Mechanisms of electron capture and ionization in fast ion-atom collisions
Authors: Νάνος Στέφανος 
Published: November 2023

Η παρούσα διατριβή μελετά τους πολύπλοκους ατομικούς μηχανισμούς της σύλληψης και ιονισμού ηλεκτρονίου σε ταχείες κρούσεις ιόντων-ατόμων. Ειδικότερα, επικεντρωθήκαμε σε σχετικές μελέτες αξιοποιώντας προ-διεγερμένες ιοντικές δέσμες, όπως ηλιοειδείς, 1s2s ^{3}S, και βηρυλλιοειδείς 1s2s^{2}2p ^{3}P δέσμες ιόντων. Αυτές οι προ-διεγερμένες ιοντικές δέσμες, που έχουν αρχικά μια κενή θέση στη Κ-στιβάδα, προσφέρουν τη δυνατότητα να μελετήσουμε δυναμικές ατομικές διεργασίες σε ιοντικά περιβάλλοντα που απέχουν από τη βασική κατάσταση. Πειράματα σε συστήματα κρούσεων με προ-διεγερμένα ιόντα αποτελούν εξαιρετικό εργαλείο για τη μελέτη ατομικών φαινομένων, συμπεριλαμβανομένης της σύλληψης/απώλειας ηλεκτρονίων στο συνεχές της δέσμης ιόντων και της απλής σύλληψης ηλεκτρονίου. Αυτή η διατριβή μελετά τους συγκεκριμένους μηχανισμούς λεπτομερώς, προσφέροντας σημαντικές πληροφορίες για τον έλεγχο προηγμένων θεωριών και την κατανόηση της θεμελιώδους φυσικής που εμπλέκεται. Για τις μελέτες μας στα cusp ηλεκτρόνια αξιοποιήθηκαν συστήματα κρούσεων με πλήρως και μερικώς απουγυμνωμένες δέσμες ιόντων. Οι έρευνές μας επικεντρώθηκαν στην κατανόηση του ρόλου των τροχιακών πολυ-ηλεκτρονικών στόχων, καθώς και του ρόλου της δομής προ-διεγερμένων ιοντικών δεσμών στην παραγωγή cusp ηλεκτρονίων. Οι πειραματικές μετρήσεις συνοδεύονται από θεωρίες γνωστές ως distorted wave θεωρίες. Αυτές οι μελέτες έδειξαν ενδιαφέροντα φυσικά φαινόμενα που σχετίζονται με τις διαδικασίες της σύλληψης και απώλειας ηλεκτρονίων στο συνεχές των ιόντων δέσμης, αποκαλύπτοντας τον ρόλο του 2p ηλεκτρονίου του στόχου σε κρούσεις πλήρως απογυμνωμένων ιόντων δέσμης με πολυ-ηλεκτρονιακούς στόχους νέου και αργού. Επιπλέον, οι μελέτες μας κατέγραψαν, τόσο πειραματικά όσο και θεωρητικά, για πρώτη φορά, την cusp κορυφή προερχόμενη αποκλειστικά από κρούσεις προ-διεγερμένων ιόντων με στόχους ηλίου, σε επίπεδο διπλά διαφορικής ενεργού διατομής (DDCS). ΄Ενα σημαντικό στοιχείο των μελετών μας ήταν η εντοπισμός μιας μικρής κορυφής στο αριστερό φτερό της cusp κορυφής, με ενέργεια μικρότερη από το μέγιστο της cusp κορυφής ίση με το δυναμικό ιονισμού του στόχου. Αυτό το νέο φαινόμενο σηματοδοτεί μία πιθανώς νέα διαδικασία απώλειας ηλεκτρονίων στο συνεχές μέσω υψηλά συσχετιζόμενης αλληλεπίδρασης ηλεκτρονίων (correlated electron-electron interaction). Επιπλέον, η έρευνά μας επικεντρώθηκε σε μελέτες που σχετίζονται με τη διαδικασία σύλληψης ενός ηλεκτρονίου σε κρούσεις ταχέων (λίγων MeV/u) ηλιοειδών ιόντων δέσμης (1s^{2} ^{1}S, 1s2s ^{3}S) με στόχους ηλίου. Αυτή η μελέτη έρχεται ως φυσικό επακόλουθο σε μία πρόσφατη εργασία που πραγματοποιήθηκε από την ομάδα μας με ηλιοειδής δέσμες ιόντων άνθρακα. Οι μελέτες που παρουσιάζονται στην εν λόγω διατριβή αφορούν μία ισο-ηλεκτρονική έρευνα αξιοποιώντας ηλιοειδής δέσμες ιόντων οξυγόνου και βορίου. Τα αποτελέσματά μας αποκάλυψαν την παρουσία ισχυρών ηλεκτρονικών συσχετισμών, υποστηρίζοντας περαιτέρω τα ευρήματα των προηγούμενων μελετών. Επιπλέον, ήταν εφικτός ο προσδιορισμός των απλά διαφορικών ενεργών διατομών (SDCS) των καταστάσεων 1s2s2p ^{4}P, ^{2}P_{±} για κρούσεις ιόντων οξυγόνου, με ηλεκτρονική δομή Ο^{6+}(1s^{2}) και Ο^{6+}(1s2s ^{3}S), με στόχους ηλίου, για ένα μεγάλο εύρος ενεργειών. Αυτά τα ευρήματα προσφέρουν σημαντική γνώση, καθώς αποτελούν σημείο αναφοράς για τη βελτίωση προηγμένων θεωριών τριών ενεργών ηλεκτρονίων, όπως η θεωρία 3eAOCC, που συγκρίνεται με τα πειραματικά αποτελέσματά μας. Τέλος, εισαγάγαμε μια εναλλακτική μέθοδο για τον προσδιορισμό του εύρους ενέργειας των δεσμών ιόντων που παράγονται σε επιταχυντές τύπου tandem Van de Graaff. Το εύρος ενέργειας της δέσμης αποτελεί μία σημαντική παράμετρο καθώς επηρεάζει την πειραματική ανάλυση γενικότερα. Στην προσέγγισή μας, χρησιμοποιήσαμε μετρήσεις KLL Auger ηλεκτρονίων μαζί με αντίστοιχες προσομοιώσεις τύπου Monte Carlo που πραγματοποιήθηκαν στο πακέτο προσομοίωσης SIMION. Αυτή η νέα προσέγγιση επιτρέπει τον προσδιορισμό του εύρους ενέργειας της δέσμης ιόντων απευθείας από τα φάσματα KLL Auger ηλεκτρονίων, εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη για επιπρόσθετες μετρήσεις.