RÖNTGENSUGÁRZÁS ÉS BELSŐHÉJ-FOLYAMATOK

Újabb eredmények az X'93 (1993. június 12-16.) nemzetközi konferencián

Berényi Dénes
Debreceni Universitas,
ATOMKI, Debrecen

A konferenciáról általában

Az “X-konferenciasorozat" interdiszciplináris jellegű. A sorozat két másik konferenciasorozat fúziójából jött létre, amelyek közül az egyik a röntgensugárzási jelenségekkel, a másik az atomi belsőhéj jelenségeivel foglalkozott. De interdiszciplinárisnak tekinthető mindenekelőtt azért, mert a belsőhéjon a hiányhelyeket különböző módon lehet létrehozni. Évtizedekkel ezelőtt ez csak radioaktív bomlások segítségével történhetett. Manapság azonban nemcsak elektron- és ionforrásokat, valamint magfizikai gyorsítókat használnak erre a célra, de szinkrotron-sugárforrásokat és tárológyűrűket is. Bár a szóban forgó konferencia nem tartozik sem a speciálisan szinkrotron sugárzással vagy a tárológyűrűkkel foglalkozó konferenciákhoz, sem azokhoz, amelyeknek a tárgya az atomi ütközési jelenségek legújabb eredményeinek bemutatása és megvitatása, mégis mindezek bizonyos szempontból a debreceni konferencia tárgyát képezték.

Az interdiszciplinaritás még egy szempontból is megjelent. A szóban forgó területnek meglehetősen szoros kapcsolata van a biológia és az orvostudomány bizonyos ágaival, valamint az anyagtudomány, illetve a kémiai analízis modern módszereivel. Így ez utóbbi területeken használt legújabb technika, amelyik a röntgensugárzási és a belsőhéj-folyamatok jelenségeivel kapcsolatos, szintén tárgya a konferenciának, nemcsak az újonnan kifejlesztett legújabb módszerek, de - bizonyos fokig - a velük elért legújabb eredmények is.

A szóban forgó nemzetközi konferenciák a röntgen- és belsőhéj-folyamatokról három évenként kerülnek megrendezésre (korábban két év volt a szokásos intervallum). Az előző ilyen konferencia (X'90) Knoxvilleben (Tennessee, USA) volt, az azt megelőző pedig Párizsban (X'87).

A X'93 programjában mindenekelőtt négy plenáris ülés kapott helyet, mindegyikben két-két felkért előadó által tartott előadással. Ehhez csatlakozott egy Szinkrotron Szimpózium három plenáris előadással, és a “hot topics session" (a “forró témáknak" szentelt ülés) hat előadása. A “progress report"-ok hét-hét párhuzamos ülésen kerültek sorra. Ezeken az előadások csoportosítása ügy történt, hogy az egyik hetes csoportba kerültek az inkább röntgensugárzási területhez tartozó előadások, a másikba azok, amelyek elsősorban a belsőhéj-jelenségekkel foglalkoztak. Mindezeket kiegészítette három “poster session", amelyeken összesen mintegy kétszáz poszter került bemutatásra.

A konferencia megemlékezéssel kezdődött. H. Genz (Darmstadt) részletesen méltatta a 27 évvel ezelőtt Debrecenben rendezett nemzetközi konferenciát (“Conference on the Electron Capture and Higher Order Processes in Nuclear Decays, Debrecen, July 15-18, 1908"), mint az “X-konferenciasorozat" egyik előfutárát.

Az X'93 programja, amint ez ennél a konferenciánál szokásos, egy úgynevezett “key-note talk"-kal (“kulcsfontosságú bevezető előadás") kezdődött. Az előadó T Áberg (Helsinki) volt. Elsősorban az atomi belsőhéjak kutatásának fő irányait mutatta be. Az elektronrelaxáció és a pontenciálgátak kérdéskörét központi kérdéseknek tekintette a röntgen- és a belsőhéj-folyamatok interpretációjában. Hangsúlyozta a belsőhéj-kutatás szerepét a fizika bizonyos fundamentális kérdéseinek megválaszolásában. Ilyen például a kvantummechanika klasszikus határának tanulmányozása más hasonló kérdésekkel együtt.¹

A röntgensugárzás kutatása

A röntgensugárzás területén elért eredmények közül mindenekelőtt a röntgensugár-forrásokkal kapcsolatosakat kell megemlítenünk. E források közül vannak olyanok, amelyekből az emittált elektromágneses sugárzásnak csak egy része esik a röntgentartományba, mint például a szinkrotron-sugárforrások. H. Winnick (Stanford, CA) és R. Rosei (Trieszt) ez utóbbiakkal kapcsolatos haladásról illetve tervekről adott áttekintést. Napjainklan a világ több mint negyven laboratóriumában állnak rendelkezésre (vagy foginak rendelkezésre állni a közeljövőben) ilyen sugárforrások. Ezek központi egysége; mint ismeretes, egy nagy energiájú (néhányszóz MeV-től több mint 10 GeV-ig) elektron-tárológyűrű. Érdemes megemlíteni, hogy ezek közül a legújabbak és a legnagyobbak a következők: ESRF (6 GeV) Grenoble-ben, APS (7 GeV) Argonne-ban, SPring-8 (8 GeV) Kyotóban, ALS (1,5 GeV) Berkeley-ben és az ELETTRA (2 GeV) Triesztben. Ezek mind úgynevezett harmadik generációs szinkrotron-sugárfonások.

A röntgensugárzás másik új forrása az elektronnyalábok csatornasugárzási jelenségén alapul (H. Genz, Darmstadt és W Knüpfer, Erlangen). Ezt felhasználva hangolható, kvázi-monokromatikus röntgensugár-forrósok állnak rendelkezésre, amelyek paraméterei bár szerényebbek, mint a szinkrotronsugárzásé, ugyanakkor ezek a berendezések egyszerűbbek és olcsóbbak, és mégis számos feladat elvégzésére alkalmasak.

Meg kell említeni a biológiai kutatás azon eredményeit, amelyek ezzel a technikával értek el (J. Kirz, Stony Brook, Ny; I.J. Clifton, Oxford; A.K. Ray-Chaudhuri, Wisconsin MD). Lágy röntgenmikroszkóp felhasználásával, 50 nm-es feloldást elérve tisztázni lehetett egyes kromoszómák szerkezetét.

Számos más területen is az eredmények szinkrotronsugárzás felhasználásával kapcsolatosak, így a szabadelektron-lézerfejlesztésnél (FEL). (Bemutattak például egy hangolható 1 nm hullámhosszú és 1 ps impulzushosszúságú hangolható 10 Gwatt-os szabadelektron-lézert: C. Pellegrini, Los Angeles CA). Molekuláris (F.P. Larkins, Melbourne; M. Domke, Berlin) és atomi (B. Sonntag, Hamburg) szerkezet kutatásoknál a szinkrotronsugárzás szintén új utakat nyitott. S.H. Southworth röntgenemissziónál (Gaithersburg, MD) rezonánsan gerjesztett molekulákban erős polarizációs és anizotrópia effektusokat észlelt. Felületek és szilárd testek speciális tulajdonságainak (például mágneses karakterisztikák) kutatásáról is beszámoltak (F.V. Hillebrecht, Düsseldorf; E.J. Nordgren, Uppsala; G. Krill, Párizs). Számos poszter és “hot topics" előadás foglalkozott a szinkrotronsugárzás alkalmazásával fotoelektron-spektroszkópiában. Egy érdekes folyamatot: az ionok belsőhéjának fotoionizációját F. Wuilleumier (Párizs) tekintette át.

A programban jelentős helyet foglalt el a röntgensugárzás kölcsönhatásainak a vizsgálata szilárd testekkel és a röntgenemisszió szilárd testekből. B. Wästberg (Göteborg) és A.W. Castleman (University Park, PA) az anyagtudomány egyik legaktuálisabb kérdéséről, nevezetesen a “cluster"-ekről (rendezett anyagcsomók) tartottak előadást. Beszámoltak a C₆₀ és más “cluster"-ek röntgenabszorpciójáról és fotoionizációjáról, továbbá a van der Waals “cluster"-ek sokfotonos ionizációjáról. J. Kawai (Kyoto) előadásának a tárgya viszont átmeneti fémvegyületek (V₂O₃) nagyfeloldású röntgen-spektroszkópiai vizsgálata volt. J.M. Esteva et al. (Párizs) posztere Na “cluster"-ek K-él abszorpciós vizsgálatai eredményét mutatta be.

Az előadások közül nem egy igen érdekes, különleges jelenségek kutatásával, illetve azok eredményeivel foglalkozott. Kétségtelenül ilyen volt L.M. Simons (Villigen) előadása az egzotikus atomokban (olyan atomi rendszerek, amelyeknek a belsőhéján negatív müon, pion, antiproton stb. helyezkedik el) lejátszódó röntgen-átmenetekről. Ezekből a kutatásokból igen fontos információ nyerhető a mag alakjáról vagy a kvantumelektrodinamikai (QED) korrekciókról a müon, pion stb. tömegére vonatkozólag. Ugyanezt a témát tárgyalta Horváth Dezső előadása (Budapest és Pisa), megmutatva többek között az egzotikus atomokból emittált röntgensugárzás tanulmányozásának fontosságát mind az atom-, mind a magfizikában, továbbá a fizika több más alapvető kérdése szempontjából (vákuumpolarizáció, paritássértés stb). R. Hippler a Bielefeld-i Egyetemről a leptonbecsapódás hatására kilépő folytonos (nem karakterisztikus) röntgensugárzásban elért eredményeket mutatta be. Beszámolt az elektronok és pozitronok által kiváltott sugárzás spektrumának különbségéről, a két-fotonos fékezési sugárzásról, a stimulált emisszióról és abszorpcióról. E vizsgálatokban a Giessen-i Egyetem TEPOS pulzált lassú pozitron-forrósát használták fel.

A “hot topics" ülés keretében érdekes áttekintést kaptunk a röntgenoptikában bekövetkezett legújabb haladásról: a kollimáló, monokromatizáló és analizáló egységekről. Kiderült, hogy főleg a röntgensugárzás alkalmazásainak négy területén gyors a haladás: a kontakt-, leképző, a pásztázó mikroszkópia technikájában, továbbá a holográfiában.

Belső atomhéjak

Belsőhéj-hiányhelyek létrehozásában a legfontosabb új berendezések a nehézion-tárológyúrűk, a nehézionforrások és az ioncsapdák.

A. Müller a Stuttgart-i Egyetemről áttekintést adott a legutóbbi években üzembehelyezett nehézion-tárológyűrűkről (TSR, Heidelberg; ASTRID, Aarhus; ESR, Darmstadt; CRYRING, Stockholm; LEAR, Geneva; TARN II, Tokyo; IUCF, Bloomington). Ugyancsak beszámolt azokról a legújabb kísérletekről, amelyeket ezeknek a berendezéseknek a felhasználásával végeztek el. Tároltak ionokat egészen U⁹²⁺-ig, de molekuláris ionokat, negatív ionokat, sőt a C₆₀ ionjait is.

J. Ullrich és munkatársai a GSI (Darmstadt) új nehézion szinkrotronját használták, szisztematikusan mérve a héliumra a kétszeres és egyszeres ionizáció viszonyát Ne, Ni és Kr teljesen lefosztott lövedékek esetében és a 80 MeV/nukleontól 1,5 GeV/nukleonig terjedő energiatartományban. Th. Stöhlker és munkatársai végezték el az első kísérleteket Darmstadtban az új nagyenergiájú nehézion-tárológyűrű (ESR) felhasználásával. Jó egyezést találtak a kísérleti és elméleti Lamb-eltolódásra vonatkozó érték között hidrogénszerű uránium esetében, amelyet 200-300 MeV/nukleon energiájú U⁹²⁺ ion nitrogén, illetve argonnal történt ütközésében állítottak elő.

Van számos más vizsgálat, amelyben szintén nehézionokat használtak belsőhéj-hiányhelyek létrehozására. Így A. Chetoui és munkatársai (Párizs) nagyon széleskörű együttműködés keretében a nehézionokkal történő K-héj gerjesztést tanulmányozták közbeeső sebességeknél. Megkísérelték a sokszorosan töltött ionok becsapódásánál fellépő telítési effektus értelmezését.

E. Lindroth (Göteborg-i Egyetem) számítások eredményeit mutatta be nehézelemek belsőhéj átmeneteire vonatkozóan nagyon széles Z-tartományban. Tíz különböző korrekciót alkalmazott és nagypontosságot ért el számításaiban (a pontosság általában sokkal jobb, mint 1 %).

Több munka számolt be nehézionok kölcsönhatásairól szilárd testekkel (felületekkel) és a megfelelő belsőhéj-effektusokról. D. Schneider és munkatársai (Livermore, CA) nanoméretű effektusokat figyeltek meg, amikor szigetelő felületeket lassú (300-tól 500 keV-ig) Kr³⁵⁺, Xe^44r+, Th^74r és U⁷⁰⁺ ionokkal sugároztak be az EBIT-ben (“elektronnyaláb-ioncsapda"). Az EBIT-et használta J.P. Briand (Párizs) a nemrégen felfedezett úgynevezett lyukas atomok vizsgálatára. Ez utóbbiak olyan atomok, amelyeknek sok hiányhelye van a belsőhéjakon, de a külső héjakon megvannak az elektronjaik. H.P. Winter a Bécs-i Műegyetemről fémfelületeket vizsgált ionforrásokból eredő lassú ionokat használva (visszalökött ionokat, amelyeket az UNILAC-ból, illetve az EBIT-ből nyert). H. Rothard (CIRIL, Caen) viszont a GANIL gyors nehézion-nyalábját használta. Érdekes eredmény ez utóbbi murkában az elektronemisszió észlelése és tanulmányozása olyan szilárdtest-mintából, amelyet gyors hidrogén-“cluster"-rel bombáztak. S. Bliman (Párizs) azokat a kétszeresen gerjesztett rendszerekre vonatkozó eredményeket tekintette át, amelyeket alacsonyenergiájú transzfer-ütközésekben figyeltek meg alacsonyenergiájú nehézion-nyalábokat használva. J Auleytner (Varsó) a nehézion-becsapódás hatására létrejött szerkezeti változásokat tanulmányozta félvezetőkben.

Meg kell említenünk, milyen gazdag azon jelenségek köre, amelyekkel a sokszorosan töltött nehézionok esetében a csatornahatás felhasználásával vizsgálhatunk (S. Andriamonje, GANIL, Caen). Többek között KLL Rezonancia Transzfer Gerjesztést figyeltek meg héliumszerű Xenon ionoknál (a 33-tól 43 MeV/nukleonig terjedő tartományban), meglehetősen jó egyezésben az elméleti előrejelzésekkel.

A kettős-elektronfolyamatok ion-atom ütközésekben és fotoionizációban, valamint ezen elektronok közötti korrelációk aktuális kutatási témák. Számos kísérleti és elméleti eredményt mutattak be (J.H. McGuire, New Orieans, LA; R. Ali, Manhattan, KA; W.G. Graham, Belfast; E. Weigold, Canberra; G. Stefani, Róma). Különösen érdekes eset a hélium kettős fotoionizációja (L.O. Anderson, Oak Ridge, TN; J Levin, Gaithersburg, MD), mert ez háromtest-jelenség.

Érdekes eredmények születtek olyan jelenségeknél is, amelyek vizsgálatához nem szükségesek különleges nagy berendezések (szinkrotron, tárológyűrű, vagy sokszorosan töltött nehézionokat kibocsátó ionforrás). W. Mehlhorn és V Schmidt (Freiburg/Br) vizsgálatait kell megemlítenünk az Auger-elektronokról. Az előbbi elektronbecsapódás esetén beállítódási (szögeloszlási) vizsgálatokat végzett Mg⁺(2p3/2), Ar⁺(2p3/2) és Zn⁺(3d3/2) állapotokra vonatkozólag az ionizálási küszöb közelében. Az utóbbi a fotoionizációt két különböző kísérleti megközelítésben vizsgálta: az Auger-elektronokat mind önmagukban, mind a kibocsátott fotoelektronokkal koincidenciában. A koinciáencia-relációk egyszerűsítik a komplex Auger-spektrumokat kvantitatív felületi analitikai vizsgálatokban is, amint arról S.M. Thurgate (Ausztrália) beszámolt.

Az előadások és poszterek elég jelentős csoportja foglalkozott különböző fotoelektron-spektroszkópiai eredményekkel. Például M. O. Krause (Oak Ridge, TN) az O és CI esetében autoionizációs rezonanciákra vonatkozó bizonyos eredményeket hasonlított össze nyílt- és zárthéjú atomok esetében. G. M. Bancroft (London, Ontario) vibrációs és ligandum-effektusokat tanulmányozott a molekulák törzsnívó-spektroszkópiája segítségével.

T. Mukoyama (Kyoto) plenáris előadása a sokelektronos átmenetekről röntgensugárzási és más belsőhéj-folyamatokról szólt. I. Orlic (Szingapúr) az L-héj ionizációs hatáskeresztmetszeteiről kísérleti adatokat gyűjtött egybe könnyűion-becsapódás esetében. Az adatokat elméleti számításokkal is összehasonlította, egyes esetekben 50 %-ig menő eltéréseket tapasztalva a kísérleti értékektől.

Végül A. I. Kassis (Boston, MA) előadását kell említeni, amely lényegében alkalmazott biológiai témáról szólt, nevezetesen az alacsonyenergiájú elektronok pozitív és negatív szerepéről (azaz terápiás és toxikus hatásáról), Ezek a biológiai szövetekben különböző röntgen- és belsőhéj-folyamatok hatására jönnek létre.

A konferenciát A. Bordenave Montesquieu (Toulouse) előadása zárta.

Zárómegjegyzések

Általános képet igyekeztem adni a konferenciáról impresszióim alapján, természetesen akarva-akaratlanul személyes szempontokkal. Minden bizonnyal voltuk olyan további igen értékes eredmények, amelyeket az X'93-an mutattak be, és nem említettem, illetve nem hangsúlyoztam ki eléggé. Mégis remélem, hogy a beszámoló nemcsak a konferenciáról - amelyen közel 250 résztvevő vett részt 29 országból - ad többé-kevésbé hiteles képet, de sikerült megmutatnia a legújabb eredményeket a fizikának ezen az érdekes és aktuális interdiszciplináris és metodológiai szempontból is sokszínű területéről. A plenáris előadások és a “progress report"-ok a Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, Section B egyik külön szerkesztett számában jelennek meg 1994-ben.

____________________________

A hazánkban tartott nemzetközi konferenciákról általában az ESEMÉNYEK rovatban szokott a Szemle rövid beszámolót közölni. Ez ez esetben is megtörtént (1993-as évf. 10. szám, 416. o.). Most részletesebben is bemutatjuk ennek a konferenciának a fizikáját is.