Атомные процессы с участием многозарядных ионов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Рассмотрены атомные процессы ионизации, рекомбинации и перезарядки при столкновении положительных ионов с атомами, ионами, электронами и молекулами, а также влияние этих процессов при взаимодействии ионных пучков со средами в широкой области энергий — от низких до суперрелятивистских, но в основном при энергиях $E\sim 10 $ кэВ/нуклон – 100 ГэВ/нуклон. Изложены основные особенности эффективных сечений процессов в зависимости от энергии столкновения, атомной структуры и эффектов плотности в газах, твёрдом теле и плазме. Детально изучена роль процессов диэлектронной рекомбинации при взаимодействии пучков тяжёлых многоэлектронных ионов с плазмой. Обзор охватывает экспериментальные и теоретические достижения за последние 5 – 10 лет в области физики ускорителей и физики столкновений тяжёлых ионов с атомными системами.

Об авторах

Инга Юрьевна Толстихина

Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук

Email: inga@sci.lebedev.ru
кандидат физико-математических наук

Вячеслав Петрович Шевелько

Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук

Email: shevelkovp@lebedev.ru
ORCID iD: 0000-0003-4834-6118
доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

Список литературы

  1. Толстихина И. Ю., Шевелько В. П., УФН, 183 (2013), 225
  2. Толстихина И. Ю., Шевелько В. П., УФН, 188 (2018), 267
  3. Tolstikhina I., Imai M., Winckler N., Shevelko V., Basic Atomic Interactions of Accelerated Heavy Ions in Matter: Atomic Interactions of Heavy Ions, Springer Ser. on Atomic, Optical, and Plasma Physics, 98, Springer Intern. Publ., Cham, 2018
  4. Собельман И. И., Вайнштейн Л. А., Юков Е. А., Возбуждение атомов и уширение спектральных линий, Наука, М., 1979
  5. Janev R. K., Presnyakov L. P., Shevelko V. P., Physics of Highly Charged Ions, Springer Series in Electrophysics, 13, Springer-Verlag, Berlin, 1985
  6. Соловьeв Е. А., Новые подходы в квантовой физике, Физматлит, М., 2019
  7. Steck M., Litvinov Yu. A., Prog. Part. Nucl. Phys., 115 (2020), 103811
  8. Paul N. et al., Phys. Rev. Lett., 126 (2021), 173001
  9. Ma X. et al., Chinese Phys. B, 31 (2022), 093401
  10. Sigmund P., Particle Penetration and Radiation Effects, v. 2, Springer Ser. in Solid-State Sciences, 179, Penetration of Atomic and Molecular Ions, Springer, Cham, 2014
  11. Rosmej F. B., Astapenko V. A., Lisitsa V. S., Plasma Atomic Physics, Springer Ser. on Atomic, Optical, and Plasma Physics, 104, Springer, Cham, 2021
  12. Диканский Н. C. и др., УФН, 188 (2018), 481
  13. Shevelko V. P., Winckler N., Tolstikhina I. Yu., Phys. Rev. A, 101 (2020), 012704
  14. Budker D. et al., Ann. Physik, 534 (2022), 2100284
  15. Oganessian Yu. Ts., Utyonkov V. K., Rep. Prog. Phys., 78 (2015), 036301
  16. Yamaguchi Y. et al., Prog. Part. Nucl. Phys., 120 (2021), 103882
  17. Schardt D., Elsässer Th., Schulz-Ertner D., Rev. Mod. Phys., 82 (2010), 383
  18. Trautmann C., Ion Beams in Nanoscience and Technology, Ed. R. Hellborg, H. J. Whitlow, Y. Zhang, Springer-Verlag, Heidelberg, 2009
  19. Nuclotron-based Ion Collider fAcility, NICA
  20. Kekelidze V. D. et al., Eur. Phys. J. A, 52 (2016), 211
  21. Козлов О. С. и др., ЭЧАЯ, 53 (2022), 1220
  22. Placzek W. et al., Acta Phys. Polon. B, 50 (2019), 1191
  23. Henning W. F. (Ed.), International Accelerator Facility for Beams of Ions and Antiprotons, November 2001, GSI-Darmstadt
  24. Shevelko V., Tawara H., Atomic Multielectron Processes, Springer, Berlin, 1998
  25. Matsuo T. et al., Phys. Rev. A, 50 (1986), 1178
  26. Eichler J., Meyerhof W. E., Relativistic Atomic Collisions, Academic Press, San Diego, CA, 1995
  27. Eichler J., Stöhlker T., Phys. Rep., 439 (2007), 1
  28. Müller A., Adv. Atom. Mol. Opt. Phys., 55 (2008), 293
  29. Poth H., Phys. Rep., 196 (1990), 135
  30. Bates D. R., Moffett R. J., Nature, 205 (1965), 272
  31. Райзер Ю. П., Физика газового разряда, Наука, М., 1992
  32. Бейгман И. Л., Вайнштейн Л. А., Сюняев Р. А., УФН, 95 (1968), 269
  33. Melchert F., “Charge changing processes in ion-ion collisions”, Atomic Physics with Heavy Ions, Springer Ser. on Atoms + Plasmas, 26, H. Beyer H, V. P. Shevelko, Springer, Berlin, 1999
  34. Shevelko V. P. et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 269 (2011), 1455
  35. Tolstikhina I. Yu. et al., ЖЭТФ, 146 (2014), 5
  36. Rashid K., Saadi M. Z., Yasin M., Atom. Data Nucl. Data Tabl., 40 (1988), 365
  37. Lotz W., J. Opt. Soc. Am., 58 (1968), 915
  38. Erb W., GSI Report P-7-78, GSI, Darmstadt, 1978
  39. Perumal A. N. et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 227 (2005), 251
  40. Shevelko V. P. et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 278 (2012), 63
  41. Shevelko V. P. et al., J. Phys. B, 43 (2010), 215202
  42. Litsarev M. S., Comput. Phys. Commun., 184 (2013), 432
  43. Olson R. E. et al., J. Phys. B, 37 (2004), 4539
  44. Weber G. et al., Phys. Rev. ST Accel. Beams, 18 (2015), 034403
  45. Anholt R., Becker U., Phys. Rev. A, 36 (1987), 4628
  46. Scheidenberger C. et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 142 (1998), 441
  47. Anholt R., Phys. Rev. A, 19 (1979), 1004
  48. Anholt R. et al., Phys. Rev. A, 36 (1987), 1586
  49. Bertulani C. A., Baur G., Phys. Rep., 163 (1988), 299
  50. Voitkiv A. B., Phys. Rep., 392 (2004), 191
  51. Voitkiv A., Ullrich J., Relativistic Collisions of Structured Atomic Particles, Springer Series on Atomic, Optical, and Plasma Physics, Springer, Berlin, 2008
  52. Baur G. et al., Phys. Rev. A, 80 (2009), 012713
  53. Geissel H. et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 195 (2002), 3
  54. Dutheil Y. et al., “Gamma Factory for CERN initiatives — progress report”, European Physical Society Conf. on High Energy Physics EPS-HEP2019 (10-17 July, 2019, Ghent, Belgium), 020
  55. Mueller D. et al., Phys. Plasmas, 8 (2001), 1753
  56. Watson R. L. et al., Phys. Rev. A, 67 (2003), 022706
  57. Olson R. E. et al., J. Phys. B, 37 (2004), 4539
  58. Olson R. E., Ullrich J., Schmidt-Böcking H., Phys. Rev. A, 39 (1989), 5572
  59. Olson R. E., Atomic, Molecular, and Optical Physics Handbook, Ed. G. W. F. Drake, AIP Press, Woodbury, NY, 1996, 869
  60. Lo H. H., Tite W. L., Atom. Data, 1 (1969), 305
  61. Фирсов О. Б., ЖЭТФ, 36 (1959), 1517
  62. Kunc J. A., Soon W. H., J. Chem. Phys., 95 (1991), 5738
  63. Shevelko V. P. et al., J. Phys. B, 42 (2009), 065202
  64. Franzke B., IEEE Trans. Nucl. Sci., 28 (1981), 2116
  65. DuBois R. D. et al., Phys. Rev. A, 70 (2004), 032712
  66. Smolyakov A., Spiller P., Internal Note ACC-note-internal-2006-001, GSI, Darmstadt, 2006
  67. Klinger H., Muller A., Salzborn E., J. Phys. B, 8 (1975), 230
  68. Ryufuku H., Watanabe T., Phys. Rev. A, 19 (1979), 1538
  69. Пресняков Л. П., Уланцев А. Д., Квантовая электроника, 1 (1974), 3277
  70. Чибисов М. И., Письма в ЖЭТФ, 24 (1976), 56
  71. Shevelko V. P. et al., J. Phys. B, 37 (2004), 201
  72. Schlachter A. S. et al., Phys. Rev. A, 27 (1983), 3372
  73. Fermi E., Phys. Rev., 57 (1940), 485
  74. Lassen N. O., Kgl. Danske Vidensk. Selskab. Mat.-Fyz. Medd., 26:12 (1951)
  75. Bohr N., Lindhard J., Kgl. Danske Vidensk. Selskab. Mat.-Fyz. Medd., 28:7 (1954)
  76. Betz H. D., Grodzins L., Phys. Rev. Lett., 25 (1970), 211
  77. Geissel H. et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res., 194 (1982), 21
  78. Баско М. М., Физика плазмы, 10 (1984), 1195
  79. Валь Х. и др., Краткие сообщения ФИАН, 2001, № 8, 28
  80. Shevelko V. P. et al., J. Phys. B, 38 (2005), 525
  81. Ogawa H. et al., Phys. Rev. A, 75 (2007), 020703
  82. Shevelko V. P., Winckler N., Tolstikhina I. Yu., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 377 (2016), 77
  83. Barat M., Roncin P., J. Phys. B, 25 (1992), 2205
  84. Klinger H., Muller A., Salzborn Е., J. Phys. B, 8 (1975), 230
  85. Müller A., Salzborn E., Phys. Lett. A, 62 (1977), 391
  86. Barany A. et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 9 (1985), 397
  87. Hansen J. P., Taulbjerg K., Phys. Rev. A, 45 (1992), R4214
  88. Mann R., Z. Phys. D, 3 (1986), 85
  89. Sidorovich V. A., Nikolaev V. S., McGuire J. H., Phys. Rev. A, 31 (1985), 2193
  90. Cederquist H. et al., Phys. Scr., 1999:T80A (1999), 46
  91. Stöhlker Th. et al., Phys. Rev. A, 51 (1995), 2098
  92. Scheidenberger C. et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 90 (1994), 36
  93. Fettouhi A. et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 245 (2006), 32
  94. Eichler J., Phys. Rev. A, 32 (1985), 112
  95. Meyerhof W. E. et al., Phys. Rev. A, 32 (1985), 3291
  96. Kramers H. A., Philos. Mag., 46 (1923), 836
  97. Ichihara A., Eichler J., Atom. Data Nucl. Data Tabl., 74 (2000), 1
  98. Kröger F. M. et al., Phys. Rev. A, 102 (2020), 042825
  99. Stobbe M., Ann. Physik, 399 (1930), 661
  100. Stöhlker Th. et al., AIP Conf. Proc., 506 (2000), 389
  101. Fritzsche S., Surzhykov A., Stöhlker Th., Phys. Rev. A, 72 (2005), 012704
  102. Meng L., Reinhold C. O., Olson R. E., Phys. Rev. A, 40 (1989), 3637
  103. Watson R. L. et al., Phys. Rev. A, 67 (2003), 022706
  104. Knudsen H., Haugen H. K., Hvelplund P., Phys. Rev. A, 24 (1981), 2287
  105. Nakai Y. et al., Phys. Scr., 1989:T28 (1989), 77
  106. Meyer F. W. et al., Phys. Rev. A, 19 (1979), 515
  107. Bohr N., Lindhard J., Kgl. Danske Vidensk. Selskab. Mat.-Fyz. Medd., 28 (1954), 1
  108. Olson R. E., Salop A., Phys. Rev. A, 14 (1976), 579
  109. Bottcher C., Coherence and Correlations in Atomic Collisions, H. Kleinpoppen, J. F. Williams, Plenum Press, New York, 1980
  110. Bozyk L. et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 372 (2016), 102
  111. Krasny M. W., “The Gamma Factory proposal for CERN”
  112. Hirlaender S. et al., Proc. of the 9th Intern. Particle Accelerator Conf., IPAC2018 (April 29-May 4, 2018, Vancouver, BC, Canada), JACoW, Geneva, 2018, THPMF015
  113. Placzek W. et al., Acta Phys. Polon. B, 50 (2019), 1191
  114. Schaumann M. et al., J. Phys. Conf. Ser., 1350 (2019), 012071
  115. Tolstikhina I. Yu., Shevelko V., Beam-gas collisions at SPS and LHC, Report, March 25, 2019, CERN, Geneva, 2019
  116. Kersevan R. et al., PSI collisions with residual gas in the SPS and LHC storage rings at CERN, May 2019, unpublished
  117. Сидорин А. О., Трубников Г. В., Шурхно Н. А., УФН, 186 (2016), 275
  118. Бутенко A. B. и др., Письма в ЖЭТФ, 113 (2021), 784
  119. Shevelko V. P. et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 421 (2018), 45
  120. Будкер Г. И., Скринский А. Н., УФН, 124 (1978), 561
  121. Пархомчук В. В., Скринский А. Н., УФН, 170 (2000), 473
  122. Shi W. et al., Eur. Phys. J. D, 15 (2001), 145
  123. Будкер Г. И., Атомная энергия, 22 (1967), 346
  124. Grieser M., “The Heavy Ion Storage Ring TSR”, talk at 64th ISCC Meeting, CERN, July 3, 2012
  125. Grieser M. et al., Eur. Phys. J. Spec. Top., 207 (2012), 1
  126. Philippov A. V., Kuznetsov A. B., Meshkov I. N., Proc. Workshop on Beam Cooling and Related Topics, COOL'11 (September 12-16, 2011, Alushta), JINR, Dubna, 2011, 48
  127. Krantz C. et al., Phys. Rev. Accel. Beams, 24 (2021), 050101
  128. Schippers S. et al., Phys. Scr., 2011:T144 (2011), 014039
  129. Gao H. et al., Hyperfine Interact., 99 (1996), 301
  130. Lotz W., Z. Phys., 220 (1969), 466
  131. Beigman I. L., Shevelko V. P., Tawara H., Phys. Scr., 53 (1996), 534
  132. Schury D. et al., J. Phys. Conf. Ser., 1412 (2020), 152011
  133. Müller A., “Ion formation processes: ionization in ion-electroncollisions”, Physics of Ion Impact Phenomena, Springer Ser. in Chemical Physics, CHEMICAL, 5, Ed. D. Mathur, Springer, Berlin, 1991, 13
  134. LaGattuta K. J., Hahn Y., Phys. Rev. A, 24 (1981), 2273
  135. Henry R. J. W., Msezane A. Z., Phys. Rev. A, 26 (1982), 2545
  136. Müller A. et al., Phys. Rev. Lett., 61 (1988), 70
  137. Müller A. et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 10–11 (1985), 204
  138. Defrance P., Atomic and Molecular Processes in Fusion Edge Plasmas, Ed. R. K. Janev, Plenum Press, New York, 1995, 153
  139. Deutsch H., Becker K., Märk T. D., Contrib. Plasma Phys., 35 (1995), 421
  140. Fisher V. et al., J. Phys. B, 28 (1995), 3027
  141. Shevelko V. P., Tawara H., J. Phys. B, 28 (1995), L589
  142. Belenger C. et al., J. Phys. B, 30 (1997), 2667
  143. Hahn M., Müller A., Savin D. W., Astrophys. J., 850 (2017), 122
  144. Андреев Г. И., Бычков В. Л., Шевелько В. П., Письма в ЖЭТФ, 117 (2023), 428
  145. Shevelko V. P., Tawara H., Salzborn E., Preprint NIFS-DATA-27, Research Information Center, National Institute for Fusion Science, Nagoya, Japan, 1995
  146. Shevelko V. P. et al., J. Phys. B, 38 (2005), 525
  147. Shevelko V. P. et al., J. Phys. B, 39 (2006), 1499
  148. Stenke M. et al., J. Phys. B, 32 (1999), 3641
  149. Mokler P. H., Stöhlker Th., Adv. Atom. Mol. Opt. Phys., 37 (1996), 297
  150. Carlson T. A. et al., Atom. Data, 2 (1970), 63
  151. Gao H. et al., J. Phys. B, 30 (1997), L499
  152. Badnell N. R., Astrophys. J., 379 (1991), 356
  153. Tolstikhina I. Yu. et al., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf., 246 (2020), 106944
  154. Гуревич А. В., Питаевский Л. П., ЖЭТФ, 46 (1964), 1281
  155. Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, Наука, М., 1966
  156. Peter Th., Meyer-ter-Vehn J., Phys. Rev. A, 43 (1991), 2015
  157. Blaum K., Eliseev S., Sturm S., Quantum Sci. Technol., 6 (2021), 014002
  158. Oganessian Yu. Ts., Pure Appl. Chem., 76 (2004), 1715
  159. Betz H.-D., Rev. Mod. Phys., 44 (1972), 465
  160. Winckler N. et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 392 (2017), 67
  161. Shevelko V. P., Andreev S. N., Tolstikhina I. Yu., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 502 (2021), 37
  162. Shevelko V. P., Winckler N., Tolstikhina I. Yu., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 479 (2020), 23
  163. Imai M., Tolstikhina I. Yu., Shevelko V. P., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 520 (2022), 13
  164. Betz H. D., “Heavy ion charge states”, Applied Atomic Collision Physics, v. 4, Condensed Matter, Ed. S. Datz, Academic Press, New York, 1983
  165. Thieberger P. et al., IEEE Trans. Nucl. Sci., 32 (1985), 1767
  166. Weick H., Programs to predict charge-state distributions of swift heavy ions
  167. The program LISE
  168. Rozet J. P., Stephan C., Vernhet D., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 107 (1996), 67
  169. Lamour E. et al., Phys. Rev. A, 92 (2015), 042703
  170. Allison S. K., Rev. Mod. Phys., 30 (1958), 1137
  171. Frank A. et al., Phys. Rev. Lett., 110 (2013), 115001
  172. Jacoby J. et al., Phys. Rev. Lett., 74 (1995), 1550
  173. Morales R., Phys. Plasmas, 29 (2022), 093112
  174. Gu M. F., Can. J. Phys., 86 (2008), 675
  175. Bauche-Arnoult C., Bauche J., Klapisch M., Phys. Rev. A, 20 (1979), 2424
  176. Safronova U. I. et al., Phys. Scr., 73 (2006), 143
  177. Altun Z. et al., Astron. Astrophys., 420 (2004), 775
  178. Cowan R. D., The Theory Atomic Structure and Spectra, v. 3, Univ. of California Press, Berkeley, CA, 1992
  179. Badnell N. R., J. Phys. B, 19 (1986), 3827
  180. Kwon D.-H., Lee W., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf., 179 (2016), 98
  181. Sasaki A., Murakami I., J. Phys. B, 46 (2013), 175701
  182. Wu Z. et al., Atoms, 3 (2015), 474
  183. Klapisch M., Comput. Phys. Commun., 2 (1971), 239
  184. Tolstikhina I. Yu., Imai M., Shevelko V. P., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B, 532 (2022), 27

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».