WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 9 02 Обдирка быстрых ионов кислорода при столкновениях с атомами легких элементов 2 © А.В. Бакалдин,1 С.А. Воронов,1 С.В. Колдашов,1 В.П. Шевелько 1 Московский государственный инженерно-физический институт (технический университет), 115409 Москва, Россия 2 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 117924 Москва, Россия E-mail: shev@sci.lebedev.ru (Поступило в Редакцию 28 января 1999 г.) На основе имеющихся экспериментальных данных и теоретических расчетов, выполненных в настоящей + работе, оценены сечения одноэлектронной обдирки ионов кислорода OZ с зарядом Z = 1-7 в области энергий E = 0.5-200 MeV/u при столкновении с атомами H, He, N, O и Ar. Приведены аналитические аппроксимации полученных сечений.

Введение программы ”Атом”. На базе вычисленных сечений, имеющихся экспериментальных данных и законов скаПроцессы с изменением зарядового состояния пололирования сечений обдирки, в работе оценены сечения жительных ионов при их столкновении с атомами и мообдирки процессов (1) при энергиях E = 0.5-200 MeV/u лекулами (ионизация, перезарядка) играют важную роль с точностью в пределах фактора 2. Эти данные используво многих задачах физики атомных столкновений [1–3], ются для численного моделирования процессов захвата физики плазмы [4], физики накопления тяжелых ионов в ионов АКЛ магнитосферой Земли, результаты которого ускорительных машинах [5], физики космических лучей будут опубликованы в отдельной работе.

и магнитосферы Земли [6] и многих других задачах.

Например, такие процессы, возникающие при взаимодейОсновные процессы изменения ствии ионов аномальной компоненты космических лучей зарядового состояния: перезарядка (АКЛ) (ионы H, He, C, N, O, Ne и Ar) с атомами и молекулами верхней атмосферы Земли, определяют и ионизация динамику формирования потоков ядерной компоненты Основными процессами, приводящими к изменению радиационного пояса Земли. Несмотря на проведенные обширные экспериментальные и теоретические иссле- заряда налетающего иона при его столкновении с атомами и молекулами, являются перезарядка и ионизация.

дования механизмов захвата ионов АКЛ геомагнитным Такие процессы в широкой области энергий рассмотрены полем и динамики их потоков в радиационном поясе Земли, до сих пор эти процессы количественно не изу- в обзорах [1–8]; библиография по эффективным сечениям (до 1997 г.) приведена в [9].

чены: неизвестны распределения захваченных ионов по зарядовым состояниям, пространственные распределе- Ион, сталкиваясь с нейтральным атомом или молекулой, может увеличить свой заряд в результате обдирки ния потоков ионов вдоль силовых линий геомагнитного (ионизации) поля и т. д. Такая информация может быть получена с помощью математического моделирования процессов XZ+ + A X(Z+a)+ +..., a 1 (2) распространения ионов АКЛ в магнитном поле Земли, их последующего захвата геомагнитной ловушкой и двиили потерять заряд в результате перезарядки, т. е. захважения в радиационном поясе. Для проведения подобных та электронов мишени расчетов необходимо знание сечений обдирки и перезарядки ионов АКЛ с энергией порядка 1-200 MeV/u XZ+ + A X(Z-b)+ +..., b 1. (3) при их взаимодействии с атомами и молекулами газов + верхней атмосферы.

Здесь XZ — налетающий ион, A —атом(молекула) миВ настоящей работе определены сечения обдирки шени. Точки в процессах (2) и (3) означают наличие возионов кислорода (наиболее распространенных в АКЛ) с можных процессов возбуждения и ионизации мишеней A.

энергией E = 1-200 MeV/u на атомах легких элементов Полное сечение изменения заряда налетающей частицы + определяется суммой сечений одно- и многоэлектронных OZ + A O(Z+1)+ + A + e-; Z = 1-7;

процессов ионизации (ion) и перезарядки (ec) соответA = H, He, N, O, Ar. (1) ственно (a) (b) Численные расчеты сечений обдирки (1) проводились tot = ion + ec. (4) в приближении Бора–Борна с помощью компьютерной a 1 b 2 18 А.В. Бакалдин, С.А. Воронов, С.В. Колдашов, В.П. Шевелько Как правило, основной вклад в сумму (4) дают од- Сумма по P означает суммирование по всем элекноэлектронные процессы (a = b = 1). Тем не менее тронным оболочкам налетающего иона, а сумма i(T ) — при определенных условиях вклад многоэлектронных суммирование по всем конечным состояниям i мишени, процессов в полное сечение может достигать 30-50% включая возбуждение и ионизацию. Минимальная пере(см., например, [10,11]). дача импульса определяется выражением Сечения ионизации и перезарядки налетающего иона qmin =(IP + +ET )/v, (8) имеют, вообще говоря, разную зависимость от атомных параметров: относительной скорости v, заряда налетаюгде IP — энергия связи ионизуемого электрона, E — щего иона Z и заряда ядра мишени ZT, поэтому относиэнергия возбуждения электрона в атоме-мишени. Формтельный вклад каждого процесса определяется энергией факторы F(q) даются выражениями столкновения и зарядами сталкивающихся частиц. При больших энергиях столкновения v/Z > 1 at. u (1 at. u скоFP(q) 2 = |eiqr|0, (9) P рости = 2.2 · 108 cm/s) сечение ионизации налетающего иона в результате столкновения с нейтральным атомом Nr приближенно имеет асимптотику FT (q) 2 = ZT i0 - i|eiqr|0, (10) j 2 ion ZT /(ZPv2), (5) j=где |0 и |0 означают волновые функции электрона в а сечение перезарядки определяется суммой сечений ра- P j налетающем ионе и электрона мишени соответственно, диационной (REC) и безызлучательной (нерадиационной NT — полное число электронов мишени.

NRC) перезарядки Для нейтральных атомов NT = ZT.

5 5 ec = NRC + REC C1ZT ZP/v11 + C2ZT ZP/v5/2, (6) Формфактор |FT (q)|2 = ZT для голых ядер, а для мишеней с 1s-электронами (H или He) формфактор где C1 и C2 — некоторые константы. Процессы перезамишени равен [17] рядки (3) играют особую роль в тех случаях, когда в качестве налетающих ионов используются голые ядра и захват электронов мишени является единственным F1s,1s(q) =ZT - NT, (11) 1 +(q/2d)2 каналом, изменяющим их заряд. Сечения sNRC обычно вычисляются в приближении Бринкмана–Крамерса или где d — константа, отражающая степень экранировки его модификациях [2] либо оцениваются с помощью ядра 1s-электронами.

полуэмпирических формул [12], а сечения sREC вычисляДля атома водорода NT = ZT = 1, d = 1, для ются по формуле Штоббе [13–15]. Процессы радиациатома гелия NT = ZT = 2, d = 1.69. Для других онной и нерадиационной перезарядки и их относительатомных оболочек формфакторы FT (q) затабулированы ный вклад в полное сечение перезарядки рассмотрены, в работе [18].

например, в обзоре [15]. Для рассматриваемых процесРасчет по формуле (7) сечений обдирки налетающих сов столкновения быстрых ионов кислорода с энергией ионов даже на одноэлектронных мишенях довольно заE = 1-200 MeV/u сечения перезарядки (3) малы по труднителен из-за сложной зависимости нижнего предесравнению с сечениями обдирки (2), и поэтому здесь не ла интегрирования в (7) от энергии выбитого электрона рассматриваются.

и энергии возбуждения электрона атома мишени. Формулы (7)–(10) существенно упрощаются, если скорость Методы расчета сечений обдирки налетающего иона намного больше энергии возбуждения при больших энергиях столкновения атома мишени v2 E и можно положить Для расчета сечений ионизации налетающего иона qmin (IP + )/v, (12) (или сечений обдирки) при больших энергиях столкт. е. если электроны мишени можно считать неподвижновения используется борновское приближение [16–17], ными. При условии (12) формулы (7)–(10) существенно когда амплитуда рассеяния представляется в виде проупрощаются и сечение обдирки принимает вид [19–20] изведения формфакторов налетающего иона и атома мишени в представлении переданного импульса (q-представлении), 8a2 dq ion = d FP(q) 2ST (q), (13) v2 P T q8a2 dq 0 qmin ion = d Fp(q) 2 FT (q) 2, (7) v2 P i(T )qmin qNT 2 NT ST (q) = ZT - FjT (q) + NT - FjT (q) 2, (14) где a0 — боровский радиус, q — передача импульса, j j FP,T (q) — формфакторы налетающего иона и атомамишени, — энергия выбитого электрона. FjT (q) = j|eiqr| j, qmin =(IP + )/v. (15) Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Обдирка быстрых ионов кислорода при столкновениях с атомами легких элементов Физически, два члена в сумме (14) соответствуют e(v) в виде ионизации экранированным ядром мишени ZT и экраниNT рованными NT электронами. При ST (q) 1 уравнения ST (q) = ZT - FjT (q) (13) и (15) соответствуют борновскому приближению j ионизации атома или иона электронным (или протонNT ным) ударом (см., например, [16]). + NT - FjT (q) 2 e(v)/p(v). (18) Взаимодействие между электронами налетающего иоj на и мишени может увеличить или уменьшить полное сечение обдирки в зависимости от переданного момента Как видно, расчет сечения обдирки налетающего иона импульса q. При q 0 (большие прицельные парамепри столкновении со структурной частицей представляет тры) формфактор FjT 1, а при q (малые присобой довольно трудоемкую задачу даже в борновском цельные параметры) FjT 0 (ср. (11)); соответственно приближении.

эффективная экранировка минимальна, ST (q) 0 при q 0 и достигает максимального значения при больших Определение эффективных сечений передачах момента q:

обдирки ионов кислорода на легких атомах Smax(q) ZT + NT, q. (16) Экспериментальные данные по сечениям обдирки быПоэтому максимальное сечение обдирки налетающего стрых ионов на атомных и молекулярных мишенях иона на атоме при больших энергиях столкновения представлены в ряде работ (см., например, [22–34]), а 2 примерно пропорционально ZT + NT, где ZT соответчисленные расчеты — в работах [29,31,35,36]. Следует ствует вкладу от взаимодействия с ядром, а NT —от отметить, что экспериментальные данные по обдирке взаимодействия с электронами мишени. Таким образом, легких ионов на легких атомах (ZT < 10) при энергиях при больших энергиях столкновения электроны мишени E > 5 MeV/u практически отсутствуют. Однако именно не только не экранируют ядро, но и вносят свой дополниэта область энергий E = 0.5-30 MeV/u, где сечения тельный вклад в сечение обдирки, пропорциональный NT.

обдирки максимальны, представляет практический интеЧем тяжелее атом мишени, тем больше сечение обдирки рес для приложений. Сечения обдирки ионов кислорода налетающего иона. Так, для ионизации на атоме водорода на газовых мишенях (H2, He, N2, Ar) измерены только Smax(H) = 2, а на атомах аргона Smax(Ar) = 342.

при энергиях 0.1 < E < 5MeV/u [22,27,28,31], а При средних и малых энергиях столкновения закон расчеты сечений выполнены для столкновений O7+ + Hскалирования (16) не выполняется из-за значительных и O7+ + He при тех же энергиях [29,31].

эффектов экранировки и сечения обдирки скалируютВ настоящей работе представлены сечения 3/ся согласно полуэмпирическому закону ion ZT, обдирки ионов кислорода на легких атомах при полученному в [7].

E = 1-200 MeV/u. При этом использованы эксперименЗаметим, что при ST (q) =ZT + NT сечение обдирки тальные данные при E < 5 MeV/u и выполнены числен(13) может быть представлено в виде линейной комбинаные расчеты сечений при больших энергиях. Расчеты ции сечений ионизации электронным e(v) и протонным сечений проводились в приближении Бора–Борна (17), p(v) ударом где в качестве электронной компоненты e(v) использовались экспериментальные сечения ионизации ионов ion(v) =ZT p(v) +NT e(v), кислорода электронным ударом, приведенные в [37], а сечения ионизации протонным ударом p(v) вычислялись в борновском приближении с использованием компьюp(v) e(v), v I1/2, (17) терной программы ”Атом”, описанной в [38]. Полные сечения ионизации протонами вычислялись с учетом иогде I — энергия связи электрона в налетающем ионе.

низации электронов всех оболочек ионов кислорода и с Уравнение (17) отражает приближение Бора [21], учетом вклада процессов возбуждения внутренних элеккогда скорость налетающего иона настолько велика, тронов в автоионизационные состояния. Волновые функчто ядро и электроны мишени считаются неподвижныции внешних и внутренних электронов ионов кислорода ми (ср. (12)). Приближение Бора (17) используется в дискретном и непрерывном спектре вычислялись путем при остаточно больших энергиях столкновения, когда численного решения радиального уравнения Шредингера скорость налетающей частицы превосходит скорость с эффективным потенциалом атомного остатка [38].

K-электрона атома-мишени.

Вычисленные таким образом полные сечения ионизации Другое (ad hoc) приближение предложено в рабо- ионов кислорода протонным ударом p(v) в области те [20], которое сохраняет зависимость возмущающего энергий E = 1-200 MeV/u представлены в табл. 1.

заряда ST (q) от переданного момента q и пороговую Вычисленные сечения обдирки (17) ионов кислорода зависимость сечения ионизации электронным ударом в области E < 5 MeV/u на атомах легких элементов 2 Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 20 А.В. Бакалдин, С.А. Воронов, С.В. Колдашов, В.П. Шевелько Таблица 1. Полные сечения ионизации (cm2) ионов кислорода протонами как функция энергии протонов E, MeV O1+ O2+ O3+ O4+ O5+ O6+ O7+ 1.56 1.8 10-17 9.5 10-18 4.5 10-18 2.3 10-18 1.1 10-18 1.5 10-19 5.5 10-3.12 1.0 10-17 5.0 10-18 2.6 10-18 1.3 10-18 6.9 10-19 1.3 10-19 4.7 10-6.24 5.9 10-18 2.8 10-18 1.5 10-18 7.8 10-19 4.1 10-19 8.4 10-20 3.2 10-12.5 3.2 10-18 1.6 10-18 8.0 10-19 4.5 10-19 2.3 10-19 5.1 10-20 1.9 10-25. 1.8 10-18 8.6 10-19 4.4 10-19 2.5 10-19 1.3 10-19 2.9 10-20 1.1 10-50. 9.5 10-19 4.7 10-19 2.3 10-19 1.3 10-19 7.4 10-20 1.6 10-20 6.2 10-100. 5.2 10-19 2.5 10-19 1.3 10-19 7.8 10-20 3.8 10-20 8.9 10-21 3.4 10-200. 2.8 10-19 1.3 10-19 6.9 10-19 3.8 10-20 2.1 10-20 4.8 10-21 1.8 10-превышают экспериментальные данные в 5 и более раз, Таблица 2. Параметры аппроксимаций сечений обдирки (19) что неудивительно, так как борновское приближение + ионов кислорода на атомах водорода, OZ + H, при энергиях в этой области энергий, вообще говоря, неприменимо.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.