Μελέτη των διεργασιών αποδιέγερσης ιονισμένων εσωτερικών ατομικών στοιβάδων, της σκέδασης συντονισμού Raman των ακτίνων χ, και ανάπτυξη νέων τεχνικών στοιχειακής ανάλυσης με ακτίνες-χ επαγόμενες από ενεργητικά πρωτόνια
Authors: Σωκαράς Δημοσθένης 
Published: August 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει συστηματικές πειραματικές μελέτες σε τομείς βασικής και εφαρμοσμένης έρευνας με την χρήση της φασματοσκοπίας ακτινών χ και ενεργητικών ιοντικών δεσμών. Στην περιοχή της ατομικής φυσικής μελετώνται ατομικές αποδιεγέρσεις καταιγισμού στο μεταλλικό Fe αλλά και η σκέδαση συντονισμού Raman ακτινών χ από ελαφρά άτομα (Mg, Al, Si). Στον εφαρμοσμένο τομέα αναπτύσσονται και μελετώνται θεωρητικά και πειραματικά δύο καινοτόμες αναλυτικές τεχνικές. Πιο συγκεκριμένα, στο εργαστήριο του επιταχυντή Tandem του Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής του Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. «Δημόκριτος» σχεδιάσθηκε και εγκαταστάθηκε μια πρωτότυπη πειραματική διάταξη, που επιτρέπει την χρήση χαμηλής ενέργειας ιοντικών επιταχυντών (με τάση λειτουργίας μέχρι 1 MV για επιταχυντές Tandem) για μελέτες θεμελιωδών μηχανισμών με ενδιαφέρον στην περιοχή της ατομικής φυσικής. Η μέθοδος βασίζεται στην παραγωγή έντονων μονοχρωματικών δεσμών ακτινών χ από την ακτινοβόληση καθαρών στόχων με ενεργητικά πρωτόνια (1-2 MeV). Εξετάζεται η σκέδαση συντονισμού Raman ακτινών χ από ελαφρά άτομα και προσδιορίζονται πειραματικά οι απόλυτες ενεργές διατομές για τον μηχανισμό αυτό στα στοιχεία Mg, Al, και Si. Τα πειραματικά αποτελέσματα συγκρίνονται με αντίστοιχες τιμές από πειράματα με πολωμένη προσπίπτουσα ακτινοβολία χ καθώς και με θεωρητικές εκτιμήσεις. Στην συνέχεια παρουσιάζεται μια συστηματική πειραματική και θεωρητική μελέτη για την εκπομπή των L χαρακτηριστικών ακτινών χ του μεταλλικού σιδήρου ως αποτέλεσμα του φαινόμενου του καταιγισμού χρησιμοποιώντας προσπίπτουσες δέσμες ακτινών χ με ενέργεια που μεταβάλλεται από μικρότερες σε μεγαλύτερες τιμές γύρω από τον κατώφλι ιονισμού της Κ στοιβάδας του Fe. Τα πειραματικά αποτελέσματα συγκρίνονται με λεπτομερείς ab initio θεωρητικούς υπολογισμούς στη βάση του μοντέλου configuration-average Pauli-Fock αλλά και με αντίστοιχες μετρήσεις με πολωμένες προσπίπτουσες δέσμες ακτινών χ με πολύ ικανοποιητική συμφωνία. Στον τομέα αναλυτικών εφαρμογών της φασματοσκοπίας ακτινών χ με την χρήση ιοντικών ενεργητικών δεσμών η παρούσα διατριβή συμβάλει σε δύο κατευθύνσεις. Καταρχήν αναπτύσσεται ένα λογισμικό στοιχειομετρικής ποσοτικοποίησης υλικών μέσω της δυναμικής ανάλυσης φασμάτων φθορισιμετρίας ακτινών χ που παράγονται από την χρήση μονοχρωματικών δεσμών ακτινών χ επαγόμενων από ενεργητικά πρωτόνια (ΡΙΧΕ induced XRF). Τέλος, παρουσιάζεται η μαθηματική θεμελίωση για την στοιχειακή ποσοτικοποίηση με το βάθος διαστρωματωμένων υλικών μέσω της συνδυαστικής χρήσης ιοντικής μικροδέσμης και συνεστιακής μικροσκοπίας ακτινών χ confocal micro ΡΙΧΕ (proton induced x-ray emission). Στην γενικότερη περίπτωση της συνεστιακής μικροσκοπίας ακτινών χ με φωτονική ή ιοντική προσπίπτουσα μικροδέσμη μελετάται θεωρητικά η επίδραση του δευτερογενούς φθορισμού στις μετρούμενες εντάσεις χαρακτηριστικών ακτινών χ. Ο φορμαλισμός που αναπτύχθηκε εφαρμόζεται και αξιολογείται για τον χαρακτηρισμό αντιπροσωπευτικών υπέρλεπτων (πάχος μικρότερο του 1 μm) και σύνθετων διαστρωματικών δομών αναφοράς. Τα πειράματα συνεστιακής μικροσκοπίας ακτινών χ πραγματοποιήθηκαν σε εργαστήρια του εξωτερικού όπως στο εργαστήριο ακτινοβολίας συγχροτρονίου BESSY II. Βερολίνο (με φωτονική μικροδέσμη) και στο Jozef Stefan Institute, Λιουμπλιάνα (με ιοντική μικροδέσμη). Συμπερασματικά, η παρούσα διατριβή αναδεικνύει και θεμελιώνει την δυνατότητα και αξιοπιστία των ιοντικών δεσμών για μελέτες βασικής ατομικής φυσικής με συγκρίσιμη ακρίβεια με αντίστοιχες μελέτες σε υποδομές ακτινοβολίας συγχροτρονίου. Επιπλέον, συμβάλλει στην περαιτέρω ανάπτυξη και διεύρυνση των αναλυτικών εφαρμογών με ιοντικές ή και επαγόμενες φωτονικές δέσμες στην κατεύθυνση στοιχειακής ανάλυσης ομογενών και διαστρωματωμένων υλικών.