Colisiones de iones con sólidos

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El objetivo de este trabajo de tesis ha sido investigar algunos aspectos de lainteracción de iones con sólidos. Para ello hemos analizado los formalismos colisionaly dieléctrico para calcular la fuerza de frenamiento de un proyectil que viajadentro de un sólido. Además hemos indagado sobre el proble...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal:	Arbó, Diego Gabriel
Otros Autores:	Miraglia, Jorge Esteban
Formato:	Tesis doctoral publishedVersion
Lenguaje:	Español
Publicado:	Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales 2001
Materias:	COLISIONES ATOMICAS PERDIDA DE ENERGIA FORMALISMO BINARIO FORMALISMO DIELECTRICO TRANSPORTE CUANTICO ATOMIC COLLISIONS ENERGY LOSS STOPPING POWER DIELECTRIC FORMALISM BINARY FORMALISM QUANTUM TRANSPORT
Acceso en línea:	https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n3347_Arbo http://repositoriouba.sisbi.uba.ar/gsdl/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=aextesis&d=tesis_n3347_Arbo_oai
Aporte de:	Repositorio Digital de la Universidad de Buenos Aires (UBA) de Universidad de Buenos Aires

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description	El objetivo de este trabajo de tesis ha sido investigar algunos aspectos de lainteracción de iones con sólidos. Para ello hemos analizado los formalismos colisionaly dieléctrico para calcular la fuerza de frenamiento de un proyectil que viajadentro de un sólido. Además hemos indagado sobre el problema de transportede iones, haciendo hincapié en el estado electrónico de los mismos. El rango develocidades con el que hemos trabajado es el de velocidades medias y altas. El desarrollo de la tesis se puede dividir en tres partes principales. En laprimera parte se ha estudiado la fuerza de frenamiento de un ion pesado con carga Zp que viaja dentro de un sólido en la primera aproximación de Born. Dentro delformalismo colisional binario (BCF), hemos usado el potencial inducido por ionespesados en un gas de electrones libres (FEG) como el potencial de interacción. Presentamos resultados detallados de la fuerza de frenamiento (stopping power),distribuciones de pérdida de energía, libre camino medio y distribuciones angulareselectrónicas de H+, H0, y H-, a través de blancos de Al y Ag. Hemos comparadolos resultados con aquellos obtenidos con el potencial central de Yukawa y elformalismo dieléctrico (DF). Hemos establecido una relación entre los formalismosdieléctrico y colisional binario. Se ha encontrado que el BCF es muy sensible ala función dieléctrica usada en el potencial inducido. También se ha examinadoel frenamiento de los proyectiles vestidos y se ha comparado sus distribuciones depérdida de energía. De acuerdo con lo esperado, a velocidades de impacto altasel formalismo binario provee sólo el término colisional, no teniendo en cuenta laexcitación del modo colectivo. En la segunda parte de esta tesis se ha ido más allá de la primera aproximaciónde Born incorporando la contribución que viene de la segunda aproximación de Born. Se ha estudiado la pérdida de energía de un proyectil ‘desnudo’ y pesadocon carga Zp que se mueve en un gas de electrones libres. Dentro del marco delformalismo colisional binario (BCF), se ha desarrollado el elemento de matriz detransición (al cuadrado) en una serie perturbativa, conservando términos hasta Z(3p), (segunda aproximación de Born). Se emplea la función respuesta dieléctricade Mermin-Lindhard para describir el potencial cilíndrico inducido por el proyectil. Se ha aplicado el formalismo al cálculo de las distribuciones de perdida deenergía para cargas fijas (protones, hidrógeno neutro y antiprotones) chocandocon aluminio. También hemos investigado cómo la corrección colisional Z(3p), afectael frenamiento total para antiprotones en Aluminio y Silicio, y para hidrógeno en Aluminio. En este último caso se han considerado los diferentes estados de cargadel proyectil. Los resultados tienen un buen acuerdo con los datos experimentalesen la región de alta energía. También se ha investigado la energía perdida dentro del marco del formalismodieléctrico (DF). En este modelo, se ha desarrollado el potencial inducido por elproyectil en una serie perturbativa, y se han conservado los términos hasta segundoorden en Zp. El potencial cuadrático obtenido se ha expresado en función dela respuesta dieléctrica a primer orden o función dieléctrica de Lindhard. Hemosaplicado el formalismo al cálculo del frenamiento de diferentes cargas determinadas (protones, hidrógeno neutro y antiprotones) moviéndose en Aluminio. Se hainvestigado las distribuciones de pérdida de energía, y en el caso de antiprotones seha modificado el término de segundo orden para evitar probabilidades negativas. Se ha comparado la fuerza de frenamiento total, calculada teniendo en cuenta lacontribución de las capas internas y los diferentes estados de carga en el equilibrio,con datos experimentales. Se ha estudiado también la densidad electrónicainducida, y los resultados guardan un buen acuerdo con aquellos calculados conla teoría de la funcional densidad (DFT). En la tercera parte centramos nuestra atención en el estado electrónico del proyectil,y cómo el proceso de transporte influye sobre el mismo. Presentamos unadescripción cuántica para la evolución de estados atómicos de proyectiles viajandoa través de la materia. Nuestra aproximación se basa en la solución de la ecuacióncuántica de Langevin -una ecuación de Schródinger estocástica dependiente deltiempo- que describe las excitaciones electrónicas de los átomos durante su transportea través de los sólidos. Se puede considerar nuestra descripción presentecomo la versión cuantizada de una teoría de transporte clásica. Hemos presentadoaplicaciones a la pérdida de electrones (shipping) de H- y H relativistas, y a ladinámica de la población de los subestados electrónicos de Ar17+ con 13.6 MeV/ ua causa de la transmisión a través de láminas de carbono. Hemos analizado lacorrespondencia entre las simulaciones de transporte cuántico y clásico y hemosmostrado que la naturaleza estocástica de la interacción destruye la mayoría delos efectos cuánticos.
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Presentamos resultados detallados de la fuerza de frenamiento (stopping power),distribuciones de pérdida de energía, libre camino medio y distribuciones angulareselectrónicas de H+, H0, y H-, a través de blancos de Al y Ag. Hemos comparadolos resultados con aquellos obtenidos con el potencial central de Yukawa y elformalismo dieléctrico (DF). Hemos establecido una relación entre los formalismosdieléctrico y colisional binario. Se ha encontrado que el BCF es muy sensible ala función dieléctrica usada en el potencial inducido. También se ha examinadoel frenamiento de los proyectiles vestidos y se ha comparado sus distribuciones depérdida de energía. De acuerdo con lo esperado, a velocidades de impacto altasel formalismo binario provee sólo el término colisional, no teniendo en cuenta laexcitación del modo colectivo. En la segunda parte de esta tesis se ha ido más allá de la primera aproximaciónde Born incorporando la contribución que viene de la segunda aproximación de Born. Se ha estudiado la pérdida de energía de un proyectil ‘desnudo’ y pesadocon carga Zp que se mueve en un gas de electrones libres. Dentro del marco delformalismo colisional binario (BCF), se ha desarrollado el elemento de matriz detransición (al cuadrado) en una serie perturbativa, conservando términos hasta Z(3p), (segunda aproximación de Born). Se emplea la función respuesta dieléctricade Mermin-Lindhard para describir el potencial cilíndrico inducido por el proyectil. Se ha aplicado el formalismo al cálculo de las distribuciones de perdida deenergía para cargas fijas (protones, hidrógeno neutro y antiprotones) chocandocon aluminio. También hemos investigado cómo la corrección colisional Z(3p), afectael frenamiento total para antiprotones en Aluminio y Silicio, y para hidrógeno en Aluminio. En este último caso se han considerado los diferentes estados de cargadel proyectil. Los resultados tienen un buen acuerdo con los datos experimentalesen la región de alta energía. También se ha investigado la energía perdida dentro del marco del formalismodieléctrico (DF). En este modelo, se ha desarrollado el potencial inducido por elproyectil en una serie perturbativa, y se han conservado los términos hasta segundoorden en Zp. El potencial cuadrático obtenido se ha expresado en función dela respuesta dieléctrica a primer orden o función dieléctrica de Lindhard. Hemosaplicado el formalismo al cálculo del frenamiento de diferentes cargas determinadas (protones, hidrógeno neutro y antiprotones) moviéndose en Aluminio. Se hainvestigado las distribuciones de pérdida de energía, y en el caso de antiprotones seha modificado el término de segundo orden para evitar probabilidades negativas. Se ha comparado la fuerza de frenamiento total, calculada teniendo en cuenta lacontribución de las capas internas y los diferentes estados de carga en el equilibrio,con datos experimentales. Se ha estudiado también la densidad electrónicainducida, y los resultados guardan un buen acuerdo con aquellos calculados conla teoría de la funcional densidad (DFT). En la tercera parte centramos nuestra atención en el estado electrónico del proyectil,y cómo el proceso de transporte influye sobre el mismo. Presentamos unadescripción cuántica para la evolución de estados atómicos de proyectiles viajandoa través de la materia. Nuestra aproximación se basa en la solución de la ecuacióncuántica de Langevin -una ecuación de Schródinger estocástica dependiente deltiempo- que describe las excitaciones electrónicas de los átomos durante su transportea través de los sólidos. Se puede considerar nuestra descripción presentecomo la versión cuantizada de una teoría de transporte clásica. Hemos presentadoaplicaciones a la pérdida de electrones (shipping) de H- y H relativistas, y a ladinámica de la población de los subestados electrónicos de Ar17+ con 13.6 MeV/ ua causa de la transmisión a través de láminas de carbono. Hemos analizado lacorrespondencia entre las simulaciones de transporte cuántico y clásico y hemosmostrado que la naturaleza estocástica de la interacción destruye la mayoría delos efectos cuánticos. The aim of this thesis work has been to investigate some aspects of the interactionof ions with solids. To that end, we have analyzed the different formalismsused to calculate the stopping power of a projectile traveling inside a solid. Wehave also investigated the problem of transport of ions in solids, focalizing ourattention on their electronic states. We deal with the range of medium and highvelocities. The body of the thesis can be divided in three main parts. In the first one,the stopping power of a heavy ion with charge Zp traveling inside a solid has beenstudied in the first Born approximation. Within the binary collisional formalism (BCF), we have used the potential induced by heavy ions in a free-electron gas (FEG) as the interaction potential. We present detailed results of the stoppingpower, distributions of energy-loss, mean free path and electronic angular distributionsof H+, H0, and H-, through targets of Al and Ag. We have compared theresults with those obtained with the Yukawa central potential and the dielectricformalism (DF). We have established a link between the dielectric and binary collisionalformalisms. The BCF has been found to be very sensitive to the dielectricfunction used in the induced potential. We have also examined dressed projectilesand have compared their energy-loss distributions. As expected, at high impactvelocities the binary formalism only provides the collisional term, neglecting theexcitation of the collective mode. In the second part of this thesis we have gone beyond the first Born approximation,incorporating the contribution coming from the second Born approximation. The energy-loss of a ‘naked’ and heavy projectile with charge Zp moving in a freeelectron gas has been studied. Within the binary collisional formalism (BCF),the squared-transition-matrix element has been expanded in a perturbative series,conserving terms up to Z(3p) (second Born approximation). The Mermin-Lindharddielectric response function is used to describe the cylindrical potential induced bythe projectile. The formalism has been applied to the calculation of the energy lossdistributions of fixed charges (protons, neutral hydrogen and antiprotons)colliding with aluminum. We have also investigated how the collisional correction Z(3p) affects the total stopping power for antiprotons in Aluminum and Silicon, andfor hydrogen in Aluminum. In the latter case the different states of charge ofthe projectile have been considered. The results are in good agreement with theexperimental data in the high energy region. The energy-loss has also been investigated into the frame of the dielectric formalism (DF). In this model, the potential induced by the projectile has beenexpanded in a perturbative series, and the terms up to second order in Zp havebeen conserved. The obtained quadratic potential has been expressed in functionof the first-order dielectric response or Lindhard dielectric function. We haveapplied the formalism to the calculation of the stopping of different charges (protons,neutral hydrogen and antiprotons) moving in Aluminum. Distributions ofenergy-loss has been investigated, and in the case of antiprotons the second-orderterm has been modified to avoid negative probabilities. The total stopping power (calculated considering inner-shell contributions and the different charge states inequilibrium) has been compared with experimental data. The induced electronicdensity has also been studied, and the results keep a good agreement with thosededuced from the density functional theory. In the third part we center our attention in the electronic state of the projectile,and how the process of transport influences on it. We present a quantumdescription for the evolution of atomic states of projectiles traveling through matter. Our approach is based on the solution of the quantum equation of Langevin -a stochastic time-dependent Schrôdinger equation- that describes the electronicexcitations of atoms during transport through solids. Our present descriptioncan be considered as the quantized version of a classic theory of transport. Applicationsto the electron-loss (stripping) of relativistic H- and H, and to thedynamics of the population of the electronic substates of 13.6 MeV/u Ar17+ dueto the transmission through carbon foils have been presented. We have analyzedthe correspondence between the quantum and classical transport simulations andwe have shown that the stochastic nature of the interaction destroys most of thequantum effects. Fil: Arbó, Diego Gabriel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. application/pdf https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n3347_Arbo spa Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales info:eu-repo/semantics/openAccess https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/ar COLISIONES ATOMICAS PERDIDA DE ENERGIA FORMALISMO BINARIO FORMALISMO DIELECTRICO TRANSPORTE CUANTICO ATOMIC COLLISIONS ENERGY LOSS STOPPING POWER DIELECTRIC FORMALISM BINARY FORMALISM QUANTUM TRANSPORT Colisiones de iones con sólidos Collisions of ions in solids info:eu-repo/semantics/doctoralThesis info:ar-repo/semantics/tesis doctoral info:eu-repo/semantics/publishedVersion http://repositoriouba.sisbi.uba.ar/gsdl/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=aextesis&d=tesis_n3347_Arbo_oai

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