Каналирование заряженных час­тиц

КАНАЛИРОВАНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, движение заряженных частиц внутри монокристалла вдоль «каналов», образованных параллельными рядами атомов или атомных плоскостей. Каналирование заряженных частиц было предсказано американскими физиками М. Т. Робинсоном и О. С. Оэном в 1961 году и вскоре экспериментально обнаружено в нескольких лабораториях. Различают аксиальное и плоскостное каналирование заряженных частиц. Аксиальное каналирование заряженных частиц наблюдается, когда пучок быстрых заряженных частиц падает на монокристалл под малым углом θ₁ к одной из кристаллографических осей. При этом положительно заряженная быстрая частица (например, протон), приближаясь к одной из цепочек атомов, параллельных кристаллографической оси, в результате серии последовательных актов слабого рассеяния на упорядоченно расположенных атомах плавно искривляет свою траекторию так, что наблюдается почти зеркальное отражение частицы от цепочки (θ₂ =θ₁ ; рис. 1, кривая а).

Из теории следует, что такого рода «зеркальность» наблюдается при θ₁ < θ_Л, где θ_Л - так называемый угол Линдхарда, который определяется соотношением θ_Л = √Z₁Z₂e²/El, где Z₁е, Z₂е - заряды движущейся частицы и ядра атома монокристалла, Е - энергия частицы, l - расстояние между соседними атомами в цепочке. При таком движении частица удерживается вдали от ядер, находящихся на оси цепочки. При увеличении θ₁ до значений θ₁>θ_Л характер движения изменяется. Частица может испытывать близкие столкновения с ядрами, в результате которых она рассеивается на большой угол (рис. 1, кривая б) и далее движется так же, как в неупорядоченной среде. Угол θ_Л обычно составляет величину порядка долей градуса. В толще кристалла частица, движущаяся в режиме аксиального каналирования, испытывает последовательные акты зеркального отражения от разных цепочек. В поперечной плоскости движение такой частицы в общем случае представляет случайное блуждание.

Плоскостное каналирование заряженной частицы наблюдается при падении пучка под малым углом к кристаллографической плоскости. В этом случае частицы попеременно отражаются от соседних плоскостей; их траектория напоминает синусоиду. При этом частица также удерживается вдали от ядер.

Удержание каналированных частиц вдали от ядер приводит к ряду физических явлений. Так, при θ₁ < θ_Л уменьшается выход продуктов ядерных реакций и характеристических рентгеновских лучей от внутренних электронных оболочек. Каналированные частицы имеют существенно большие пробеги по сравнению с частицами, движущимися при отсутствии каналирования.

Первоначально каналирование заряженных частиц  наблюдалось для пучков положительно заряженных относительно тяжёлых частиц (протонов, дейтронов, α-частиц) при энергии порядка 1 МэВ. В этом случае из-за малости длины волны де Бройля характер движения частиц практически является классическим.

В случае движения более лёгких частиц (электронов и позитронов) часто существенны квантовые эффекты. На рисунке 2 параболами приближённо изображена форма поперечного периодического потенциала V для плоскостных каналов в случае позитронов (рис. 2, а) и электронов (рис. 2, б). Горизонтальными линиями изображены энергетические уровни поперечной составляющей движения частиц в кристалле. Стрелками указаны некоторые из возможных квантовых переходов. Соответствующие этим переходам линии электромагнитного излучения наблюдаются экспериментально.

Одно из применений каналирования заряженных частиц  - так называемый метод обратного рассеяния на монокристаллах. Пучок падающих частиц направляется вдоль кристаллографических осей или плоскостей, измеряется энергетический спектр продуктов рассеяния или ядерных реакций. Любые отклонения от идеальности кристалла (температурные колебания атомов, дефекты) приводят к характерному искажению энергетического спектра (рис. 3). Методом обратного рассеяния удаётся экспериментально определять положение примесных атомов в ячейке кристалла, исследовать структуру поверхностного слоя монокристалла и др.

С помощью каналирования заряженных частиц  в изогнутых кристаллах удаётся отклонить пучки частиц на небольшие углы при их выводе из ускорителей. Каналирование  заряженных частиц  может рассматриваться как метод получения монохроматических пучков γ-квантов различных энергий. Каналирование  заряженных частиц  необходимо учитывать при ионной имплантации, так как при определённых условиях оно может привести к расширению имплантированного слоя и усложнению его структуры.

Каналирование  заряженных частиц  относится к группе так называемых ориентационных эффектов, возникающих при взаимодействии быстрых заряженных частиц с кристаллами (смотри также Теней эффект).

Лит.: Линдхард Й. Влияние кристаллической решетки на движение быстрых заряженных частиц // Успехи физических наук. 1969. Т. 99. Вып. 2; Рябов В. А. Эффект каналирования. М., 1994; Барсуков О. А., Ельяшевич М. А. Основы атомной физики. М., 2006.