Зависимость зарядового состояния пучка легких ионов в веществе от скорости частиц
- Авторы: Михеев Н.Н.1, Безбах И.Ж.1
-
Учреждения:
- Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН
- Выпуск: № 3 (2024)
- Страницы: 70-74
- Раздел: Статьи
- URL: https://journal-vniispk.ru/1028-0960/article/view/259412
- DOI: https://doi.org/10.31857/S1028096024030111
- EDN: https://elibrary.ru/hewlly
- ID: 259412
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Представлены результаты применения статистики дискретного процесса многократного рассеяния для аналитического описания зависимости зарядового состояния легких ионов в веществе от скорости частиц. Показано, что использование методики, основанной на учете зависимости зарядового состояния ионов пучка от отношения скорости ионов к минимальной скорости электронов вещества, позволяет проводить расчеты тормозной способности вещества для ионов лития, бериллия, бора и углерода средних и низких энергий, соответствующие экспериментальным результатам.
Полный текст
ВВЕДЕНИЕ
Тормозная способность вещества для направленных пучков моноэнергетических заряженных частиц представляет собой исключительно важную характеристику сложных процессов взаимодействия частиц с веществом, которая необходима для многих областей как фундаментальной, так и прикладной физики [1–3]. Если в случае пучка быстрых заряженных частиц тормозная способность S вещества зависит от величины их электрического заряда z как S ~ z2, то с уменьшением скорости ионов необходимо учитывать зависимость зарядового состояния пучка ионов от их скорости. Поэтому для эффективного применения направленных ионных пучков средних и низких энергий как прецизионного технологического и исследовательского инструмента требуется детальная информация о зарядовом состоянии пучка ионов zeff. Например, при модификации физико-химических свойств и пространственной морфологии в тонкопленочных структурах или при проведении локальной диагностики свойств вещества. Законченной теории, описывающей зависимость этой величины от скорости, нет. Используют различные полуэмпирические методики и программы [4–6], основанные, как правило, на использовании выражения из [7] для zeff:
zeff = z[1 – Сexp(–z –γV0/Z2/3VB)],
где C ≈ 1, VB = 2.18 × 108 см/с, Z – средний атомный номер мишени, γ ≈ 2/3 для большинства материалов. Детальный обзор существующих аналитических выражений, применяемых при описании зарядового состояния низкоэнергетических ионов, проведен в [8].
Ранее в [9] была предложена принципиально новая методика учета зарядового состояния альфа-частиц, учитывающая зависимость зарядового состояния ионов пучка от отношения скорости ионов к минимальной скорости электронов вещества. Она позволила решить прямую задачу аналитического описания зависимости тормозной способности вещества от энергии для пучка моноэнергетических альфа-частиц в широком диапазоне их первичной энергии. Важными результатами работы стали: аналитическое выражение для zeff и установление предельного для пучка альфа-частиц равновесного эффективного заряда zeq, равного 1.414qe, после того как их скорость становится в полтора раза меньше минимальной скорости электронов конденсированного вещества. Хотя ранее [8, 10] полагали, что с уменьшением скорости ионного пучка его эффективный заряд должен также непрерывно уменьшаться, в пределе стремясь к нулю.
Цель настоящей работы заключалась в проведении аналитического описания зависимости тормозной способности вещества от энергии для ряда легких ионов, на основе учета зависимости зарядового состояния частиц от отношения скорости ионов к минимальной скорости электронов вещества. При использовании разработанной для альфа-частиц методики [9] для ионов лития, бериллия, бора и углерода определены базовые параметры, характеризующие зависимости их зарядового состояния от скорости в широком диапазоне энергии. Проведены модельные расчеты тормозной способности S ряда веществ. Выполнено сравнение расчетов с имеющимися в компиляции Хельмута Пауля [11] экспериментальными результатами измерений тормозной способности.
БАЗОВЫЕ ФОРМУЛЫ
Для заряженных частиц средних и низких энергий, как показано в [9, 12], электронная тормозная способность S вещества, т.е. средние потери энергии пучка частиц на каждом атоме мишени, отнесенные к единице длины их пробега, описываются следующей формулой:
(1)
где me – масса покоя электрона, qе – заряд электрона, Z – средний атомный номер мишени, – максимально вероятная однократная потеря энергии, zeff – эффективный заряд ионов пучка, функция описывает уменьшение вероятности неупругого рассеяния частиц на электронах мишени, когда скорость частиц становится сопоставимой со скоростью электронов [13].
Величина эффективного заряд zeff пучка ионов согласно [9] определяется как:
zeff = z[1 – exp(–βV0/V1i)], (2)
где z – заряд ядра иона пучка, β – параметр, учитывающий зависимость zeff от отношения скорости ионов V0 к минимальной скорости электронов вещества V1i.
Как следует из формулы (1), величина S тонких пленок вещества в области средних и низких энергий сильно зависит от параметра ε1i. Диапазон его возможных значений в твердотельных образцах невелик – от ≈5 до ≈14 эВ в зависимости от физико-химических свойств и качества вещества: состава материала, его примесно-дефектной структуры, метода получения, степени окисления, уровня легирования (в полупроводниках). Но эти сравнительно небольшие изменения согласно формуле (1) сильнейшим образом должны сказываться на измеряемой величине S. И они действительно сказываются, проявляясь в виде весьма заметного разброса экспериментальных значений тормозной способности, который так характерен для S практически всех одноэлементных материалов, особенно в низкоэнергетическом диапазоне [11], и который связан главным образом с различиями в качестве используемого исследователями пленочного материала. Вышесказанное определило выбор углерода и алюминия в качестве модельных материалов для проверки – апробации предлагаемой методики расчета зарядового состояния пучков ионов лития, бериллия, бора и углерода. Это материалы со стабильно прогнозируемыми значениями параметра ε1i, а именно для углерода ε1i = 11.26 эВ, для алюминия ε1i = 6.0–7.0 эВ [14, 15].
ПАРАМЕТРЫ РАСЧЕТА ДЛЯ ИОНОВ ЛИТИЯ, БЕРИЛЛИЯ, БОРА И УГЛЕРОДА
В результате применения методики [9] определены значения параметров β, zeq и feq для пучков ионов лития, бериллия, бора и углерода, которые приведены в табл. 1. Следует отметить выявленные особенности полученных результатов. Первое, если для альфа-частиц величина β пусть функционально слабо, но зависела от отношения скорости ионов к минимальной скорости электронов, то начиная с лития β – фиксированный для каждого типа частиц параметр, который, как и параметр zeq, не зависит от свойств облучаемого ионами образца. Это существенно упрощает проведение расчетов zeff и S по формулам (1) и (2). Возрастание электрического заряда ядер ионов в ряду от лития до углерода сопровождается монотонным снижением параметра β и монотонным ростом равновесного заряда zeq.
Таблица 1. Значения параметров β, zeq и feq для ионов лития, бериллия, бора и углерода
Ион | z | β | zeq | feq = zeq/z |
3Li | 3 | 0.430 | 1.610 | 0.5367 |
4Be | 4 | 0.353 | 1.876 | 0.4690 |
5B | 5 | 0.300 | 2.236 | 0.4472 |
6C | 6 | 0.266 | 2.595 | 0.4324 |
МОДЕЛЬНЫЕ РАСЧЕТЫ ТОРМОЗНОЙ СПОСОБНОСТИ S РЯДА ВЕЩЕСТВ. СРАВНЕНИЕ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ РЕЗУЛЬТАТАМИ
Полученные значения параметров β, feq и zeq для пучков ионов лития, бериллия, бора и углерода были использованы при проведении модельных расчетов тормозной способности ряда веществ по формуле (1). Результаты расчетов и сравнение полученных функциональных распределений S = F(E0) с экспериментальными данными приведены на рис. 1–5.
Рис. 1. Зависимость тормозной способности алюминия S для пучка ионов лития с различной энергией: сплошная линия – расчет с ε1i = 6 эВ; штрихпунк-тир – расчет с ε1i = 7 эВ; линии – приближенные данные сторонних авторов [11]; символы – экспериментальные данные из компиляции Х. Пауля [11].
Рис. 2. Зависимость тормозной способности углерода для пучка ионов лития с различной энергией: сплошная линия – расчет; линии – приближенные данные сторонних авторов [11]; символы – экспериментальные данные из компиляции Х. Пауля [11].
Рис. 3. Зависимость тормозной способности углерода для пучка ионов бериллия с различной энергией: сплошная линия – расчет; линии – приближенные данные сторонних авторов [11]; символы – экспериментальные данные из компиляции Х. Пауля [11].
Рис. 4. Зависимость тормозной способности углерода для пучка ионов бора с различной энергией: сплошная линия – расчет; линии – приближенные данные сторонних авторов [11]; символы – экспериментальные данные из компиляции Х. Пауля [11].
Рис. 5. Зависимость тормозной способности углерода для пучка ионов углерода с различной энергией: сплошная линия – расчет; линии – приближенные данные сторонних авторов [11]; символы – экспериментальные данные из компиляции Х. Пауля [2].
На рис. 1 две кривые представляют распределения электронной тормозной способности алюминия для ионов лития, рассчитанные по формуле (1): при ε1i = 6.0 эВ (сплошная кривая) и при ε1i = 7.0 эВ (штрихпунктирная кривая). Видно, что в сравнительно узком диапазоне энергии ионного пучка на кривых S(E) энергетических распределений присутствует характерная особенность в виде “ступеньки”. Появление такой особенности связано напрямую с тем, что зарядовое состояние ионного пучка в этой области энергии достигает своего минимального и равновесного значения zeq. Функция zeff в формуле (2) превращается в константу, а ее производная – в ноль, что и вызывает указанную особенность в распределении S(E). Дальнейшее уменьшение энергии пучка ионов сопровождается снижением S, которое пропорционально скорости пучка заряженных частиц [9, 12]. Видно, что уменьшение параметра ε1i всего на 1 эВ приводит к снижению максимума тормозной способности вещества и к его смещению в сторону больших значений энергии. Из сопоставления выполненных расчетов с большим массивом экспериментальных данных, взятых из компиляции Х. Пауля [11], следует, что в отсутствие какой-либо информации о величинах ε1i в проведенных экспериментах они достаточно хорошо соответствуют друг другу. На рис. 2 сплошная кривая отражает рассчитанное энергетическое распределение тормозной способности углерода для пучка ионов лития, выполненное с теми же параметрами для ионов, что и для алюминия (рис. 1). Из-за естественных различий в значениях параметров электронных оболочек атомов углерода и алюминия, которые во многом определяют поведение функции в (1), “ступенька” в распределении S(E) становится более широкой. Рост равновесного заряда zeq (в ряду ионов от лития к углероду) с одновременным уменьшением параметра β приводит к формированию распределений S(E) углерода для ионов бериллия, бора и углерода, которые изображены на рис. 3–5 сплошными линиями. Сопоставление этих энергетических распределений с экспериментальными значениями тормозной способности алюминия и углерода для пучков ионов лития, бериллия, бора и углерода позволяет сделать следующий вывод. При имеющемся в научных публикациях разбросе измеренных значений тормозной способности методика [9], основанная на учете зависимости зарядового состояния ионов пучка от отношения скорости ионов к минимальной скорости электронов вещества, позволяет проводить расчеты тормозной способности S вещества для пучка ионов средних и низких энергий, соответствующие экспериментальным результатам.
ВЫВОДЫ
Определены базовые параметры, характеризующие зависимости тормозной способности вещества для ионов лития, бериллия, бора и углерода от их скорости в широком диапазоне энергии. На их основе выполнены модельные расчеты тормозной способности S углерода и алюминия для направленных пучков ионов лития, бериллия, бора и углерода. Проведена их апробация в результате сопоставления расчетов тормозной способности с массивом экспериментальных измерений этой величины в компиляции Х. Пауля. Показано, что использование предложенной методики, основанной на учете зависимости зарядового состояния ионов пучка от отношения скорости ионов к минимальной скорости электронов вещества, позволяет проводить расчеты тормозной способности S вещества для ионов лития, бериллия, бора и углерода средних и низких энергий, соответствующие результатам экспериментов.
ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН.
Конфликт интересов. Авторы данной статьи заявляют, что у них нет конфликта интересов.
Об авторах
Н. Н. Михеев
Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН
Автор, ответственный за переписку.
Email: kmikran@spark-mail.ru
Россия, 119333, Москва
И. Ж. Безбах
Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН
Email: kmikran@spark-mail.ru
Россия, 119333, Москва
Список литературы
- ICRU Report 73. Stopping of Ions Heavier Than Helium. International Commission on Radiation Units and Measurements. 2005.
- ICRU Report 49. Stopping Powers and Ranges for Protons and Alpha Particles. International Commission on Radiation Units and Measurements. 1993.
- Van Gastel R., Hlawacek G., Zandvliet H.J.W., Poelse-ma B. // Microelectron. Reliab. 2012. V. 52. № 9–10. P. 2104. https://doi.org/10.1016/j. microrel. 2012.06.130
- Ziegler J.F. SRIM: the Stopping and Range of Ions in Matter (www.srim.org)
- Weick H. ATIMA. https://web-docs.gsi.de/~weick/atima/
- Ziegler J.F., Ziegler M.D., Biersack J.P. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2010. V. 268. № 11–12. P. 1818. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2010.02.091
- Betz H.D., Hortig G, Leischner E., Schmelzer Ch., Stadler B., Weihrauch J. // Phys. Lett. A. 1966. V. 22. P. 643.
- Cruz S.A. // Radiat. Eff. 1986. V. 88. P. 159.
- Михеев Н.Н., Безбах И.Ж. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2023. № 1. С. 20. https://doi.org/10.31857/S1028096023010168
- Белкова Ю.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2022. № 3. С. 66. https://doi.org/10.31857/S1028096022030050
- Paul H. IAEA, NDS. https://www-nds.iaea.org/stopping/
- Михеев Н.Н. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2022. № 3. С. 94. https://doi.org/10.31857/S1028096022030141.
- Михеев Н.Н. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2010. № 4. С. 25.
- Зигбан К., Нордлинг К., Фальман А. и др. Электронная спектроскопия. М.: Мир, 1971. 494 с.
- Физические величины: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
Дополнительные файлы
