O poder de freamento de sólidos para íons em baixas velocidades é ainda muito pouco conhecido. Os modelos teóricos não permitem obtenção de resultados quantitativos confiáveis e portanto a maioria das previsões é obtida com procedimentos semi-empíricos. No caso específico de íons pesados, o grande número de combinações de íon incidente (Z1 e elemento freador (Z2) e a disponibilidade de poucos dados experimentais, fazem com que essas previsões tenham, em geral, grandes incertezas. Isto é particularmente verdadeiro na região de baixas velocidades (próximo e abaixo do pico de Bragg), devido as adicionais dificuldades de previsão do estado de ionização do projétil e da complicada dependência da força freadora dos detalhes da estrutura atômica do elemento freador.
Um preciso conhecimento do poder de freamento nessa região de velocidades se faz necessário em muitas técnicas e procedimentos experimentais, como implantação iônica, análise de superfícies, etc. Na física nuclear, por exemplo, a medida de vidas médias de estados nucleares na faixa de 0.1 a 2 ps aproximadamente, é normalmente realizada com a técnica de atenuação do efeito Doppler [1,2] (DSAM). Aqui, o conhecimento do poder de freamento como função da velocidade de recuo do núcleo excitado em um freador (em geral Au ou Pb) é utilizada para determinar a escala temporal para os núcleos que decaem enquanto são freados na matéria. Como a velocidade adquirida por esses núcleos resulta da cinemática da reação nuclear, seu valor inicial será, em geral, de alguns porcento da velocidade da luz. Para essa região de velocidades, uma das previsões semiempíricas mais divulgadas é a desenvolvida por Ziegler, Biersack e Littmark [3]. Embora em média essas previsões sejam confiáveis, em muitos casos específicos as discrepâncias podem ser muito grandes [4].
Recentemente, iniciamos o desenvolvimento de uma nova técnica para a medida do poder de freamento de íons pesados em sólidos, na região de baixas velocidades (v~1-4vo, onde vo é a velocidade de Bohr), bem como da distribuição angular dos íons emergindo do meio freador, após sofrer colisões elásticas múltiplas. Nesta técnica, um feixe primário de íons como 16O, 28Si, incide sobre um alvo fino de um elemento pesado, produzindo por espalhamento elástico, átomos do alvo recuando em baixas velocidades. Se o feixe primário espalhado é detectado em um ângulo fixo (por um pequeno detector de Si) os íons em recuo em coincidência cinemática com as partículas espalhadas irão constituir o feixe secundário, com energia muito mais baixa que a do feixe primário, e para o qual deseja-se estudar o processo de freamento em um sólido. A uma certa distância do alvo primário, no ângulo correspondente à direção do feixe secundário, uma folha do material freador pode ser colocada e retirada durante as medidas. Após o freador, um segundo detector de Si permite determinar a energia dos recuos (em coincidência com os projéteis do feixe primários espalhados no primeiro detector), com e sem a folha freadora, possibilitando portanto a medida direta de S(E)=dE/dx. Se este segundo detector pode se mover angularmente em relação à direção do feixe secundário, podemos também medir a distribuição angular do feixe secundário após sofrer múltiplas colisões elásticas, que é o processo dominante de perda de energia dos íons, em velocidades abaixo da velocidade de Bohr. A análise detalhada desta distribuição angular, feita com a simulação, por técnicas de Monte Carlo, dos processos envolvidos, permite obter informações sobre o potencial interatômico responsável por este tipo de interação.
Dados obtidos no desenvolvimento deste método mostram que os procedimentos descritos acima permitem determinar tanto o poder de freamento quanto características do potencial atômico blindado com boa confiabilidade, conforme mostrado nas figuras 1 e 2.
O presente projeto deverá ser desenvolvido no LAFN (Laboratório Aberto de Física Nuclear), num período não superior a 24 meses. O experimento a ser realizado não apresenta dificuldades especiais, sendo plenamente factível de desenvolvimento com o instrumental de que dispomos. Durante o primeiro ano o aluno deverá se concentrar nas disciplinas da pós-graduação, nos estudos complementares relacionados ao tema de seu trabalho e no aprendizado das técnicas que serão utilizadas em seu trabalho, bem como na confecção de componentes mecânicos para o arranjo experimental que será utilizado em suas medidas. No início do segundo ano, os preparativos para as medidas deverão estar concluídos, e os dados experimentais deverão ser obtidos. Grande parte do segundo ano será então dedicada à análise dos dados, complemento de estudos das teorias relacionadas com o tema de seu trabalho e elaboração da dissertação. Para a elaboração da dissertação de mestrado do Sr. Linares, propomos o desenvolvimento dos seguintes tópicos.
a) Desenvolvimento do equipamento experimental.
Para a realização das medidas, há necessidade do desenvolvimento de um sistema de posicionamento dos detectores, que permita um simples e preciso alinhamento dos mesmos em relação ao ponto de incidência do feixe primário no alvo (determinando o plano da reação). Nos experimentos iniciais que realizamos, componentes destinados a outras aplicações foram improvisadas, fazendo com que um longo tempo do experimento fosse utilizado no alinhamento e na verificação do correto posicionamento dos detectores. O sistema deve ainda permitir a utilização de um detector sensível à posição para o detector do feixe secundário, agilizando as medidas de distribuição angular.
b) Confecção de alvos e folhas freadoras.
Os alvos primários, de pequena espessura (~0,05-0,08 mg/cm2) devem ser produzidos por evaporação em vácuo. As folhas freadoras, sendo de espessura bem maior (~0.5-1.0 mg/cm2), em geral são produzidas por processo de laminação. Embora tenhamos no Laboratório técnicos especializados para a confecção desses alvos, o aluno deverá participar do processo de elaboração, com aprendizado dessas técnicas de fabricação de filmes finos.
c) Familiarização com o equipamento experimental.
Durante o desenvolvimento de seu mestrado, o estudante deverá participar de outros experimentos realizados por nosso grupo de pesquisa, quando receberá treinamento sobre o funcionamento e a utilização do acelerador, dos detectores, dos sistemas eletrônicos de tratamento de pulsos e controle lógico do experimento, da aquisição de dados, etc. Deverá também se familiarizar com os programas de análise de dados e de cálculos teóricos ou de simulação.
d) Realização das medidas
O estudante deverá realizar medidas tanto do poder de freamento quanto da distribuição angular, para pelo menos uma combinação feixe secundário/meio freador. As medidas de poder de freamento devem ser feitas numa ampla faixa de velocidades iniciais de recuo, com cerca de 10-12 pontos experimentais. As medidas de distribuição angular podem ser realizadas em apenas 1 ou duas energias iniciais de recuo. Todas essas medidas tomam cerca de 6 dias de acelerador, divididas em dois períodos de 3 dias cada. Como preparação para essas medidas, o estudante deverá participar da complementação das medidas iniciais que estamos desenvolvendo.
e) Elaboração da dissertação
A redação da dissertação deverá se estender por todo o segundo ano.
f) Atividades acadêmicas
Além das disciplinas regulares de pós-graduação, principalmente na fase inicial do programa, o aluno deverá dedicar uma apreciável fração de seu tempo no estudo dos mecanismos relacionados com os processos de freamento de íons pesados em sólidos, bem como leitura de artigos relacionados com o tema de seu trabalho.
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Mathematics Department, Macquarie University, Sydney.
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