклад прямых и многоступенчатых процессов....................112
2.5 Основные выводы Главы 2.......................................117
з
ГЛАВА 3. ОБДИРКА НАЛЕТАЮЩИХ ИОНОВ В ИОН-АТОМНЫХ СТОЛКНОВЕНИЯХ
3.1 Основные процессы с изменением заряда в ион-атомных столкновениях:
перезарядка и ионизация.......................................119
3.2 Ионизация ионов в ион-атомных столкновениях. Роль электрон-электронных взаимодействий и взаимодействия с ядром............120
3.3 Методы расчета сечений обдирки. Учет каналов
перестройки мишени...........................................123
3.4 Численные расчеты сечений обдирки и времен жизни пучков
многоэлсктронньгх ионов в накопительных кольцах...............126
3.4.1. Обдирка ионов кислорода при взаимодействии с атомами и молекулами верхней атмосферы Земли............................129
3.4.2. Процессы обдирки тяжелых многоэлектронных ионов
при столкновении с нейтральными атомами.................139
3.4.3. Времена жизни тяжелых ионов в накопительных кольцах...145
3.5 Основные выводы Главы 3........................................151
ГЛАВА 4. ПЕРЕЗАРЯДКА ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ИОНОВ НА МНОГОЭЛЕКТРОННЫХ АТОМАХ
4.1 Особенности процессов перезарядки.............................155
4.2 Первый порядок теории возмущений.
Приближение Бринкмана-Крамерса (БК)............................163
4.3 Свойства сечений перезарядки в приближении БК.................168
4.4 Перезарядка протонов на атомах. Образование атомов водорода в
высоковозбужденных Ридберговских состояниях Н(п!) сп» 1......171
4.5 Обобщенный метод Бринкмана-Крамерса...........................176
4.5.1 Асимптотика сечений перезарядки при больших энергиях.....176
4
4.5.2 Уточнение величин сечений перезарядки в рамках метода сильной связи................................................ 179
4.5.3 Численные расчеты сечений перезарядки по
программе АТОМ J 83
4.6 Нормировка сечений перезарядки в представлении параметра
удара.........................................................176
4.7 Численные расчеты нормированных вероятностей и
сечений перезарядки в представлении параметра удара...........181
4.8 Основные выводы Главы 4.......................................188
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................206
ЛИТЕРАТУРА........................................................213
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Радиационные и столкновительные процессы, протекающие в лабораторной и астрофизической плазме, определяются взаимодействием составляющих плазму атомных частиц (электронов, атомов, молекул и ионов) между собой и с фотонами. К таким элементарным процессам относятся прежде всего процессы возбуждения, ионизации, рекомбинации, возникающие в электронно-атомных и ион-атомных столкновениях, и фотопроцессы.
Вопросы физики элементарных процессов, возникающих в электронноатомных и ион-атомных столкновениях, рассмотрены в ряде монографий и обзоров [1-16]. Элементарные процессы представляют интерес для многих областей атомной физики и атомной спектроскопии, физики плазмы, квантовой электроники, физики ускорителей и термоядерного синтеза, а установление связей между характеристиками элементарных процессов и интенсивностью излучения позволяют развивать надежные методы спектроскопической и корпускулярной диагностики плазмы [17, 18]. Процессы с изменением зарядового состояния сталкивающихся частиц (ионизационнорекомбинационные процессы) занимают особое место, т.к. они в значительной степени определяют ионизационный состав плазмы и структуру ее спектрального излучения, т.е. линейчатый и непрерывный спектры, а также времена жизни ионных пучков.
Ввиду многообразия и сложности элементарных процессов, представляющих интерес, вряд ли целесообразно ставить вопрос об их исчерпывающем эклериментальном изучении во всем диапазоне энергий и *арядов сталкивающихся частиц. В ряде случаев экспериментальная реализация 'акой задачи не достижима технически, поэтому возрастает роль теоретических ^следований и численных расчетов, обеспечивающих не только четкую ттерпретацию элементарных процессов и их зависимость от основных Ьизических параметров, но и надежное предсказание требуемых величин.
6
С теоретической точки зрения, при этом возникает три основные задачи: развитие методов расчета столкновительных и радиационных характеристик атомов и ионов на основе надежных подходов и приближений, применимых для большого класса атомов и ионов;
реализация развитых методов в виде вычислительных программ на ЭВМ, позволяющих достаточно точно проводить массовые численные расчеты указанных характеристик;
нахождение законов сканирования (подобия) элементарных характеристик и их аппроксимационных параметров.
Поставленные задачи позволяют не только интерпретировать :спериментальные результаты, но и получать самосогласованные данные в ироком диапазоне скоростей, зарядов атомов и ионов, предсказывать их личины и использовать параметры аппроксимаций для решения большого ісла прикладных задач кинетики плазмы.
В диссертации проведено исследование следующих столкновительных юцсссов, сопровождающихся измененим зарядового состояния атомов и шов:
одно- и многоэлектронная ионизация атомов и ионов электронным ударом
+ е —> ... -> х^+ш)+ + (/77+1 )е, 777 > I, (1)
обдирка (ионизация) налетающих ионов в ион-атомных столкновениях Хч+ + А -> Х<ч+1)+ + е + А*, (2)
перезарядка (электронный захват) положительных ионов на нейтральных атомах
+ А Х«Н)+ + А+, (3)
і ч - заряд иона Х^+, А - атом или ион мишени. В реакции (1) ионизуется )м мишени, в реакции (2) - налетающий ион, а в результате процесса (3) оисходит изменение зарядов обеих сталкивающихся частиц. Таким образом, юматривается большой класс процессов ионизации, обдирки и перезарядки >мов и ионов в электронно-атомных и ион-атомных столкновениях.
7
Особое внимание уделяется процессам с участием многоэлектроиных систем, т.е. имеющих определенную структуру внутренних электронных оболочек. Существует большое число фундаментальных и прикладных задач, в которых внутренние электроны играют существенную, а часто и основную роль, например, захват электронов внутренних оболочек при перезарядке быстрых ионов на нейтральных атомах. Процессы отрыва внутренних электронов в результате фотоионизации, ионизаии или перезарядки при столкновениях с тяжелыми частицами, возбуждение электронов атомного остатка и т.д. являются предметом детального изучения рентгеновской спектроскопии, лазерной спектроскопии, астрофизики и других областей физики. Интерес к процессам с участием внутренних электронных оболочек стимулируется довольно быстрым развитием техники пучкового экспермента больших энергий. Кроме того, создание вакансий во внутренних оболочках играет значительную роль в образовани многозарядных ионов, являющихся источником рентгеновского и ультрафиолетового излучения, что особенно актуально в настоящее время для интерпретации результатов астрофизических исследований и физики горячей плазмы.
Цель работы.
Целью настоящей работы является разработка теоретических подходов и тисленных методов расчета столкновительных характеристик атомов и ионов, участвующих в элементарных процессах (1-3) с изменением зарядового юстояния, исследование механизмов взаимодействия электронов с атомами и тонами, амплитуд переходов, эффективных сечений и скоростей столкновения * указанных процессах, а также законов сканирования стокновитсльных сарактеристик атомов и ионов по основным атомным параметрам: угносительной скорости сталкивающихся частиц, энергии связи, заряда иона, шела выбитых электронов и др.
Существенной частью работы является создание пакета программ на ЭВМ для расчета эффективных сечений возбуждения, ионизации, обдирки и
8
перезарядки. Большинство программ реализовано на базе основной программы АТОМ, созданной в лаборатории спектроскопии ФИАН (см. [14]), за исключением программы для расчета нормированных вероятностей и сечений перезарядки ионов на атомах в представлении параметра удара. Указанный пакет программ позволил реализовать развитые в работе методы расчета атомных характеристик, а численные расчеты на их основе - получить надежные атомные данные для указанных столкновительных процессов и объяснить ряд физических эффектов, обнаруженных экспериментально.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
Глава 1 посвящена исследованию процессов одноэлектронной ионизации атомов и ионов электронным ударом Хч++ е ... ->X<Q+1>+ + 2е, которые включают процессы прямой ионизации электронов внешних и внутренних оболочек, возбуждение внутренних электронов в автоионизационные состояния, и резонансную ионизацию, возникающую в результате захвата электрона, также в автоионизационные состояния.
Процессы одноэлектронной ионизации атомов и ионов электронным ударом достаточно хорошо изучены экспериментально [19-211. Экспериментальные методы измерения сечений ионизации нейтральных атомов описаны в обзоре [22].
Экспериментальные данные по сечениям и скоростям ионизации положительных ионов довольно ограничены (см., например, [19, 20, 23]). Часть результатов для ионов с зарядом q < 20 получены непрямыми методами, т.е. на основе численных моделей, в ионных ловушках [24] или в лабораторных плазменных источниках, таких как тета-линч или стелларатор [25] методом эволюции спектральных линий, предложенного Г.Кунце [26]. С развитием техники пересекающихся электронных и ионных пучков (см., [26, 27]) стало возможным проводить прямые измерения сечений с точностью порядка 5-10%. Развитие техники ускорителей, накопительных колец и супер-ловушек типа Super EBIT в Национальной Исследовательской Лаборатории в г. Ливермор
9
(США), сделало возможным проводить измерения сечений ионизации многозарядных ионов, типа урана 1Я+ с зарядами 83 < ч < 91 (29-301. Библиография по сечениям ионизации и возбуждения атомов и ионов электронным ударом содержится в обзорах (311.
Со времен классической модели ионизации Томсона в 1912 году (321, свое развитие получили несколько основных методов расчета, которые используются в настоящее время. Среди них следует отметить борновское приближение (33], приближение искаженных волн [34-351, Кулон-борновское приближение с обменом (КБО) [36], метод 11-матрицы (37-38] и метод сильной *.вязи |39, 40]. Современные методы расчета позволяют достигать точности »асчстов сечений одноэлектронной ионизации порядка 20-30%, и в редких лучаях - порядка несколько процентов (например, в случае сечения ионизации тома Н(1я), вычисленного методом сильной связи [40]).
В диссертации численные расчеты сечений ионизации проводятся на снове метода КБО в представлении парциальных волн и с учетом этогональности волновых функций начального и конечного состояний. Этот етод предсталяется наиболее простым и надежным методом расчета сечений шизации многоэлсктронных атомов и ионов. Метод КБО реализован на базе юграммы АТОМ, созданной и разработанной в лаборатории спектроскопии ИАН, для расчета волновых функций атомов и ионов и сечений различных опессов. Дается краткое описание программы АТОМ (подробнее см. [14.]).
На основе численных расчетов по программе АТОМ представлены эаметры аппроксимаций для сечений и скоростей ионизации многозарядных чов для оболочек от 1.?до 67/, включая ионизацию из внутренних оболочек и ;бужденных состояний. Аппроксимационные формулы для сечений и •росте й содержат по два аппроксимационных параметра, которые слабо исят от заряда иона, и описывают сечения и скорости ионизации в [ближении КБО с точностью порядка 20-30% в области энергий и ператур налетающих электронов соответственно Е < 15 /, 0,125 < 1/Т < 8.0, ] - энергия связи электрона мишени, Т - температура электронов. Именно область энергий и температур представляет интерес для большинства
ю
физических приложений. Часть полученных в настоящей работе данных по сечениям ионизации используется в качестве рекомендуемых данных (41], а также для решения ряда задач кинетики высокотемпературной плазмы, например, для создания радиационно-столкновительных моделей плазмы 142].
Разработана теория ионизации атомов и ионов при больших энергиях налетающих электронов. Знание асимптотических сечений ионизации необходимо для нормировки экспериментальных данных и для проверки численных расчетов. Сечение ионизации представляется в виде суммы классического и квантово-механического (логарифма Бете) сечений. Получено новое выражение для классического сечения, которое представляется более корректным по сравнению с известными классическими формулами.
Для высоковозбужденньгх атомов и многозарядных ионов вычислены константы Бете состояний от 1.9 до 6Ь, а также усредненные по орбитальным квантовым числам 1 константы. Показано, что логарифмическое слагаемое сечения убывает в п раз быстрее, чем классическое сечение, где л - главное квантовое число ионизуемого электрона. Исследована зависимость энергии налетающего иона от главного квантового числа п, когда бстсвский логарифм вносит существенный вклад в полное сечение ионизации.
Исследована роль электронов внутренних оболочек в случае ионизации сложных мишеней (прямая ионизация и возбуждение с автоионизацией). Для описания сечений возбуждения электронов из внешних и внутренних оболочек, предложен модельный потенциал (недиагональный матричный элемент) чультипольного взаимодействия налетающей заряженной частицы с атомом ионом) мишени и на его основе развиты методы расчета амплитуд рассеяния, течений и скоростей возбуждения (включая переходы из внутренних оболочек) 1ЛЯ дипольных и квадрупольных переходов, дающих наибольший вклад в течения автоионизации. Метод модельного потенциала получил также свое швитие для диагностики высокотемпературной плазмы |43] и в теории ^упругих электронно-атомных соударений в плотной плазме |44].
11
В Главе 2 рассмотрены процессы многоэлектронной ионизации атомов и ионов электронным ударом
Х^+ + е ... ->Х«з+1)+ +(лН-1)е, тг 2.
Такие процессы могут играть существенную роль при определении потерь электронных пучков в газах и плазме или при образовании многозарядных ионов в нестационарной высокотемпературной лазерной плазме.
Если процессы одноэлектронной ионизации могут быть объяснены в рамках одноэлсктронного приближения для оптического электрона и вычислены тем или иным методом в широком диапазоне энергий налетающего электрона, процессы множественной ионизации при бинарных столкновениях требуют использования более сложной экспериментальной техники и нетрадиционных методов расчета, выходящих за рамки одноэлектронного приближения. Хотя природа таких процессов аналогична одноэлектронной тонизации, они существенно зависят от эффектов корреляции между электронами, которые в одноэлсктронных процессах проявляются намного слабее. Это обстоятельство существенно затрудняет численные расчеты сечений •шогоэлектронной ионизации, т.к. приближение независимых частиц (1РМ), [асто используемое для ионизации атомов многозарядными ионами (т.е. яжелыми частицами), здесь не применимо. Отметим, что в настоящее время тсугствуют корректные квантово-механические расчеты двухэлектронной онизации даже для простейшего многоэлектронного атома Не. Основная эудность описания процессов множественной ионизации электронами нслючается в нахождении скоррелированных волновых функций в начальном конечном состояниях и корректной асимптотики волновых функций в ^прерывном спектре. Такая задача пока не нашла своего теоретического мления, поэтому для практических приложений используют хлуэмпирические формулы для сечений и скоростей ионизации.
В настоящей работе впервые получены полуэмпирические формулы для чений и максвелловских скоростей многоэлектронной ионизации атомов и •нов электронным ударом на основе экспериментальных данных и общих гзических допущений о характере убывания сечений при больших энергиях
12
налетающих электронов. Формулы отражают в явном виде зависимость сечений и скоростей многоэлектронной ионизации от атомных параметров: энергии и температуры налетающих электронов, пороговой энерги ионизации, полного числа электронов мишени и числа ионизованных электронов. Важным свойством, на наш взгляд, является обнаружение квадратичной зависимости сечения от полного числа электронов мишени (в отличие от линейной зависимости в случае одиоэлектронной ионизации). Это объясняет тот физический результат, что сечения многоэлектронной ионизации тяжелых атомов мишеней имеют относительно большой порядок величины даже при отрыве большого числа (8-10) электронов.
На основе исследований, проведенных в настоящей работе, подтвержден вывод о физической картине процессов многоэлектронной ионизации: в припороговой области энергий, т.е. от порога реакции до энергии связи первой внутренней оболочки, происходит одновременная ионизация нескольких электронов за счет эффектов корреляции между налетающим и атомными электронами. С ростом энергии открываются каналы одноэлектронной ионизации, которые приводят к образованию ионов в автоионизационных состояниях, приводящих в свою очередь к Оже-распадам с образованием дополнительных электронов. Этот вывод подтверждается экспериментальными данными и теоретическими оценками других авторов.
Полученные в настоящей работе полуэмпирические формулы для сечений и скоростей многоэлектронной ионизации атомов и ионов аналогичны известным полуэмлирическим формулам Лотца для сечений и скоростей одноэлектронной ионизации атомов и ионов, т.е. описывают указанные величины с точностью порядка фактора 2, и часто используются для описания экспериментальных данных.
В Главе 3 рассмотрены процессы с изменением зарядового состояния чалетающих ионов при столкновении с атомами, т.е. ион-атомные лолкновения. Такие процессы играют важную роль, например, в верхних слоях ггмосферы Земли [48] или в ускорительных установках 149,50), т.к. определяю!'
13
времена жизни ионных пучков при столкновении с нейтральными атомами. Экспериментальные данные по сечениям процессов обдирки весьма ограничены (см., например, 151 -54)), поэтому теоретические расчеты приобретают самостоятельный интерес.
Теория таких проиесов основана в основном на борновском приближении или его модификациях, но даже в этом приближении расчеты сечений довольно затруднительны из-за специфики этих реакций (см, (6, 55]). Существенным эффектом, определяющим сечения таких процессов, является экранировка электронами ядер мишеней: при малых энергиях экранировка велика, и сечения примерно пропорциональны величине z£/2, где Z7. - заряд
ядра атома мишени. С ростом энергии эффекты экранировки становятся малыми. При этом электроны мишени не только не экранируют ядро, но и сами принимают участие в ионизации налетающих ионов (т.н. эффекты антиэкранировки), так что сечение обдирки резко растет как + гт .
В работе впервые вычислены сечения обдирки тяжелых многоэлектронных ионов на атомах и объяснена зависимость экспериментальных времен жизни ионных пучков от их энергии, измеренных недавно (199? г.) на ускорителе УНИЛАК в г. Дармштадт (ФРГ). Показано, что из-за влияния эффектов экранировки, времена жизни пучков тяжелых ионов практически полностью определяются концентрацией тяжелых атомов в остаточном газе. На основе численных расчетов сечений обдирки многоэлектронных ионов по программе АТОМ получена полуэмпирическая формула для оценки времен жизни 1гучков ионов в ускорительных системах.
В Главе 4 рассмотрены процессы одноэлектронной перезарядки положительных ионов на нейтральных атомах, т.е. процессы, в которых одновременно изменяются заряды обеих сталкивающихся частиц. Такие процессы представляют интерес для многих задач атомной физики и астрофизики, например, для получения пучков нейтральных атомов в лабораторных экспериментах и для нагрева плазмы, для получения инверсной заселенности атомов и ионов в коротковолновой области спектра.
14
Вопросы теории перезарядки в ион-атомных столкновениях изложены во многих монографиях и обзорах (см., например, [8,13,56-58)). Экспериментальные данные по перезарядке протонов на нейтральных атомах приведены в [27, 51, 59, 60]. Сечения селективной перезарядки многозарядных ионов на атомах, т.е. распределение по квантовым числам п1т образующегося иона, приведены в [61-63].
В диссертации разработана теория процесса перезарядки положительных гонов на атомах в рамках приближения Бринкмана-Крамерса, являющегося модификацией 1-го порядка теории возмущений. Проведено обобщение метода >ринкмана-Крамерса с учетом корректной асимптотики сечений и эффектов ильной связи атомных состояний.
Впервые показано, что из-за резкой зависимости сечений захвата из гдельной оболочки мишени от относительной скорости сталкиваюшиихся 1стиц (а ~ V ‘п - V "12 в отличие от сечений ионизации, которые убывают как у/у2), основную роль в процессах перезарядки при больших энергиях олкновения играет захват внутренних электронов мишени налетающим >ном, а захват внешних электронов пренебрежимо мал. Этим эффектом ъясняется ряд физических особенностей экспериментальных сечений резарядки, например, наличие изломов на полных сечениях перезарядки и зличный характер убывания сечений в случае столкновений с легкими (Н, ) и многоэлектронными мишенями.
Впервые получена связь между квантово-механической и 13Иклассической амплитудами перезарядки, что позволило выполнить эгоканальную нормировку? вероятностей и сечений перезарядки в дставлении параметра удара и существенно расширить область менимости (по энергии) используемого приближения, а также использовать г метод для расчета асимптотических сечений перезарядки в ион-ионных [кновениях.
Другой предложенный метод нормировки учитывает эффекты сильной и атомных состояний мишени и образующегося иона на основе уровневой модели Вайнштейна-Преснякова-Собельмана [4). Полученные
15
результаты (разработанная теория Бринкмана-Крамерса с нормировкой) получили название обобщенного метода Бринкмана-Крамерса, который позволяет описать процессы перезарядки в широкой области энергий: от 30 кэВ/н до 300 МэВ/н. Обощенный метод Бринкмана-Крамерса и многоканальная нормировка реализованы в виде программ на ЭВМ.
В Заключении приводятся основные результаты диссертации.
Основное содержание диссертации отражено в 40 публикациях, включая 3 монографии - Элементарные процессы с участием многозарялных ионов (13], Структура и характеристики ионов в горячей плазме (14) и Atomic Multielectron Processes (15].
Результаты диссертации доложены также на Всероссийских конференциях по физике электронно-атомных столкновений (ВКАЭС): X ВКАЭС (Ужгород, 1988), XI ВКАЭС (Чебоксары, 1992); на XIII Всероссийском семинаре по фундаментальной атомной спектроскопии (ФАС) (Черноголовка, 1993) и XIV ФАС (Москва, ФИАН 1998); на Международных конференциях по физике электронно-атомных столкновений (ICPEAC): VII ICPEAC (Amsterdam, 1971), XI ICPEAC (Beograd, 1979), XVIII ICPEAC (Progress Report, Aahus, 1993), XX ICPEAC (Vienna, 1997); на Международной конференции no физике ионизованных газов XII ICP1G (Einhoven, 1975); на Международных сонференциях по атомной физике (ЕСАР): Heidelberg 1981, Stockholm 1993; на Международных конференциях по физике термоядерного синтеза: Darmstadt 1988, Heidelberg 1997; на Международных конференциях МАГАТЭ (Vienna): [989, 1990, 1993; на Международных конференциях по физике многозарядных юнов HCl: VI HCI (Kansas, 1992), VII HCI (Vienna, 1994); на Международной сонференции по ускорителям (Italy, Ferrara 1997).
16
Научная новизна работы.
1. Развита теория одноэлектронной перезарядки в ион-атомных столкновениях при больших энергиях столкновения на основе приближения Бринкмана-Крамерса (модификация первого порядка теории возмущений). Впервые показано, что из-за резкой зависимости сечений захвата из отдельной оболочки мишени от относительной скорости сталкивающиихся частиц (о ~
у -И _ у -12)? основную роль в процессах перезарядки при больших энергиях столкновения играет захват внутренних электронов мишени налезающим ионом, а захват внешних электронов пренебрежимо мал. Этим эффектом объясняется ряд физических особенностей экспериментальных сечений перезарядки, например, наличие изломов на полных сечениях и различная степень их убывания от энергии в случае столкновений с простыми (Н, Не) и многоэлектронными мишенями.
Впервые получена связь между квантово-механической и квазиклассической амплитудами перезарядки, что позволило выполнить нормировку сечений перезарядки в представлении параметра удара и существенно расширить область применимости (по энергии) используемого приближения.
2. Впервые выполнены расчеты сечений обдирки тяжелых многоэлектронных ионов с зарядом ядра 80-90 (свинец, висмуг, уран) при столкновении с атомами более легких элементов (водород, кислород, азот, аргон). Показано, что электроны внутренних оболочек налетающих ионов играют существенную роль как в процессах прямой ионизации, так и автоионизаиии.
Показано, что сечения обдирки и времена жизни пучков ионов в ускорительных установках (накопительные кольца, ускорители) при энергиях Ю-300 МэВ/н определяются концентрацией тяжелых компонент остаточного дза (кислорода, азота, аргона), а взаимодействие налетающих ионов с атомами юдорода, концетрация которого порядка 80-90%, практически не играет юли. Эго связано с эффектами экранировки ядра мишени его электронами, 1риводящими к резкой зависимости сечений обдирки ионов на атомах (а ~
17
2Г2 + 2Т, где 2Т - заряд иона атома мишени) при больших энергиях столкновения. Поэтому времена жизни ионных пучков в ускорительных установках практически полностью определяются концентрацией компонент многоэлектронных атомов остаточного газа, а для адекватного сравнения теории с экспериментом для этих процессов необходимо выполнять измерения времен жизни одновременно с измерениями абсолютных концентраций всех (особенно тяжелых) компонент остаточного газа.
3. Развита асимптотическая теория ионизации атомов и ионов при эольших энергиях налетающего электрона. Получено новое выражение для классической формулы сечения ионизации на основе формулы Стаблера для течения передачи энергии. Вычислены константы Бете (логарифмический член) 1ля сечений ионизации атомов и ионов из основного и возбужденных юстояний и1, Ь < п1 < 61), а также суммарные по орбитальным квантовым шелам константы. Полученные асимптотические формулы для сечений юнизации позволяют достаточно точно оценить величины сечений ионизации 1ри больших энергиях налетающих электронов, что важно для проверки 'еоретических моделей и нормировки экспериментальных сечений ионизации томов и ионов.
На основе численных расчетов сечений ионизации в Кулон-борновском фиближении с обменом по программе АТОМ впервые получены ппроксимационные параметры для сечений и скоростей ионизации (ногозарядных ионов для состояний п1, 1$ < п1 < 61), включая ионизацию из .нутренних оболочек и возбужденных состояний, в широкой области энергий 3 < 15.41 и температур электронов 0.125 < 1п\/Т <. 8,0. Именно эта область :редставляст наибольший интерес для физических приложений.
Предложена модель потенциала мультипольного взаимодействия недиагональный матричный элемент перехода) налетающей заряженной астицы с атомом (ионом) мишени. Формула для модельного потенциала одержат эффективный радиус (радиус обрезания) как свободный параметр, а оведение потенциала на больших расстояниях совпадает с поведением точного отенциала. На основе численных расчетов сечений возбуждения по программе
]8
АТОМ, предложены рецепты для нахождения эффективого радиуса в случае дипольных и квадрупольных электронных переходов из внешних и внутренних оболочек мишени.
Предложенная форма потенциала, а также выбор эффективного радиуса позволили получить формулы в замкнутом аналитическом виде для амплитуд рассеяния, сечений и скоростей возбуждения (включая переходы из внутренних оболочек) для дипольных и квадрупольных переходов, дающих, как правило, наибольший вклад в сечения автоионизации. Полученные формулы описывают сечения возбуждения атомов и ионов в борновской области с точностью до 10-20 %, а в припороговой области - с точностью до фактора 2.
4. На основе Бете-борновского приближения и имеющихся экспериментальных данных впервые получены формулы для сечений и максвелловских скоростей многоэлектронной ионизации атомов и ионов электронным ударом. Формулы содержит в явном виде зависимость сечения от основных атомных параметров: энергии и температуры налетающих
электронов, пороговой энергии ионизации, полного числа электронов мишени и числа выбитых электронов, и позволяют оценить величины сечений с точностью до фактора 2. Показано, что из-за квадратичной зависимости сечений многоэлектронной ионизации от полного числа электронов мишени М з ~ Д2/л/>, где т - число выбитых электронов, экспериментальные сечения чногоэлектронной ионизации тяжелых атомов аномально велики (а ~ 10'20 см2) ааже при одновременном отрыве большого числа электронов (//; = 8 - 10). Формулы аначогичны полуэмпирическим формулам Лотца для сечений и жоростей одноэлектронной ионизации атомов и ионов.
Научная и практическая ценность работы.
Полученные методы расчета и численные результаты позволили провести юследования процессов ионизации, обдирки и перезарядки для широкого ласса атомов и ионов, объяснить ряд новых физических эффектов, :арактерных для этих процессов. Представленные в диссертации результаты
19
использовались и используются рядом исследовательских групп для интерпретации экспериментальных результатов, для построения радиационно-столкновитсльных моделей плазмы и для банка атомных данных по столкновительным характеристикам атомов и ионов.
Результаты по одно- и многоэлектронной ионизации атомов и ионов использовались для интерпретации экспериментальных данных по сечениям и жоростям ионизации, полученных экспериментальными группами Ужгородского Госуниверситета (Украина), Университетов гг. Бохум и Гиссен ФРІ"), Католического Университета г. Люва-ла-Нев (Бельгия) и Королевского /ниверситета г. Белфаст (Ирландия).
Исследования по процессам обдирки положительных ионов на атомах, юлученных в данной работе, используются для интерпретации процессов, роисходящих в магнитосфере Земли при взаимодействии ионов аномальной омпонснты космических лучей с атомами легких элементов (МИФИ), а также ля интерпретации и постановки будущих экспериментов на линейном жорителе УНИЛАК в г. Дармштадт (ФРГ) по измерению времен жизни учков тяжелых ионов. Особые условия налагаются на вакуум установки, т.е. а присутсвие в остаточном газе многоэлектронных атомов типа азота, іслорода и аргона, которые, как показано в данной работе, практически элностью определяют времена жизни пучков тяжелых ионов при энергиях эрядка 300 кэВ/н-300 МэВ/н. На основе выполненных численных расчетов по юграмме АТОМ, получена полуэмпирическая формула для оценки сечений ширки тяжелых много электронных ионов, которая нашла практическое •именение для оценки времен жизни ионов в накопительных кольцах.
Исследования по перезарядке протонов и многозарядных ионов на змах позволили объяснить ряд экспериментальных эффектов, например, личие изломов на кривых полных сечений и различный характер убывания іений с ростом энергии налетающего иона на простых мишенях типа Н или и мишенях, имеющих сложную оболочечную структуру. Как было показано, і эффекта связаны с превалирующим захватом электронов внутренних
20