Emisión electrónica e intercambio de carga en procesos de colisión de iones con blancos moleculares de interés biológico

Abstract

Esta tesis doctoral refiere al estudio de colisiones inelásticas entre iones y blancos de interés biológico, en un rango intermedio y alto de energías de impacto. Uno de los mayores desafíos del presente trabajo fue incorporar la correlación electrónica de manera explícita durante todo el proceso de colisión. Es por ello que la metodología elegida para realizar este estudio fue el Método de Trayectorias Clásicas Monte Carlo (CTMC), en la cuál es factible introducir de manera parcial la correlación electrón-electrón en sistemas multielectrónicos y, en consecuencia, determinar el papel que desempeña esta interacción en los procesos de remoción electrónica múltiple, tales como la ionización múltiple o la ionización con transferencia de carga. Sin embargo, una de las mayores limitaciones que presenta un tratamiento clásico es la autoionización de manera espuria de un blanco multielectrónico por efecto de la correlación electrónica. Para evitar este problema, en una primera etapa, se han implementado extensiones del método CTMC en colisiones de iones sobre He, a fin de evaluar el desempeño de distintos potenciales estabilizadores propuestos en la literatura. En función de la experiencia adquirida, se procedió a modelar colisiones de iones sobre moléculas de H2O. Este modelo se destaca por el hecho de que considera los electrones de valencia, así como también su estructura de equilibrio durante todo el proceso de colisión. Los resultados obtenidos han permitido analizar el rol que desempeña el proceso de ionización múltiple en la producción electrónica, y han servido de base para modelar colisiones con sistemas de interés en hadronterapia, como puede ser el caso de la molécula de uracilo. Las predicciones producidas por estos modelos para los procesos de ionización se han evaluado en términos de secciones eficaces a niveles total y diferencial (tanto simple como doble) y se han contrastado con los datos experimentales y resultados teóricos reportados en la literatura.

This work refers to the study of inelastic collisions between ions and biological targets, at an intermediate to high-impact energy range. One of the greatest challenges of this work was to explicitly incorporate the interelectronic correlation throughout the collision process. Therefore, the methodology chosen to perform this study was the Classical Trajectory Monte Carlo method (CTMC), in which it is possible to partially introduce electron-electron correlation in multi-electronic systems and, consequently, determine the role that this interaction plays in multiple electron removal processes, such as multiple ionization or transfer ionization. However, one of the greatest limitations of a classical treatment is the spu- rious autoionization of a multi-electronic target due to electronic correlation. To avoid this problem, in the first stage, extensions of the CTMC method have been implemented in ion-He collisions to evaluate the performance of different stabilizing potentials proposed in the literature. Based on the acquired experience, ion-H2O collisions were modeled. This model stands out because it considers valence electrons, as well as their equi- librium structure throughout the collision process. The obtained results have allowed us to analyze the role played by the multiple ionization processes in electronic production and have served as the basis for modeling collisions with systems of interest in hadrontherapy, such as the uracil molecule. The predictions produced by these models of the ionization processes have been evaluated in terms of total and differential cross sections (simple and double) and they have been compared to experimental data and theoretical results reported in the literature.