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Ver el documento (formato PDF)   Arbó, Diego Gabriel.  "Colisiones de iones con sólidos"  (2001)
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
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Resumen:
El objetivo de este trabajo de tesis ha sido investigar algunos aspectos de la interacción de iones con sólidos. Para ello hemos analizado los formalismos colisional y dieléctrico para calcular la fuerza de frenamiento de un proyectil que viaja dentro de un sólido. Además hemos indagado sobre el problema de transporte de iones, haciendo hincapié en el estado electrónico de los mismos. El rango de velocidades 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 la primera 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 del formalismo colisional binario (BCF), hemos usado el potencial inducido por iones pesados 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 angulares electrónicas de H+, H0, y H-, a través de blancos de Al y Ag. Hemos comparado los resultados con aquellos obtenidos con el potencial central de Yukawa y el formalismo dieléctrico (DF). Hemos establecido una relación entre los formalismos dieléctrico y colisional binario. Se ha encontrado que el BCF es muy sensible a la función dieléctrica usada en el potencial inducido. También se ha examinado el frenamiento de los proyectiles vestidos y se ha comparado sus distribuciones de pérdida de energía. De acuerdo con lo esperado, a velocidades de impacto altas el formalismo binario provee sólo el término colisional, no teniendo en cuenta la excitación del modo colectivo. En la segunda parte de esta tesis se ha ido más allá de la primera aproximación de Born incorporando la contribución que viene de la segunda aproximación de Born. Se ha estudiado la pérdida de energía de un proyectil ‘desnudo’ y pesado con carga Zp que se mueve en un gas de electrones libres. Dentro del marco del formalismo colisional binario (BCF), se ha desarrollado el elemento de matriz de transición (al cuadrado) en una serie perturbativa, conservando términos hasta Z(3p), (segunda aproximación de Born). Se emplea la función respuesta dieléctrica de Mermin-Lindhard para describir el potencial cilíndrico inducido por el proyectil. Se ha aplicado el formalismo al cálculo de las distribuciones de perdida de energía para cargas fijas (protones, hidrógeno neutro y antiprotones) chocando con aluminio. También hemos investigado cómo la corrección colisional Z(3p), afecta el frenamiento total para antiprotones en Aluminio y Silicio, y para hidrógeno en Aluminio. En este último caso se han considerado los diferentes estados de carga del proyectil. Los resultados tienen un buen acuerdo con los datos experimentales en la región de alta energía. También se ha investigado la energía perdida dentro del marco del formalismo dieléctrico (DF). En este modelo, se ha desarrollado el potencial inducido por el proyectil en una serie perturbativa, y se han conservado los términos hasta segundo orden en Zp. El potencial cuadrático obtenido se ha expresado en función de la respuesta dieléctrica a primer orden o función dieléctrica de Lindhard. Hemos aplicado el formalismo al cálculo del frenamiento de diferentes cargas determinadas (protones, hidrógeno neutro y antiprotones) moviéndose en Aluminio. Se ha investigado las distribuciones de pérdida de energía, y en el caso de antiprotones se ha modificado el término de segundo orden para evitar probabilidades negativas. Se ha comparado la fuerza de frenamiento total, calculada teniendo en cuenta la contribución de las capas internas y los diferentes estados de carga en el equilibrio, con datos experimentales. Se ha estudiado también la densidad electrónica inducida, y los resultados guardan un buen acuerdo con aquellos calculados con la 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 una descripción cuántica para la evolución de estados atómicos de proyectiles viajando a través de la materia. Nuestra aproximación se basa en la solución de la ecuación cuántica de Langevin -una ecuación de Schródinger estocástica dependiente del tiempo- que describe las excitaciones electrónicas de los átomos durante su transporte a través de los sólidos. Se puede considerar nuestra descripción presente como la versión cuantizada de una teoría de transporte clásica. Hemos presentado aplicaciones a la pérdida de electrones (shipping) de H- y H relativistas, y a la dinámica de la población de los subestados electrónicos de Ar17+ con 13.6 MeV/ u a causa de la transmisión a través de láminas de carbono. Hemos analizado la correspondencia entre las simulaciones de transporte cuántico y clásico y hemos mostrado que la naturaleza estocástica de la interacción destruye la mayoría de los efectos cuánticos.

Abstract:
The aim of this thesis work has been to investigate some aspects of the interaction of ions with solids. To that end, we have analyzed the different formalisms used to calculate the stopping power of a projectile traveling inside a solid. We have also investigated the problem of transport of ions in solids, focalizing our attention on their electronic states. We deal with the range of medium and high velocities. 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 been studied 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 stopping power, distributions of energy-loss, mean free path and electronic angular distributions of H+, H0, and H-, through targets of Al and Ag. We have compared the results with those obtained with the Yukawa central potential and the dielectric formalism (DF). We have established a link between the dielectric and binary collisional formalisms. The BCF has been found to be very sensitive to the dielectric function used in the induced potential. We have also examined dressed projectiles and have compared their energy-loss distributions. As expected, at high impact velocities the binary formalism only provides the collisional term, neglecting the excitation 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 free electron 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-Lindhard dielectric response function is used to describe the cylindrical potential induced by the projectile. The formalism has been applied to the calculation of the energy loss distributions 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, and for hydrogen in Aluminum. In the latter case the different states of charge of the projectile have been considered. The results are in good agreement with the experimental 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 been expanded in a perturbative series, and the terms up to second order in Zp have been conserved. The obtained quadratic potential has been expressed in function of the first-order dielectric response or Lindhard dielectric function. We have applied the formalism to the calculation of the stopping of different charges (protons, neutral hydrogen and antiprotons) moving in Aluminum. Distributions of energy-loss has been investigated, and in the case of antiprotons the second-order term has been modified to avoid negative probabilities. The total stopping power (calculated considering inner-shell contributions and the different charge states in equilibrium) has been compared with experimental data. The induced electronic density has also been studied, and the results keep a good agreement with those deduced 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 quantum description 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 electronic excitations of atoms during transport through solids. Our present description can be considered as the quantized version of a classic theory of transport. Applications to the electron-loss (stripping) of relativistic H- and H, and to the dynamics of the population of the electronic substates of 13.6 MeV/u Ar17+ due to the transmission through carbon foils have been presented. We have analyzed the correspondence between the quantum and classical transport simulations and we have shown that the stochastic nature of the interaction destroys most of the quantum effects.

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Registro:
Título : Colisiones de iones con sólidos     =    Collisions of ions in solids
Autor : Arbó, Diego Gabriel
Director : Miraglia, Jorge Esteban
Año : 2001
Editor : Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
Filiación : Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Instituto de Astronomía y Física del Espacio. Grupo de Colisiones Atómicas.
Grado obtenido : Doctor en Ciencias Físicas
Ubicación : Preservación - http://digital.bl.fcen.uba.ar/gsdl-282/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=tesis&d=Tesis_3347_Arbo
Idioma : Español
Area Temática : 
Palabras claves : COLISIONES ATOMICAS; PERDIDA DE ENERGIA; FORMALISMO BINARIO; FORMALISMO DIELECTRICO; TRANSPORTE CUANTICO; ATOMIC COLLISIONS; ENERGY LOSS; STOPPING POWER; DIELECTRIC FORMALISM; BINARY FORMALISM; QUANTUM TRANSPORT
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