Взаимодействие тяжелых заряженных частиц с веществом

Лекция 2

Взаимодействие тяжелых заряженных частиц с веществом

В общем случае потери энергии тяжелых заряженных частиц в веществе обусловлены следующим  причинами:

1.  Упругие соударения с ядрами атомов.

2.  Неупругие соударения со связанными электронами (ионизация и возбуждение атомов мишени)

3.  Неупругие соударения с ядрами (возбуждение ядер, ядерные реакции).

4.  Упругие соударения со слабо связанными и свободными электронами.

5.  Черенковское излучение ().

Мы будем рассматривать также (более медленные процессы после столкновений):

6.  Возбуждение фононов (колебаний  решетки).

7.  Возбуждение нелинейных колебаний – уединенных волн (солитонов).

При расчете потерь энергии считают, что неупругие соударения с ядрами (п. 3) и упругие соударения с электронами (п. 4) не играют существенной роли. Т.к.  сечение ядерных взаимодействий гораздо меньше электромагнитных (сечения относятся как размеры атомов и размеры ядер

S_a ~ (10^–10)² м² = 10^–20 м²

Sn ~ (10^–12)² м² = 10^–22 м²

Потери на упругие столкновения с электронами (п. 4) просто малы.

Черенковское излучение также мало (п. 5).

П. 6 и п. 7 – более медленные процессы.

Остаются два наиболее важных процесса:

1.  Упругое соударение с ядрами (атомами).

2.  Неупругое взаимодействие со связанными электронами.

В настоящее время известно, что в зависимости от соотношения зарядов и масс налетающих ионов и атомов, матрицы и энергии налетающих ионов, могут преобладать электронные (2) либо ядерные (1) потери.

Таблица

Для тяжелых ионов все энергии слабо зависят от сорта мишени.

Упругие соударения с ядрами (атомами) мишени и потери энергии

1.  Первичные процессы

(Первично выбитые атомы нам важны, т.к. это они – источники первичных деформаций, и они сами – тяжелые заряженные частицы).

При рассмотрении столкновений, потерь энергии мы будем регулярной структурой кристалла пренебрегать.

Если энергия налетающей частицы достаточно велика, то она может выбить атом мишени из его устойчивого положения в решетке. При этом образуется пара Френкеля (вакансия и междоузлие или межузельный атом.

Образование пары Френкеля – изначальный первичный процесс.

Как бомбардирующая частица, так и выбитый атом могут еще создавать дефекты, т.к. возможен каскад атомных столкновений (соударений).

В теории прохождения излучения через вещество обычно интересуются импульсом рассеянной частицы. Нас будет интересовать импульс отдачи. Надо рассчитать потери энергии, пробеги частиц, распределение частиц и дефектов.

Как правило, в области энергий, которая нас будет интересовать с точки зрения эффектов создания дефектов Е < 10⁷ эВ

Нерелятивистская механика υ << е.