ATOMI ÜTKÖZÉSEK FIZIKÁJA
Három évtized kutatásai az ATOMKI-ban

Sarkadi László
MTA Atommagkutató Intézete

A kezdetek

Az atomi ütközések kutatásának kerek évfordulója van az Intézetben. Az első, kimondottan az atomok elektronburkának folyamatairól szóló intézeti publikációk pontosan 30 évvel ezelőtt jelentek meg a Zeitschrift für Physik című folyóiratban [1, 2]. A cikkek azokról az eredményekről számolnak be, amelyeket Berényi Dénes és munkatársai közepes és nagy rendszámú elemek belső (K és L) héján viszonylag nagyenergiájú elektronokkal és pozitronokkal kiváltott ionizációjának vizsgálatában értek el. A pozitronokkal kapott mérési eredmények - mint az első ilyen jellegű, megbízható adatok - különösen nagy jelentőségűek, és napjainkban ismét érdekessé váltak amiatt, hogy az antirészecskékkel (pozitronok, antiprotonok stb.) végzett atomfizikai kutatások világszerte felerősödtek. A kísérletekben használt bombázó részecskék ekkor még radioaktív forrásból származtak, azaz ezek a vizsgálatok- legalább is az alkalmazott kísérleti technikát tekintve - átmenetet jelentettek a csoport korábbi magfizikai és az új, atomfizikai témájú kutatásai között.

A témaváltás tudatos és tervezett volt. Ezt bizonyítja Berényi Dénesnek a Fizikai Szemlében néhány évvel korábban (1971-ben) a Nukleáris gyorsítók alkalmazása az atomi spektroszkópiában címmel megjelent cikke [3], amelyben a szerző a nyalábfólia-spektroszkópia (beam foil spectroscopy) módszerével ismerteti meg az olvasót, annak jelentőségét a Mössbauer-effektuséhoz hasonlítva. A cikk nem szorítkozik csak ennek a módszernek az ismertetésére, általában hívja fel a figyelmet a részecskegyorsítók használatára az atomfizikai kutatásokban. Néhány évtized távlatából elmondhatjuk, hogy Berényi Dénes fenti hasonlatával nem sokat tévedett, az atomfizikának ez az ága az 1970-es és 1980-as években robbanásszerűen fejlődött, és az érdeklődés még napjainkban sem szűnt meg.

A nagyenergiájú atomi ütközések fizikája Mielőtt folytatnánk a történeti áttekintést és az eredmények bemutatását, néhány mondatban jellemezzük a kutatási területet. A fizikának ezt az ágát röviden részecskegyorsítókkal művelt atomfizikaként (accelerator-based atomic physics) szokták említeni. Ez azt jelenti, hogy tipikusan olyan kísérleteket végeznek, amelyekben részecskegyorsítók (pl. Van de Graaff-generátor, ciklotron stb.) kollimált ionnyalábjával sugároznak be egy céltárgyat. A bombázó részecskék általában valamilyen atom pozitív vagy negatív töltésű ionjai (vagy esetleg semleges atomok), de általánosabban tekintve az atomi ütközéseket, más részecskék is lehetnek, például elektronok, pozitronok, fotonok, antiprotonok és más exotikus részecskék. A részecskegyorsító sem feltétlenül nagyberendezés. Használnak ütközési kísérletekben például ionforrásokból származó ionokat vagy elektronágyúval előállított elektronokat. A lövedékrészecskékkel a céltárgy atomjainak, molekuláinak elektronburkában hozunk létre változásokat az elektromágneses kölcsönhatás révén. Ezekről a változásokról az ütközésből kirepülő részecskék detektálásával, jellemzőik (fajtájuk, töltésük, energiájuk, impulzusuk stb.) megmérésével szerzünk információt.

Szükséges még definiálnunk, hogy mit értünk "nagyenergiájú" ütközésen. Helyesebb "nagy energia" helyett "nagy sebesség"-ről beszélni. Az ütközést nagysebességűnek nevezzük, amennyiben a lövedékrészecske sebessége összemérhető a céltárgyatom (-molekula) legkülső héján lévő elektron(ok) Bohr-sebességével, illetve meghaladja azt. Ez elektronbombázás esetén néhányszor 10 eV-nél, ionoknál néhányszor 10 keV-nél nagyobb energiákat jelent. Ilyen energiáknál az atomok külső elektronhéja ionizálódhat az ütközésben. Természetesen a belső atomi héjak gerjesztéséhez, ionizációjához nagyobb energia szükséges: például ionbombázás esetén néhány száz keV-től néhány 10 MeV-ig, az atom rendszámától és a tekintett héjtól függően. Megjegyezzük, hogy a belső atomi héjak folyamatainak vizsgálatára - a szükséges nagy energia miatt - éppen a magfizikai részecskegyorsítók által nyílt lehetőség. Többek között ez utóbbi tény is magyarázza a terület gyors fejlődését a kezdeti időkben.

A kísérletekből alapvetően kétféle információ nyerhető. Az ütközésben mind a lövedéknek, mind a céltárgyatomnak (-molekulának) a legkülönbözőbb gerjesztett és ionizált állapotai jöhetnek létre, amelyek spektroszkópiai vizsgálatával az atomok, molekulák szerkezetére vonatkozó ismereteinket gyarapíthatjuk. Emellett azonban érdekes és ugyanolyan fontosságú az a kérdés is, hogy ezek az állapotok hogyan alakulnak ki, azaz milyen az ütközés dinamikája. Ez utóbbira elsősorban az elsődlegesen emittált részecskék (pl. a "kiütött" elektronok) észlelésével, tulajdonságaik mérésével szerezhetünk információt. Csoportunkat elsősorban az ütközés dinamikája érdekelte, bár számos atomszerkezeti vizsgálatot is végeztünk.

Végül szólnunk kell a kutatási terület jelentőségéről. A nagyenergiájú atomi ütközések kutatása elsősorban alapkutatás jellegű, amely jelentősen hozzájárul az általános fizikai (general physics) ismereteinkhez. Ez annak köszönhető, hogy - szemben a fizika más ágaival, például a magfizikával - az atomi folyamatokat létrehozó kölcsönhatások jól ismertek, így a folyamatok leírására kidolgozott (és kísérletileg alaposan tesztelt) elméleti leírások, módszerek a fizika más területein is alkalmazhatók. Példaként említhetjük a három-, illetve többtestprobléma megoldásában az atomi ütközések tanulmányozása során szerzett tapasztalatokat. Ezen túlmenően a mért vagy elméletileg meghatározott atomfizikai adatokat (pl. energianívók, átmeneti valószínűségek, ütközési folyamatok, reakciók hatáskeresztmetszetei stb.) kiterjedten használják a fizika más ágaiban, más tudományokban, valamint a gyakorlatban. Csak egy példa az utóbbira. A nagyenergiájú ionok fékeződése a különböző anyagokban sorozatos atomi ütközések révén történik. Az ezzel kapcsolatos atomfizikai eredmények így fontosak lehetnek minden olyan területen, amelyek központi jelensége az ionok fékeződése (pl. dozimetria, részecskedetektorok, ion-implantáció, anyagvizsgálat és -átalakítás, ion-sugárterápia stb.).

1. kép. Osztályszeminárium az 1980-as években kiotói vendégkutatók (T. Mukoyama és Y. Iszozumi) részvételével

A kutatási célok megfogalmazása a kezdeti időkben nem volt könnyű feladat. Ez érthető, hiszen az egész tudományterület még világszerte gyerekcipőben járt, fogalmilag még csak kialakulóban volt. Arról, hogy mit érdemes csinálni, parázs vitákat folytattunk a Berényi Dénes által szervezett osztályszemináriumokon. Ezek a heti rendszerességgel megtartott szemináriumok nagyon jó hangulatúak voltak, jó érzés visszagondolni rájuk (1. kép). Amikor most irányelveket, koncepciókat sorolunk fel, senki se gondoljon arra, hogy ezeket akkor olyan világosan láttuk! Harminc év távlatában irányelveinket a következőképpen foglalhatjuk össze. Törekedtünk

• egyszerű problémák, jelenségek tanulmányozására és

• egyszerű ütközési rendszerek vizsgálatára.

Ez utóbbi nem mindig volt könnyű. Gondoljunk például arra, hogy a legegyszerűbb ütközési rendszer, a H⁺+H ütközés kísérletileg nehezen vizsgálható, ugyanis hidrogén a természetben csak molekuláris állapotban létezik. Másik példa az atomi belsőhéjfolyamatok tanulmányozása - ez csak sokelektronos atomokban lehetséges! A fenti második törekvésünket ezért kiegészítettük azzal, hogy sokelektronos rendszereknél igyekeztünk olyan ütközésekkel foglalkozni, amelyeket az elméleti leírásban a legegyszerűbb ütközési rendszerre, a háromtestrendszerre redukálhatjuk. A három test: 1) a lövedékrészecske 2) a sokelektronos céltárgyatom egy kiszemelt elektronja 3) a céltárgyatom magtörzse. A kiszemelt elektron - az úgynevezett aktív elektron - kölcsönhatását a többi passzív elektronnal a magtörzs körüli átlagos, effektív potenciállal vesszük figyelembe (azaz a páronkénti elektronelektron kölcsönhatást - az elektronkorrelációt - elhanyagoljuk). Ez a leírási kép a függetlenrészecske modell, amelynek az az alapfeltevése, hogy az elektronok egymástól függetlenül gerjesztődnek az ütközés során.

1. ábra. Az atomi ütközések alapfolyamatai

Amennyiben egy sokelektronos folyamatot írunk le ebben a képben, annak valószínűségét egyelektron-folyamatok valószínűségeinek szorzataként kapjuk meg.

Természetesen a konkrét vizsgálatoknál tudatában voltunk annak, hogy a sokelektronos ütközési rendszerek háromtestként történő kezelése egy idealizáció, és végül is gyakran az érdekes fizikát éppen ettől a képtől való eltérések jelentették. Egyébként az évek folyamán megfigyelhető munkáinkban olyan tendencia, hogy a kísérleti és elméleti eszközeink, módszereink tökéletesedésével egyre bátrabban merészkedünk a bonyolultabb rendszerek vizsgálatára. Például egyre több kísérletünkben a céltárgy valamilyen molekula, valamint számos munkánk foglalkozik az ionok és szilárdtestek kölcsönhatásaival.

A fenti irányelvek mellett a kutatási koncepciót meghatározta még a vizsgálati módszer. Ennek megválasztása adódott magából a kutatási területből. Ugyanis az atomi ütközések fizikájának egy unikális tulajdonsága - szemben például a magfizikával -, hogy az ütközésekben a lövedékrészecske által létrehozott perturbáció erősségét széles tartományban változtatni tudjuk. A perturbáció erősségét a Z_p/v_p, Sommerfeld-paraméterrel jellemezhetjük, ahol Z_p és v_p, a lövedék töltése, illetve sebessége. Ez a gyakorlatban azt jelentette, hogy kísérleteinket többnyire elvégeztük ugyanolyan sebességű könnyű, illetve nehezebb ionokkal, valamint egy adott jelenségnek általában megvizsgáltuk a sebességfüggését is. Sőt, az elméletek további komoly tesztelési lehetőségét jelenti az is, hogy a kölcsönhatás előjelét is megváltoztathatjuk részecske-antirészecske párok használatával. Vizsgálatainkban erre példa, hogy elektronok mellett pozitronokkal is végeztünk méréseket.

Egy ilyen, három évtizedet átfogó visszatekintés természetesen csak a kutatási tevékenység vázlatos ismertetését engedi meg. A részletek iránt érdeklő olvasók figyelmét felhívjuk a Fizikai Szemle korábbi számaiban megjelent cikkeinkre [4-10], valamint Karl-Ontjes Groeneveld: Berényi Dénes és az atomi ütközések fizikája című áttekintő munkájára [11].

Kutatásaink során az atomi ütközések alapfolyamatainak mindegyikével foglalkoztunk. Ezek

• a gerjesztés,

• az ionizáció,

• a töltésátadás (elektronbefogás),

• a relaxáció.

Az ütközési alapfolyamatokat sematikusan az 1. ábra mutatja (a függetlenrészecske képnek megfelelően egyetlen elektron átmeneteinek ábrázolásával). A gerjesztés során a céltárgyatom egy elektronja egy magasabb energiájú kötött állapotba kerül, míg az ionizáció során az elektron szabaddá válik. Töltésátadásról (elektronbefogásról) beszélünk, amikor az elektron átmegy az egyik ütköző partnerről a másikra, annak alap- vagy gerjesztett állapotába. A gerjesztés a legegyszerűbb folyamat, ugyanis ekkor mind a kezdeti, mind a végállapotot alapvetően a céltárgy magtörzse határozza meg. Így egy kéttestrendszerrel állunk szemben, amelyre a lövedék Coulomb-tere csupán perturbációként hat.

Az ionizáció hasonló a gerjesztéshez, az esetek nagy részében a két folyamat azonos elméleti módszerekkel írható le. Ugyanakkor bizonyos esetekben a szabaddá váló elektron a lövedékkel is olyan erősen kölcsönhat, hogy az már nem kezelhető perturbációként, azaz ekkor igazi háromtest-szituáció alakul ki. A hosszú hatótávolságú Coulomb-erővel kölcsönható háromtestrendszer - amennyiben a végállapotban mindhárom részecske szabad-kvantummechanikai leírása komoly kihívást jelent az elmélet számára. Az ionizációnak ez az érdekessége is magyarázza, hogy csoportunk legtöbbet ezzel a folyamattal foglalkozott.

Míg a gerjesztés és az ionizáció a kezdeti és végállapot közötti egylépéses átmenetként képzelhető el, ugyanez az elektronbefogás esetében csak alacsony ütközési sebességek esetén mondható el. Nagy ütközési sebességeknél felvetődik a kérdés, hogy a céltárgyelektron hogyan képest szert tenni a lövedék sebessége körüli sebességre. A befogáshoz ugyanis az elektronnak fel kell gyorsulnia a lövedék sebességére. Már a probléma klasszikus mechanikai vizsgálatánál kiderül, hogy ez egyetlen lépésben nem történhet meg. Az elektronbefogás egy lehetséges kétlépéses mechanizmusát az elmélet már korábban megjósolta, kísérleti kimutatása éppen egyik munkatársunk nevéhez fűződik [12].

Az ütközési folyamatok eredményeképpen mind a céltárgyatom, mind a lövedékion (feltéve, ha van elektronja) gerjesztett állapotba kerülhet. A gerjesztett állapot valamennyi ideig él, majd egy foton vagy egy monoenergetikus elektron (Auger-elektron) kibocsátásával elbomlik. Ez a relaxáció, amelyről feltételezzük, hogy időben szétválasztható az ütközési folyamatoktól. A fotonemisszióval szemben az Auger-elektronemisszió egy kevésbé közismert folyamat: ennek során a gerjesztett atom (ion) energiafeleslegét egy elektronjának adja át, amely által az kiszabadul az atomból (ionból).

Csoportunk az ütközési jelenségeket elsősorban kísérleti módszerekkel vizsgálta. A kísérleti munka jelentős részét jelentette (és jelenti ma is) az eszközépítés és -fejlesztés, amelynek az ATOMKI-ban általában nagy hagyománya

van. Ez a tevékenység a csoport talán legnagyobb erőssége - sok esetben a nemzetközi visszhangot kiváltó eredményeink elérése az újszerű kísérleti eszközeinkek, mérőrendszereinknek volt köszönhető.

Első vizsgálataink tárgya az atomi belső héjak (K-, L-, M-héj) részecskebombázással kiváltott ionizációja volt, mégpedig az ionizációt követő röntgensugárzás detektálásával. A választást elsősorban az egyszerű kísérleti technika, valamint a viszonylag könnyű elméleti értelmezés indokolta. A mérési elrendezést a 2. ábra mutatja. A céltárgyat - párologtatással készített vékony fóliát - az Intézet gyorsítóiból (kaszkádgenerátor, 5 MV-os Van de Graaff-generátor, később ciklotron) származó kollimált elektron-, illetve ionnyalábbal sugároztuk be, és az emittált röntgenfotonokat Si(Li) félvezető detektorral detektáltuk. Megmérve a K, L és M karakterisztikus röntgensugárzás energiaspektrumait, meghatároztuk ezeknek a héjaknak az ionizációs valószínűségeit (hatáskeresztmetszeteit) különböző energiájú elektronoknak, protonoknak, alfa-részecskéknek és nehézionoknak (elsősorban C⁺, N⁺, O⁺) közepes és nagy rendszámú elemek atomjaival történő ütközéseiben (lásd pl. [13]). Megjegyezzük, hogy az atomi belsőhéjfolyamatok elméleti leírásában a függetlenrészecske kép nagyon jól használható, a hatáskeresztmetszetek kiszámításánál (pl. az elsőrendű Born-közelítésben) már hidrogénszerű hullámfüggvényekkel is jó eredményt lehet kapni. Ennek oka elsősorban az, hogy belső héjakon a nagy kötési energia mellett elhanyagolható az elektron-elektron kölcsönhatási energia, a külső héjak elektronjainak együttes hatása jól figyelembe vehető egy effektív potenciállal.

További belsőhéjvizsgálataink során foglalkoztunk az egyidejűleg végbemenő többszörös ionizáció jelenségével. Így például közepes rendszámú elemek atomjainak nitrogénionokkal történő bombázásánál a röntgenvonalak intenzitásviszonyának és a vonalak energiaeltolódásának mérésével meghatároztuk, hogy a K-héjjal egyidejűleg hányszorosan ionizálódik az L- és az M-héj [14].

Röntgensugárzás-méréseinkben a detektor kezdetben rögzített helyzetben volt. Később építettünk egy mérőkamrát, amellyel a röntgensugárzás szögeloszlását is meg tudtuk határozni. A szögeloszlásméréssel az ütközésben gerjesztett állapot töltésfelhőjének az alakjára (aszimmetriájára) lehet információt szerezni [6]. A töltésaszimmetria mértékét kifejező beállítódási paraméter az ütközés dinamikájának egy fontos jellemzője, amelynek mérése érzékeny tesztjét jelenti a különböző elméleteknek. A proton- és alfarészecske-bombázásnál az arany L₃-alhéjának beállítódási paraméterére kapott eredményeinknek világszerte jelentős visszhangjuk volt [4, 15].

A röntgenspektroszkópiai vizsgálataink mellett idővel nagyobb hangsúlyt kaptak az elektronspektroszkópiai vizsgálataink. Ez utóbbi területen a csoportnak a korábbi magfizikai tevékenységből (-spektroszkópia) fakadóan nagy hagyományai, tapasztalatai voltak, így hamarosan megépült az első, atomi ütközések vizsgálatára alkalmazható elektronspektrométer, amelyet számos, egyre jobb paraméterekkel rendelkező spektrométer követett [9].

2. ábra. A röntgenmérésekhez használt kísérleti elrendezés

Az elektronspektroszkópiai méréseinket szinte kizárólag szabad atomokon és molekulákon végeztük, azaz gáznemű céltárgyat használtunk. Az ütközésből kirepülő elektronok energia- és szögeloszlását elektrosztatikus elektronspektrométerrel mértük. Ez utóbbit sematikusan a 3. ábra mutatja a legegyszerűbb felépítésű, párhuzamos lemezpárból álló spektrométer esetén: az elektronok egy bemenő résen keresztül két kondenzátorlemez által létrehozott elektromos térbe kerülnek, amely az elektront eltéríti. A kimenő résen csak a lemezekre adott U potenciál által meghatározott energiájú elektronok haladhatnak át (ferdehajítás). Az elektronokat csatorna-elektronsokszorozóval, illetve az újabb spektrométereinkben helyzetérzékeny mikrocsatornás elektronsokszorozó lemezekkel detektáljuk. Bár használunk olyan egyszerű spektrométereket is, mint amilyen a 3. ábrán látható, legtöbb spektrométerünk sokkal bonyolultabb felépítésű: a párhuzamos síklemezeket egymásba illesztett hengerekké hajlítva, vagy gömbökké görbítve az eszköz fókuszáló ereje, transzmissziója (hatásfoka) és energiafeloldása nagymértékben növelhető.

Az egyre nagyobb teljesítőképességű elektronspektrométerek építése csak egyik részét jelentette a csoport fejlesztőmunkájának. Egy atomi ütközési folyamat pontos definiáláshoz egyéb kiegészítő információkra, mérési adatokra is szükség van. Így például tudnunk kell, hogy a kísérlethez használt lövedékionok valóban a kívánt töltésállapotban vannak, illetve milyen a vizsgált folyamatban a kimenő (szóródott) ionok töltésállapota. Ehhez a 3. ábrán bemutatott mérési elrendezést ki kellett egészíteni további eszközökkel. A kibővített elrendezés a 4. ábrán látható. Ennek fontosabb részei a következők. A gyorsítóból érkező, adott töltésállapotú ionok nyalábjában jelenlévő egyéb töltésű "szennyező" részecskéktől egy elektrosztatikus ionszelektorral szabadulunk meg. A szelektor négy kondenzátorlemez-párból és egy mozgatható résből áll. Amennyiben más töltésű ionokra van szükségünk, a gyorsítóból érkező nyalábot először egy gázcellán vezetjük át, ahol az áttöltődik. Ekkor sokféle töltésű ionok keletkezhetnek, amelyek közül a kívánt töltésállapotúakat az ionszelektorral választjuk ki. Az ábrán az emittált elektronok analízisére a könnyebb megértés és átláthatóság kedvéért két egyszerű felépítésű spektrométert tüntettünk fel. Azzal, hogy két spektrométer van az ábrán, azt érzékeltettük, hogy bizonyos kísérleteinkben az ütközésből származó, két elektront figyelünk meg egyidejűleg (koincidenciában). Ilyen mérésre van szükség például abban az esetben, ha az ütközés során elsődlegesen emittált elektronok közül ki szeretnénk válogatni azokat, amelyek az atom egy adott héjáról származnak. Ha ez az atom egyik belső héja, akkor az ionizációt követően az atom egy Auger-elektron emissziójával kerülhet alapállapotba. Ekkor az elsődlegesen emittált elektron mellett egy Auger-elektron is megjelenik. A két elektron egyidejű észlelése azonosítja a belső héjat. Ilyen vizsgálatot végeztünk ion-atom ütközésben [16, 17], illetve újabban fotonatom ütközésben [18] emittált elektronokra vonatkozóan. Ez utóbbi munkában olyan különleges spektrométert használtunk, amelyben a két elektron analízise és detektálása egyetlen spektrométer két, egymástól függetlenül működtethető részében végezhető (5. ábra).

5. ábra. A legújabb (ESA-22 elnevezésű) elektron-elektron koincidenciamérésre alkalmas elektronspektrométer metszeti rajza

A 4. ábrán látható két spektrométer közül az egyik speciális abban a tekintetben, hogy azzal a nyalábirányban (0°-ban) emittált elektronok analizálhatók - míg az ionnyaláb gyakorlatilag irányváltoztatás nélkül áthalad a spektrométeren, az ionokénál több nagyságrenddel kisebb energiájú elektronokat a spektrométer első fokozata eltéríti a 0°-os iránytól. Ennek a technikának az alkalmazásával kiterjedten vizsgáltuk az elektronspektrumban 0° alatt megjelenő struktúrát, az úgynevezett cusp-csúcsot. Az ezen a területen elért eredményeinkről a Fizikai Szemlében néhány évvel ezelőtt részletesen beszámoltunk [8], itt csupán megemlítjük két, világszerte nagy érdeklődést kiváltó munkánkat: az egyikben a cusp-csúcs kialakulását semleges atomi lövedékek [19], a másikban pozitronlövedék [20] alkalmazásával vizsgáltuk.

Az ütközés során az ionok töltésállapota megváltozhat. Például abban az esetben, ha valamelyik spektrométerrel detektált elektron a lövedékből származik, akkor a lövedékion töltése egységnyivel megnövekszik. Annak eldöntésére, hogy az elektron a céltárgyból vagy a lövedékből emittálódott, illetve milyen egyéb folyamatok játszódtak le az ütközésben (pl. az elektron emissziójával egyidejűleg végbemenő töltésátadás), szükség van a kimenő, szóródott ion töltésállapotának a meghatározására is. Erre szolgál a szintén elektrosztatikus eltérítésen alapuló töltésállapot-analizátor és az ionok detektálására szolgáló, mozgatható részecskedetektor. Ez utóbbi speciális abban a tekintetben, hogy igen gyors: másodpercenként több százezer ion számlálására alkalmas. A detektor szintén a csoportunk fejlesztőmunkájának eredménye [21]. A töltésállapot-analizátor és a részecskedetektor megépítése tette lehetővé például azt, hogy a fentiekben említett cusp-jelenséget elektronokkal rendelkező, úgynevezett strukturált lövedékekkel is vizsgálhassuk [22].

Végül szintén a különböző reakciócsatornák azonosítását segíti az ionizált és meglökött céltárgyatomok töltésállapotának meghatározására szolgáló repülésiidő-spektrométer (time-of-flight, TOF-spektrométer).

Az elektronspektroszkópiai módszerrel végzett vizsgálataink sora hosszú, itt csak címszavakban mutathatjuk be azokat. Az ütközés dinamikájára nyerhetünk információt az elsődlegesen kiütött elektronok folytonos energiaeloszlású spektrumjainak mérésével az emisszió szögének függvényében. Számos ilyen jellegű mérést végeztünk, amelyekkel kétszeresen (az elektron energiája és szöge szerinti) hatáskeresztmetszeteket határoztunk meg. Ezek között vannak olyan munkáink - például azok, amelyekben a lövedékből történő elsődleges elektronemissziót (az ún. elektronvesztési folyamatot) széles szögtartományban tanulmányoztuk -, amelyeket a mai napig gyakran említik az irodalomban mint az első ilyen jellegű méréseket [23, 24]. Egyes kísérleteinkben a szóródott lövedékrészecskék jellemzőit is mérve, háromszorosan differenciális hatáskeresztmetszeteket is sikerült meghatároznunk [20, 25]. Ezek iránt igen nagy volt az elméleti érdeklődés. Ez azzal magyarázható, hogy minél árnyaltabb, részletesebb információt nyújt egy mérési eredmény egy adott jelenségről, annál hatékonyabban ellenőrizhetők általa az egyes elméleti modellek - szemben az integrális mennyiségekkel, amelyek származtatásánál a különböző elméleti közelítések közötti különbségek gyakran kiátlagolódnak, összemosódnak.

A csoport által kifejlesztett elektronspektrométerek kitűnő energiafeloldása révén a dinamikai vizsgálatok mellett atomszerkezeti kutatásokat is végeztünk. Elektron-, proton- és He⁺-ionbombázással nemesgázatomokból kiváltott Auger-elektronok energiaspektrumainak megmérésével és újszerű kiértékelésével pontos átmeneti energiákat és elágazási viszonyokat határoztunk meg és hasonlítottunk össze különböző atomszerkezeti számítások eredményeivel (lásd pl. [26]). A jó energiafeloldás azt is lehetővé tette, hogy egyes Auger-vonalak szögeloszlásának mérésével meghatározzuk az illető gerjesztett állapot beállítódási paraméterét (lásd pl. [6, 27]). Ehhez kapcsolódóan értékes eredményként megemlítjük, hogy kétszeresen ionizált elektronállapotokra is sikerült meghatároznunk az úgynevezett anizotrópiaparaméter értékét [28] (ez az a mennyiség, amely megmutatja, hogy egy gerjesztett állapot töltésfelhőjének aszimmetriája milyen mértékben tükröződik az Auger-vonal anizotróp szögeloszlásában).

Ugyancsak a jó energiafeloldás tette lehetővé, hogy a többszörös ionizáció jelenségére sokkal árnyaltabb információkhoz jussunk, mint amilyeneket az addig általánosan használt röntgenspektroszkópiai módszerrel kaptak. Ezekről a vizsgálatainkról korábban szintén részletesen beszámoltunk a Fizikai Szemlében [5, 6, 10]. A vizsgálati módszer elve az, hogy amennyiben egy belső atomi héj ionizációja mellett az atom egy vagy több külső héja is ionizálódik, a belső héjon lévő lyuk Auger-bomlása kissé eltérő körülmények között megy végbe ahhoz az esethez képest, amikor a külső héjakon nincs változás. Ekkor a "normális" Auger-vonal (diagramvonal) mellett egy szatellitvonal jelenik meg, amelynek energiája függ attól, hogy melyik külső héj ionizálódott és hányszorosan. Egy ütközésben - különösen nehézion-lövedékek esetén nagyszámú gerjesztett elektronkonfiguráció alakulhat ki, ami sok szatellitvonal megjelenéséhez vezet az elektronspektrumban. A spektrum analízisével kétféle típusú információ nyerhető. Egyrészt a szatellitvonalak energiái, elágazási viszonyai atomszerkezeti szempontból jelentenek fontos adatokat, másrészt a szatellitvonalak intenzitáseloszlásából következtetni lehet arra, hogy egy adott ütközésben egy külső héj milyen valószínűséggel ionizálódik a belső héjjal egyidejűleg. Csoportunk a többszörös ionizációra szisztematikus méréssorozatot végzett, elsősorban Ne céltárgy esetén, a K Auger-elektron spektrum analízisével [29-31]. A gerjesztő részecskék protonok és különböző töltésű Ne- és Ar-ionok voltak. Ez utóbbi nehézionokkal a dubnai EAI U300-as ciklotronjának nyalábján történtek a mérések egy többéves dubnai program részeként az 1980-as években. Ezeknek a méréseknek az eredménye több száz új Auger-vonal megfigyelése, valamint az ütközési dinamikára vonatkozóan az a konklúzió, hogy a függetlenrészecske kép jól alkalmazható a többszörös ionizáció leírására ezekben az ütközésekben. A kísérleti eredmények interpretálására akkor kifejlesztett, egyszerű fizikai meggondolásokon alapuló, de ugyanakkor nagyon hatékony geometriai modellt [32] a mai napig a világ számos laboratóriumában használták a lyukkeltési valószínűségek maghatározására atomi ütközésekben.

A csoport egy további fontos kutatási tematikája volt az ütközés utáni kölcsönhatás (post-collision interaction, PCI) jelenségének felderítése. A fentiekben említettük, hogy az ütközési folyamatok és az ütközésben létrejött gerjesztett állapotok bomlása (a relaxáció) időben jól szétválasztható folyamatok. Ez természetesen csak egy - az elméleti tárgyalást nagyon megkönnyítő - feltételezés, amelyet kísérletileg ellenőrizni kell. Itt arra lehet gondolni, hogy például egy töltött részecske által kiváltott belsőhéj-ionizációt követő Auger-folyamatban a kibocsátott elektrontól az emisszió pillanatában még nincsenek nagyon távol az ütközésből távozó, prompt töltött részecskék (a kiütött elektron és a szórt bombázó részecske), így köztük és az Auger-elektron közötti kölcsönhatás - a Coulomb-erő hosszú hatótávolsága miatt - nem elhanyagolható. Ez a PCI-hatás természetesen függ az állapot életidejétől: nagyon sokáig élő (metastabil) állapot esetén az Auger-elektron átlagosan nagy késéssel "indul el" az atomból, így a hatás elhanyagolható. Másfelől nagyon lassú ütközésekben nagy PCIeffektus várható, hiszen a lövedék az emisszió pillanatáig csak kis mértékben távolodik el az atomtól. Ezzel magyarázható, hogy a PCI-t először lassú ütközésekben figyelték meg. A PCI elsősorban az Auger-vonal alakjának torzulásában és energiájának eltolódásában nyilvánul meg. Csoportunk jelentős eredménye ezen a területen, hogy elsőként hívta fel a figyelmet arra, hogy az effektus gyors ion-atom ütközésekben is jelentős szerepet játszhat az Auger-folyamatban [33]. Ugyancsak elsőként mutattuk ki, hogy igen erős, szingularitást okozó PCI lép fel nyalábirányban annál az ionsebességnél, amely megegyezik az Auger-elektronok sebességével [34, 35]. A hatás ilyenkor nemcsak a vonalalak-torzulást és energiaeltolódást idéz elő, hanem jelentősen megváltoztatja az Auger-vonal intenzitását is [36]. Ez utóbbi jelenség az úgynevezett Coulomb-fókuszálási mechanizmussal magyarázható.

Az elektronspektroszkópiai módszerrel végzett vizsgálataink sorát két, napjainkban is folyó kutatás ismertetésével zárjuk. Az egyik témakörben a tanulmányozott jelenség az ionok és atomok ütközéseiben szabaddá váló elektronok egymást követő - a pingpongjátszmához hasonló - többszörös ütközései a lövedékionnal és a céltárgyatom magjával [37, 38]. A folyamat lényege az, hogy az elektron a céltárgyatom felé közelítő nehéz lövedékkel sorozatosan ütközve attól energiát nyer, és így egyre nagyobb sebességekre gyorsul fel. A mechanizmus hasonló ahhoz, mint amelyet Fermi javasolt a nagyenergiájú kozmikus sugárzás eredetének egy lehetséges magyarázataként. Feltételezése szerint a világűrben található gyenge, ám hatalmas kiterjedésű mágneses terek - amikor azok éppen szemben mozognak gyorsíthatják fel a töltött részecskéket. Míg a Fermi-féle részecskegyorsítási folyamat létezését ion-atom ütközésekben kétszeres szórás esetén a mi munkánkat megelőzően már kimutatták, az első háromszoros (lövedék-céltárgy-lövedék) és négyszeres (lövedék-céltárgy-lövedék-céltárgy) elektronszórási sorozatokat az ATOMKI Van de Graaff-gyorsítója mellett nekünk sikerült megfigyelnünk először szénionoknak xenonatomokkal történő ütközéseiben a nagy energiával kilépő elektronok spektrumában.

Egy másik témakörben fotont használunk mint gerjesztő részecskét. Erre a célra legalkalmasabb szinkrotront használni sugárforrásként. A szinkrotron nagy előnye más sugárforrásokkal szemben a hangolható energia (monokromátor alkalmazásával), a polarizáltság, valamint a nagy fotonintenzitás. Ezeket a vizsgálatokat a svédországi Lundban lévő MAX-2 szinkrotron fotonnyalábján, az 5. ábrán látható újszerű, elektron-elektron koincidenciamérésre alkalmas elektronspektrométerrel végezzük az Oului Egyetem (Finnország) kutatóival együttműködve. Az eredmények közül itt azt mutatjuk be, amelyre csoportunk a Xe 5s héjáról fotoionizációval emittált elektronok szögeloszlására kapott [39]. A 6. ábra baloldalán a fotoelektron intenzitáseloszlásának kördiagramját láthatjuk az emisszió szögének függvényében, 150 eV fotonenergiánál. Mivel az emisszió szimmetriáját elsősorban a fotonnak a nyalábirányra merőleges polarizációs vektora határozza meg, az emisszió szögét célszerű ez utóbbi irányhoz viszonyítani. A pontok a mért intenzitások, a görbe pedig a kísérleti adatokhoz illesztett elméleti szögeloszlásfüggvény. Látható, hogy a szögeloszlás alapvetően dipóljellegű, azonban nem teljesen szimmetrikus a polarizációs vektor körül, hanem mutat egy kismértékű előre-hátra aszimmetriát. A nem dipól járulék nagyságát kifejező -paraméter függése a fotonenergiától az 5. ábra jobb oldalán látható. A -paraméter rezonanciaszerű változása a fotonenergia függvényében sokelektronos korrelációs effektusok jelenlétére utal.

Kísérleti tevékenységünk áttekintésénél szólnunk kell még a nagy lefosztottságú ionok előállítására alkalmas elektron-ciklotronrezonancia (ECR) ionforrás kifejlesztéséről [40] és a hozzá kapcsolódó vizsgálatokról. Erre a fejlesztőmunkára az elmúlt évtizedben került sor, és sikeresen végződött: a megépített ionforrás nemzetközi viszonylatban kiemelkedő paraméterekkel rendelkezik. A berendezésen már a fejlesztés és optimalizálás szakaszában komoly érdeklődést kiváltó plazmafizikai vizsgálatok folytak (és folynak napjainkban is), és elkezdődtek az ionforrás alapkutatási alkalmazásai is. Érdekes példaként említjük azokat a kutatásokat, amelyek célja nitrogénatomok nagy hatásfokkal történő bejuttatása a futball-labda alakú C₆₀ fullerénmolekulák belsejébe [41].

6. ábra. A Xe 5s héjának fotoionizációjára kapott mérési eredmények

A fentiekből is láthatóan a csoport tevékenysége elsősorban kísérleti jellegű. Ugyanakkor a kísérleti eredmények interpretációja, megértése sokszor szükségessé tette elméleti leírások, modellek kidolgozását is. A csoport elméleti tevékenysége így szorosan kapcsolódott a kísérleti munkához, de sok esetben - már csak sikeressége miatt is - attól elszakadva, önálló elméleti kutatások végzését is jelentette. A kidolgozott különböző elméleti módszerek, modellek részletes ismertetésére itt nincs lehetőségünk, csak vázlatosan említjük azokat:

• Síkhullámú Born-közelítés (PWBA).

• Félklasszikus közelítés (SCA).

• Csatolt-csatornás modell az L-alhéjak ionizációjának leírására.

• Programok a Coulomb- és árnyékolt Coulomb-potenciál mátrixelemeinek meghatározására.

• Folytonosan torzított hullámú közelítés.

• Geometriai modell a többszörös ionizáció leírására.

• Klasszikus pályaszámításon alapuló Monte Carlo-modell.

Egyik-másik elméleti munkánknak komoly nemzetközi visszhangja volt. Példaként említem a gerjesztés, ionizáció és elektronbefogás leírására a folytonosan torzított hullámú közelítés (continuum distorted wave, CDW) keretein belül kifejlesztett modellt (lásd pl. [42]). Az ionizációra megírt CDW számítógépprogramot a világ számos laboratóriumában használják az atomi ütközésekben emittált elektronok folytonos energiaspektrumának kiszámítására.

Berényi Dénes kezdeményezte és évtizedeken át szervezte A gyors ion-atom ütközések nemzetközi műhelye című konferenciasorozatot. Ez a terület világszerte legkiválóbb tudósait összehozó konferenciasorozat 1981-ben indult, és háromévente került megrendezésre. Az idén már a nyolcadikat szervezzük. A debreceni atomfizikai kutatások komoly elismerését jelentette, hogy 1993-ban mi rendezhettük meg a terület egyik legjelentősebb konferenciáját, az International Conference on X-Ray and Inner-Shell Processes című konferenciát.

Említésre méltó még a csoport oktatási tevékenysége. Többen tartottunk, illetve tartunk a Kossuth Lajos Egyetemen (Debreceni Egyetemen) speciális kollégiumokat, laboratóriumi gyakorlatokat, PhD-kurzusokat. Szívesen vállalunk tudományos diákkörösök, diplomamunkások, doktoranduszok foglalkoztatását. A csoportban az elmúlt harminc év során 12 diplomamunka és szakdolgozat, valamint 13 egyetemi doktori, illetve PhD-disszertáció született. Nyolcan közülünk kandidátusi, öten akadémiai doktori címet szereztek.

Eredményeink jelentős része nemzetközi együttműködésben született. Ez - különösen a kezdeti időkben - elsősorban Berényi Dénesnek volt köszönhető, aki nagy figyelmet szentelt a nemzetközi kapcsolatok kialakítására. Csoportunk elsősorban azokat az együttműködéseket tartotta értékesnek, amelyekben a külföldi partnerrel egyenrangú szerepünk volt, például saját mérőberendezéssel vettünk részt a munkában. Az együttműködéseknek csak a felsorolása nagyon hosszú lenne, itt csupán kettőt említünk meg. Egyik legrégibb és legeredményesebb kapcsolatban a Kiotói Egyetemmel (lásd az 1. és 2. képet) állunk. Másik hosszít, körülbelül húsz évig tartó együttműködésünk a frankfurti J.W. Goethe Egyetem Magfizikai Intézetének munkatársaival volt, akikkel nagyon szép eredményeket értünk el az atomi ütközésekben emittált elektronok vizsgálatában. Ez utóbbi azért is volt emlékezetes, mert két esetben elektronspektrométert is kiszállítottunk a frankfurti intézetbe a közös mérésekhez.

2. kép. Prof Szakae Simizu (Kiotói Egyetem, Japán) és Berényi Dénes

<>

Végül a három évtized eredményeinek bemutatásához tartozik azok nevének felsorolása, akik a munkában részt vettek.

Jelenlegi és volt munkatársaink: Berényi Dénes, Biri Sándor, Cserny István, Gáll Ferenc, Gulyás László, Hock Gábor, Kádár Imre, Kiss Károly, Kövér Ákos, Orbán Andrea, Papp Tibor, Pálinkás József, Ricz Sándor, Sarkadi László, Schlenk Bálint, Sulik Béla, Szabó Gyula, Takács Endre, Török István, Tőkési Károly, Valek Aladár, Varga Dezső, Vatai Endre, Vámosi János, Végh János, Végh László.

Diplomamunkások, doktoranduszok: Andó László, Báder Attila, Cserny Katalin, Daróczy Péter, Herbák János, Kenéz Lajos, Koncz Csaba, Lugosi László, Nábrádi Péter, Paripás Béla, Redler László, Ricsóka Ticia, Szabó Csilla, Szmola Ernő, Tóth László, Suta Tibor, Vajnai Tibor, Végvári Zsolt, Víkor György, Víkor Ljiljana, Závodszky Péter

1. S.A.H. SEIF EL NASR, D. BERÉNYI, GY. BIBÓK - Z. Phys. 267 (1974) 169
2. S.A.H. SEIF EL NASR, D. BERÉNYI, GY. BIBÓK - Z. Phys. 271(1974) 207
3. BERÉNYI D. - Fiz. Szemle 21 (1971) 199
4. BERÉNYI D. - Fiz. Szemle 31 (1981) 241
5. VARGA D. - Fiz. Szemle 35 (1985) 13
6. PÁLINKÁS J. - Fiz. Szemle 38 (1988) 304
7. SARKADI L. - Fiz. Szemle 40 (1990) 55
8. SARKADI L. - Fiz. Szemle 48 (1998) 363
9. KÖVÉR Á., RICZ S., VARGA D. - Fiz. Szemle 48 (1998) 366
10. SULIK B., KÁDÁR L, VÉGH J. - Fiz. Szemle 48 (1998) 374
11. K.-O. GROENEVELD - Fiz. Szemle 48 (1998) 357
12. J. PÁLINKÁS, R. SCHUCH, H. CEDERQUIST, O. GUSTAFSSON - Phys. Rev. Lett. 63 (1989) 2464
13. E. KOLTAY, D. BERÉNYI, I. BORDÉLY-KISS, S. RICZ, G. HOCK, J. BACSÓ Z. Phys. A 278 (1976) 299
14. T. MUKOYAMA, L. SARKADI, D. BERÉNYI, E. KOLTAY - J. Phys. 13: At. Mol. Phys. 13 (1980) 2773
15. J. PÁLINKÁS, L. SARKADI, B. SCHLENK - J. Phys. B: At. Mol. Phys. 13 (1980) 3829
16. L. SARKADI, J. BOSSLER, R. HIPPLER, H.O. LUTZ - J. Phys. B: At. Mol. Phys. 16 (1983) 71
17. L. SARKADI, J. BOSSLER, R. HIPPLER, H.O. LUTZ - Phys. Rev. Lett. 53 (1984) 1551
18. S. RICZ, Á. KÖVÉR, M. JURVANSUU, D. VARGA, J. MOLNÁR, S. AKSELA - Phys. Rev. A 65 (2002) 2707
19. L. SARKADI, J. PÁLINKÁS, Á. KÖVÉR, D. BERÉNYI, T. VAJNAI - Phys. Rev. Lett. 62 (1989) 527
20. Á. KÖVÉR, G. LARICCHIA - Phys. Rev. Lett. 80 (1998) 5309
21. Á. BÁDER, L. SARKADI, GY. HEGYESI, L. VIKOR, J. PÁLINKÁS - Meas. Sci. and Techn. 6 (1995) 959
22. Á. KÖVÉR, L. SARKADI, J. PÁLINKÁS, D. BERÉNYI, GY. SZABÓ, T. VAJNAI, O. HEIL, K.-O. GROENEVELD, J. GIBBONS, I.A. SELLIN - J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 22 (1989) 1595
23. Á. KÖVÉR, D. VARGA, GY. SZABÓ, D. BERÉNYI, I. KÁDÁR, S. RICZ, J. VÉGH, G. HOCK - J. Phys. B: At. Mol. Phys. 16 (1983) 1017
24. Á. KÖVÉR, GY. SZABÓ, L. GULYÁS, K. TŐKÉSI, D. BERÉNYI, O. HEIL, K.-O. GROENEVELD - J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 21 (1988) 3231
25. L. SARKADI, U. BRINKMANN, A. BÁDER, R. HIPPLER, K. TŐKÉSI, L. GULYÁS - Phys. Rev. A 58 (1998) 296
26. GY. VÍKOR, L. TÓTH, S. RICZ, Á. KÖVÉR, J. VÉGH, B. SULIK - J. of Electr. Spectr. Rel. Phen. 83 (1997) 235
27. L. TÓTH, GY. VÍKOR, S. RICZ, P. PELICON, R. MILLER - Nucl. Instrum. Methods B 86 (1994) 151
28. N.M. KABACHNIK, J. TULKKI, H. AKSELA, S. RICZ - Phys. Rev. A 49 (1994) 4653
29. I. KÁDÁR, S. RICZ, V.A. SCHEGOLEV, B. SULIK, D. VARGA, J. VÉGH, D. BERÉNYI, G. HOCK - J. Phys. B: At. Mol. Phys. 18 (1985) 275
30. S. RICZ, I. KÁDÁR, V.A. SCHEGOLEV, D. VARGA, J. VÉGH, D. BERÉNYI, G. HOCK, B. SULIK - J. Phys. 73: At. Mol. Phys. 19 (1986) L411
31. I. KÁDÁR, S. RICZ, J. VÉGH, B. SULIK, D. VARGA, D. BERÉNYI - Phys. Rev. A 41 (1990) 3518
32. B. SULIK, G. HOCK, D. BERÉNYI - J. Phys. B: At. Mol. Phys. 17 (1984) 3239
33. S. RICZ, I. KÁDÁR, J. VÉGH - Nucl. Instrum. Methods B 40 (1989) 77
34. L. SARKADI, T. VAJNAI, J. VÉGH, Á. KÖVÉR - J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 24 (1991) 1655
35. E. TAKÁCS, L. SARKADI, S. RICZ, B, SULIK, L. TÓTH - J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 24 (1991) L381
36. GY. VÍKOR, S. RICZ, B. SULIK, L. TÓTH, Á. KÖVÉR, J. VÉGH - J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 29 (1996) L787
37. B. SULIK, CS. KONCZ, K. TŐKÉSI, A. ORBÁN, D. BERÉNYI - Phys. Rev. Lett. 88 (2002) 073201
38. SULIK B. - Fiz. Szemle, megjelenés alatt
39. S. RICZ, R. SANKARI, Á. KÖVÉR, M. JURVANSUU, D. VARGA, J. NIKKINEN, T. RICSÓKA, H. AKSELA, S. AKSELA - Phys. Rev. A 67 (2003) 2712
40. BIRI S., PÁLINKÁS J., BERÉNYI D. - Fiz. Szemle 44 (1994) 89
41. S. BIRI, A. VALEK, L. KENÉZ, A. JÁNOSSY, A. KITAGWA - Rev. Sci. Instrum. 73 (2002) 881
42. L. GULYÁS, P.D. FAINSTEIN, A. SALIN - J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 28 (1995) 245

__________________________________

Elhangzott az MTA Fizikai Osztály Atom- és Molekulafizikai valamint Atommagfizikai Bizottságának közös ülésén, 2004. január 14-én.