Кіріспе
Тоқтату қуаты сондай-ақ материал зарядталған бөлшектің кинетикалық энергиясын сіңіретін жылдамдық ретінде түсіндіріледі. Оның қолданылуы термодинамикалық салалардың кең ауқымында маңызды, мысалы, сәулеленуден қорғау, ионды имплантация және ядролық медицина.
In nuclear and materials physics, stopping power is the retarding force acting on charged particles, typically alpha and beta particles, due to interaction with matter, resulting in loss of particle kinetic energy. Stopping power is also interpreted as the rate at which a material absorbs the kinetic energy of a charged particle. Its application is important in a wide range of thermodynamic areas such as radiation protection, ion implantation and nuclear medicine.
Электрондық, ядролық және радиациялық тоқтату
Электрондық тоқтату - ортадағы байланған электрондар мен онымен қозғалатын иондар арасындағы эластикалық емес соқтығысулар салдарынан снаряд ионының баяулауын білдіреді. Эластикалық емес деген термин процес кезінде энергия жоғалатынын білдіреді (қосылыстар ортаның байланған электрондарының қоздыруына, сондай-ақ ионның электрон бұлтының қоздыруына әкелуі мүмкін). Сызықтық электронды тоқтату қуаты шектелмеген сызықтық энергияны берумен бірдей. Энергияны берудің орнына кейбір модельдер электронды тоқтату қуатын электронды газ бен энергетикалық ион арасындағы импульс беру ретінде қарастырады. Бұл Бетаның жоғары энергиялы диапазондағы нәтижесіне сәйкес келеді. Ионның электрондармен соқтығысу саны көп болғандықтан және ортаны кесіп өтетін ионның зарядтық күйі жиі өзгеріп отыратындықтан, барлық ықтимал ион зарядтық күйлері үшін барлық ықтимал өзара әрекеттесулерді сипаттау өте қиын. Оның орнына, электрондық тоқтату қуаты көбінесе әр түрлі зарядталу күйлері үшін барлық энергия жоғалту процестерінің орташасы болып табылатын энергияның қарапайым функциясы ретінде беріледі. Оны теориялық өңдеу арқылы ядроға бірнеше жүз кВ-тан жоғары энергия диапазонында бірнеше % дәлдігімен теориялық түрде анықтауға болады, ең танымал - Бета формуласы. Нуклонда 100 кВ-тан төмен энергияда электронды тоқтатуды талдау модельдерін қолдану арқылы анықтау қиынырақ болады. Жақында нақты уақытқа тәуелді тығыздық функционалдық теориясы әртүрлі иондық мақсатты жүйелердің электронды тоқтатуын энергияның кең ауқымында, соның ішінде төмен энергия режимін дәл анықтау үшін сәтті қолданылды. Пауль көптеген заттардағы көптеген иондар үшін электрондық тоқтату қуатының эксперименттік мәндерінің графикалық көрсетілімдерін берді. Түрлі тоқтау кестелерінің дәлдігі статистикалық салыстырулар арқылы анықталды. Ядролық тоқтату күші ұшақтың ионы мен сынамадағы атомдар арасындағы эластикалық соқтығысуларды білдіреді ("ядролық" деген атау түсінікті болуы мүмкін, өйткені ядролық тоқтату ядролық күштерге байланысты емес, бірақ тоқтатудың бұл түрі иондардың нысанадағы ядролармен өзара әрекеттесуін қамтиды). Егер екі атом арасындағы реплюсивті потенциалдық энергияның түрін білсек (төменде қараңыз), ядролық тоқтату қуатын есептеуге болады. Жоғарыда алюминийдегі алюминий иондарына көрсетілген тоқтату қуаты кескіндемесінде ядролық тоқтату ең төменгі энергиядан басқа жерде елемеуге тұрарлық. Ядролық тоқтау иондардың массасы өскен сайын артады. Оң жақтағы суретте ядролық тоқтау төмен энергияда электронды тоқтаудан үлкен. Ауыр материалдарда баяулап жүретін өте жеңіл иондар үшін ядролық тоқтату барлық энергияда электрондыға қарағанда әлсіз. Әсіресе детекторларда сәулелену зақымдануы саласында "иондаушы емес энергия жоғалуы" (NIEL) термині сызықтық энергияның ауысуына (LET) қарама-қарсы термин ретінде қолданылады, мысалы, қараңыз. Ядролық тоқтату қуаты анықтама бойынша электрондық қозуды қамтымайды, сондықтан NIEL және ядролық тоқтату ядролық реакциялар болмаған жағдайда бірдей мөлшер деп қарастырылуы мүмкін. Жалпы релятивистік емес тоқтату қуаты екі терминнің қосындысы болып табылады: Бірнеше жартылай эмпирикалық тоқтату қуаты формулалары әзірленді. TRIM/SRIM кодтарының әртүрлі нұсқаларында енгізілген Ziegler, Biersack және Littmark ұсынған модель ("ZBL" тоқтату, келесі тарауды қараңыз),
Қатынас
Кристалдық материалдарда ион кейбір жағдайларда "арналады", яғни кристалдық жазықтықтар арасындағы арнаға шоғырланады, онда ядролармен соқтығысулар болмайды. Сонымен қатар, арнада электрлік тоқтату күші әлсіз болуы мүмкін. Ядролық және электронды тоқтату тек материалдың түрі мен тығыздығына ғана емес, сонымен қатар оның микроскопиялық құрылымы мен көлденең қимасына да байланысты.
Ионның баяулауын компьютерлік симуляциялау
Ортадағы иондардың қозғалысын есептеу үшін компьютерлік модельдеу әдістері 1960 жылдардан бастап әзірленді және қазір теориялық тоқтату қуатын емдеудің басым тәсілі болып табылады. Олардың негізгі идеясы - ортадағы ядролармен соқтығысуды симуляциялау арқылы ортадағы иондардың қозғалысын бақылау. Электрондық тоқтату қуаты, әдетте, ионды баяулататын фрикциялық күш ретінде ескеріледі. Иондық диапазонды есептеу үшін қолданылатын дәстүрлі әдістер қос жанасуды бағалауға (BCA) негізделген. Бұл әдістерде имплантацияланған үлгідегі иондардың қозғалысы кері қайту ионы мен үлгідегі атомдар арасындағы жеке соққылардың бірізділігі ретінде қарастырылады. Әрбір жеке соқтығысу үшін классикалық шашырау интегралы сандық интеграл арқылы шешіледі. Шашырау интегралындағы соққы параметрі p стохастикалық үлестіруден немесе үлгідегі кристалдық құрылысты ескере отырып анықталады. Бірінші әдіс аморфты материалдарға имплантациялау симуляцияларында ғана жарамды, өйткені ол арналандыруды ескермейді. Ең танымал BCA симуляциялық бағдарламасы TRIM/SRIM (TRansport of Ions in Matter, соңғы нұсқаларында Stopping and Range of Ions in Matter деп аталады), ол ZBL электрондық тоқтату және атом аралық потенциалға негізделген. Пайдалануға өте оңай интерфейсі бар және барлық материалдағы барлық иондар үшін әдетті параметрлері бар, 1 ГеВ ион энергиясына дейін, бұл оны өте танымал етті. Алайда, ол кристалл құрылымын ескермейді, бұл көптеген жағдайларда оның пайдалылығын қатты шектейді. Бірнеше BCA бағдарламалары бұл қиындықты жеңеді; кейбіреулері өте танымал MARLOWE, BCCRYS және кристалл TRIM. БСА әдістері көптеген физикалық процестерді сипаттауда сәтті қолданылса да, олар энергетикалық иондардың баяулау процесін нақты сипаттауға кедергі келтіреді. Тездетулер - екілік, көп әрекеттесулерді есепке алуға тырысқанда ауыр проблемалар туындайды деген негізгі болжам. Сондай-ақ, кристалл материалдарды симуляциялау кезінде келесі соқтығысатын тор атомды және соқтығысу параметрін таңдау процесі әрқашан параметрлер мәндерінің өте жақсы анықталмаған бірнеше параметрлерін қамтиды, бұл параметрлер мәндерінің өте ақылға қонымды болып көрінетін таңдаулары үшін де нәтижелерге 1020% әсер етуі мүмкін. BCA-да ең жақсы сенімділік есептеулерге бірнеше соқтығысуларды қосу арқылы алынады, оны дұрыс жасау оңай емес. Алайда, кем дегенде Марлоу осылай істейді. Бірнеше атомдық соқтығысуларды модельдеудің ең қарапайым тәсілі молекулалық динамика (МД) симуляциялары арқылы қамтамасыз етіледі, онда атомдар жүйесінің уақыт эволюциясы қозғалыс теңдеулерін сандық түрде шешу арқылы есептеледі. MD симуляцияларына қатысатын өзара әрекеттесулер мен атомдардың саны азайтылған арнайы MD әдістері әзірленді, олар иондық диапазонды есептеу үшін жеткілікті тиімді. MD-симуляция автоматты түрде ядролық тоқтату қуатын сипаттайды. Электрондық тоқтату қуатын молекулалық динамика симуляцияларына фрикциялық күш ретінде немесе электронды жүйелердің қызуын қадағалап, еркіндіктің электронды және атомдық дәрежелерін біріктіру арқылы озық түрде қосуға болады.
or in a more advanced manner by also following the heating of the electronic systems and coupling the electronic and atomic degrees of freedom.
Ең аз иондаушы бөлшектер
Максималды шамадан кейін тоқтату қуаты шамамен 1/v2 шамасында бөлшектің жылдамдығы v өскен сайын азаяды, бірақ минималды шамадан кейін ол қайтадан артады. Минималды иондаушы бөлшектер (МИО) - материя арқылы энергия жоғалтудың орташа жылдамдығы минималды шамаға жақын болатын бөлшектер. Көптеген практикалық жағдайларда релятивистік бөлшектер (мысалы, ғарыш сәулелері мюондары) - ең аз иондаушы бөлшектер. Барлық минималды иондаушы бөлшектердің маңызды қасиеті - бұл шамамен шындық, онда және әдеттегі релятивистік кинематикалық шамалар. Сонымен қатар, барлық МӨС материалда энергия жоғалту шамамен бірдей, оның мәні: .