梁昌慧張小安李耀宗趙永濤肖國青

1)(咸陽師范學(xué)院物理系，咸陽712000)

2)(中國科學(xué)院近代物理研究所，蘭州730000)

(2009年1月1日收到;2009年11月7日收到修改稿)

129Xeq+激發(fā)Mo表面產(chǎn)生的X射線譜*

梁昌慧1)?張小安2)李耀宗1)趙永濤2)肖國青2)

1)(咸陽師范學(xué)院物理系，咸陽712000)

2)(中國科學(xué)院近代物理研究所，蘭州730000)

(2009年1月1日收到;2009年11月7日收到修改稿)

研究了高電荷態(tài)離子129Xeq+(q=25，26，27)入射金屬M(fèi)o表面產(chǎn)生的特征X射線譜.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在束流強(qiáng)度小于120 nA條件下，高電荷態(tài)離子129Xeq+可以激發(fā)Mo的L殼層特征X射線譜.單離子X射線相對產(chǎn)額可達(dá)10－8量級，特征X射線的相對產(chǎn)額隨入射離子的動(dòng)能和電荷態(tài)(勢能)的增加而增加.通過Mo原子的Lα1特征X射線譜，利用Heisenberg不確定關(guān)系對Mo原子的第M能級壽命進(jìn)行了估算.

高電荷態(tài)離子，X射線，產(chǎn)額，能級壽命

PACC:3450D，3220R，3270J

1. 引言

根據(jù)Bohr理論，原子的特征X射線是其內(nèi)殼層電子被激發(fā)產(chǎn)生空穴，其他電子填充該空穴時(shí)發(fā)射的.目前，產(chǎn)生的主要途徑有多種，利用X射線管中的快速陰極電子轟擊靶材料發(fā)射特征X射線是主要途徑之一，但其由單電荷態(tài)、高能(動(dòng)能為MeV量級)的重離子轟擊(如74W靶)產(chǎn)生的Kα-X射線的單離子相對產(chǎn)額也僅在10－14量級［1］.

經(jīng)典過壘模型(classical over-barrier model，COBM)表明，低速高電荷態(tài)離子(速度小于Bohr速度vBohr=2.19×106m/s)在其逼近金屬表面過程中，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到臨界距離Rc時(shí)，入射離子與金屬表面間的勢壘高度低于費(fèi)米面，金屬導(dǎo)帶的電子會(huì)共振電離或共振轉(zhuǎn)移到入射離子的高激發(fā)態(tài)，形成空心原子.空心原子通過自電離、俄歇過程等方式退激，發(fā)射大量的電子和特征X射線，并在fs時(shí)間內(nèi)將幾十到幾百keV的能量沉積在固體表面nm空間尺度范圍內(nèi)，使入射離子和靶原子激發(fā)和離化.截止目前，對高電荷態(tài)離子的勢能使靶原子激發(fā)的機(jī)理尚不清楚，因此，通過測量相互作用過程中空心原子發(fā)射的K，L和M的特征X射線，可以研究空心原子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和衰變過程，通過測量相互作用過程中靶原子發(fā)射的特征X射線，可以研究在高電荷態(tài)離子強(qiáng)場條件下電子轉(zhuǎn)移、靶原子內(nèi)殼層電子激發(fā)輻射的微觀機(jī)理［2—4］.

本文報(bào)道在蘭州重離子加速器國家實(shí)驗(yàn)室用低速高電荷態(tài)離子129Xeq+(q=25，26，27)轟擊金屬M(fèi)o表面，激發(fā)Mo原子的特征X射線譜，通過Mo原子的Lα1特征X射線譜，利用Heisenberg不確定關(guān)系對Mo原子的第M能級壽命進(jìn)行了估算，發(fā)現(xiàn)由于入射離子的能量增加和庫侖場的影響使得原子能級展寬，給能級壽命估算帶來影響.

2. 實(shí)驗(yàn)裝置和測量方法

圖1是實(shí)驗(yàn)平臺的示意圖.高電荷態(tài)離子129Xeq+由蘭州重離子加速器電子回旋共振離子源(the electron cyclotron resonance ion source，ECRIS)提供，束流在不同的電壓下引出，利用90°偏轉(zhuǎn)分析磁鐵將確定電荷態(tài)的離子引入原子物理實(shí)驗(yàn)平臺，然后經(jīng)過四極透鏡和光欄的聚焦準(zhǔn)直，離子進(jìn)入內(nèi)部具有電磁屏蔽功能的超高真空(約10－5mPa)靶室，與樣品表面相互作用.在本實(shí)驗(yàn)中，作用束流的束斑直徑可控制在5mm范圍內(nèi)，束流強(qiáng)度為nA量級，離子以45°方向斜入射于經(jīng)過表面凈化處理的化學(xué)純度為99.9%的Mo固體表面，其表面積為19mm×24mm，厚度為0.1mm.入射離子與固體表面相互作用所產(chǎn)生的X射線譜利用Si(Li)探測器進(jìn)行觀測.實(shí)驗(yàn)前利用標(biāo)準(zhǔn)的放射源241Am和55Fe對探測器進(jìn)行了刻度，其能量探測范圍為1—60 keV，當(dāng)X射線能量為5.89 keV時(shí)，能量分辨為0.16 keV，相對探測效率為93%.本實(shí)驗(yàn)中，探測器與入射束流方向成45°角，與靶表面垂直;探測口是厚度為0.05mm的Be窗.當(dāng)X射線能量為3 keV時(shí)，該Be窗的透射率約為83%.探測器口徑為10mm，距離靶點(diǎn)80mm，探測時(shí)間選為5400 s.

圖1 蘭州重離子加速器國家實(shí)驗(yàn)室ECR源原子物理實(shí)驗(yàn)平臺示意圖

3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1. 電荷態(tài)一定、動(dòng)能不同的離子激發(fā)的X射線譜

圖2(a)，(b)，(c)是動(dòng)能分別為400，500，600 keV的Xe27+與Mo表面相互作用產(chǎn)生的X射線譜，經(jīng)GaussAmp擬合(擬合函數(shù)為A為曲線的峰計(jì)數(shù)，頂點(diǎn)的坐標(biāo)為(xc，y0+A);w為曲線寬度)后的兩個(gè)峰位分別為1.59 keV左右和2.32413 keV，其中峰位為2.32413 keV的為Mo的Lα1特征X射線(對于X射線譜的識別，以美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局光譜數(shù)據(jù)庫(NIST Atomic Spectra Database)的數(shù)據(jù)為依據(jù)).而NIST Atomic Spectra Database公布的Mo的Lα1特征X射線是2.29316 keV，測量的結(jié)果與此相比略大，可能是Si(Li)探測器分辨率不高所致，但測量誤差僅為1.35%，證明實(shí)驗(yàn)值與理論值符合較好.

圖2(a)背景輻射較大，X射線峰計(jì)數(shù)為72; (b)背景輻射相對被抑制，峰計(jì)數(shù)為352;(c)峰計(jì)數(shù)增大到831，Mo-Lα1特征X射線明顯.從圖2可以明顯看出，Mo-Lα1特征X射線幅度隨著入射離子的動(dòng)能的增加而增加.

根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)條件和測量條件，并假定X射線發(fā)射是各向同性的，可以給出Xeq+作用于Mo表面的單離子X射線相對產(chǎn)額［5］

其中，C為總計(jì)數(shù)，N為總粒子數(shù)，q是入射離子的電荷態(tài)，Γ=2wGaussAmp轉(zhuǎn)換系數(shù)，是半高寬(單位:keV)，A是峰計(jì)數(shù)，Ibeam是用靶電流強(qiáng)度表示的束流強(qiáng)度(單位是nA).利用(1)式，可以計(jì)算出單離子X射線相對產(chǎn)額，動(dòng)能為350 keV的129Xe27+離子，X射線相對產(chǎn)額為0.19×10－8;動(dòng)能為600 keV的129Xe27+離子，X射線相對產(chǎn)額為5.05 ×10－8.圖3給出不同動(dòng)能的(350—600 keV)高電荷態(tài)離子129Xe27+離子入射Mo表面激發(fā)的X射線相對產(chǎn)額與入射離子的動(dòng)能關(guān)系圖，誤差為5%.從圖3可以明顯看出，X射線相對產(chǎn)額隨著入射離子的動(dòng)能的增加而增加，這是因?yàn)樵谙嗷プ饔眠^程中，隨著入射離子動(dòng)能的增加，入射離子激發(fā)靶原子內(nèi)殼層電子的概率增加，所以，X射線的相對產(chǎn)額增加.

圖3 單離子X射線相對產(chǎn)額與入射離子(129Xe27+)動(dòng)能的關(guān)系

3.2. 動(dòng)能一定、電荷態(tài)不同的離子激發(fā)的X射線譜

圖4(a)，(b)，(c)是動(dòng)能為600 keV的高電荷態(tài)離子129Xe25+，129Xe26+和129Xe27+入射Mo表面激發(fā)的X射線譜.峰位都為2.32413 keV，其中(a)峰計(jì)數(shù)為367;(b)峰計(jì)數(shù)為484;(c)峰計(jì)數(shù)為831.從圖4可以明顯看出，Mo-Lα1特征X射線幅度隨著入射離子電荷態(tài)(勢能)的增加而增加.

圖4 動(dòng)能為600 keV的129Xe25+(a)，129Xe26+(b)和129Xe27+(c)入射Mo表面激發(fā)的X射線譜

利用(1)式和圖4的數(shù)值，計(jì)算出動(dòng)能為600 keV、電荷態(tài)不同的Mo單離子X射線相對產(chǎn)額，并繪出動(dòng)能為600 keV的不同的高電荷態(tài)離子129Xe25+，129Xe26+和129Xe27+入射Mo表面激發(fā)的X射線相對產(chǎn)額與入射離子電荷態(tài)的關(guān)系如圖5所示，誤差為3%.從圖5可以看出，對于同一動(dòng)能的高電荷態(tài)Xe離子，X射線相對產(chǎn)額隨著入射離子電荷態(tài)(勢能)的增加而增加.

我們可以從入射離子與靶原子的電子間的相互作用過程來理解圖1到圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

圖5 動(dòng)能相同(600 keV)電荷態(tài)不同的離子與單離子X射線相對產(chǎn)額的關(guān)系

攜帶大量勢能的低速高電荷態(tài)離子在入射金屬表面過程中，當(dāng)離子運(yùn)動(dòng)至臨界距離Rc［6］，

W為金屬的脫出功;q為入射離子的電荷態(tài).離子與金屬導(dǎo)帶間形成的勢壘低于金屬的費(fèi)米面時(shí)，金屬導(dǎo)帶電子共振轉(zhuǎn)移到入射離子與導(dǎo)帶匹配的能級，使入射離子中性化，釋放其具有的勢能在金屬靶表面，使靶原子激發(fā)和電離.另一方面，高電荷態(tài)離子入射到金屬表面，金屬表面對離子產(chǎn)生鏡像加速，引起離子能量增益ΔE［7］，即

增益的能量也沉積在靶表面，加強(qiáng)了靶原子的激發(fā)和電離.由于入射離子與金屬表面這種瞬時(shí)(飛秒量級)強(qiáng)庫侖相互作用釋放的勢能(Xe25+，856 eV; Xe26+，1493 eV;Xe27+，1570 eV)，加上離子本身的動(dòng)能，足以使Mo原子L殼層的電子電離，(電離L殼層的一個(gè)2p電子，大約需要4.25 keV能量)形成空穴，M殼層的電子填充L殼層空穴，輻射Lα1特征X射線.根據(jù)電子偶極躍遷的選擇定則據(jù)文獻(xiàn)［8］可知，我們測量的Mo的Lα1特征X射線，是3d5/2→2p3/2即MⅤ→LⅢ的躍遷.

3.3. Mo原子M能級壽命估算

Mo-Lα1特征X射線是能級M的電子退激到L能級輻射的，由Heisenberg不定關(guān)系(uncertainty relation)

將圖3和圖4的不同離子激發(fā)X射線譜的半高寬(keV)及根據(jù)(5)式估算的Mo原子M能級壽命(s)如表1所示，由表1估算出Mo原子M能級壽命τ約為1.41×10－18s，這種估算方法對能級壽命的結(jié)果有直接影響.因?yàn)榈退俑唠姾蓱B(tài)離子和固體表面相互作用是強(qiáng)庫侖場作用下的超快非線性過程(飛秒量級)，能量的沉積引起的晶格振動(dòng)以及強(qiáng)庫侖場的作用使得表面靶原子所在位置的電場對稱性被破壞，引起靶原子能級展寬且隨著入射離子的能量的增加而增加，致使發(fā)射譜線均勻增寬［8］.

表1 不同離子激發(fā)X射線譜的半高寬和能級壽命

4. 結(jié)論

我們觀測和分析了利用蘭州重離子加速器國家實(shí)驗(yàn)室ECR源提供的高電荷態(tài)129Xeq+(q=25，26，27)離子與Mo表面作用產(chǎn)生的X射線發(fā)射，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在束流強(qiáng)度小于120 nA條件下，高電荷態(tài)離子129Xeq+可以激發(fā)Mo的L殼層特征X射線譜，單離子X射線相對產(chǎn)額可達(dá)10－8量級，在電荷態(tài)一定的條件下，X射線相對產(chǎn)額隨著入射離子動(dòng)能的增加而增加.對于同一動(dòng)能的Xe離子，X射線相對產(chǎn)額隨著入射離子電荷態(tài)(勢能)的增加而增加.并通過Mo原子Lα1的特征X射線譜，利用Heisenberg不確定關(guān)系對Mo原子的第M能級壽命進(jìn)行了估算.

［1］Winter H P，Aumayr F 1999 J.Phys.B:At.Mol.Opt.Phys. 32 R39

［2］Schenkel T，Hamza AV，Barnes AV，Schneider D H，Banks J C，Doyle B L 1998 Phys.Rev.Lett.81 2590

［3］Dong C Z，F(xiàn)u Y B 2006 Acta Phys.Sin.55 0107(in Chinese)［董晨鐘、符彥飆2006物理學(xué)報(bào)55 0107］

［4］Zhang X A，Zhao Y T，Li F L，Yang Z H，Xiao G Q，Zhan W L 2004 Science in China G 34 414(in Chinese)［張小安、趙永濤、李福利、楊治虎、肖國青、詹文龍2004中國科學(xué)(G輯) 34 414］

［5］Yang Z H，Song Z Y，Chen X M，Zhang X A，Zhang Y P，Zhao Y T，Cui Y，Zhang H Q，Xu X，Shao J X，Yu D Y，Cai X H 2006 Acta Phys.Sin.55 2221(in Chinese)［楊治虎、宋張勇、陳熙萌、張小安、張艷萍、趙永濤、崔瑩、張紅強(qiáng)、徐徐、邵建雄、于得洋、蔡曉紅2006物理學(xué)報(bào)55 2221］

［7］Yang Z H，Song Z Y，Cui Y，Zhang H Q，Ruan F F，Shao J X，Du J，Liu Y W，Zhu K X，Zhang X A，Shao C J，Lu R C，Yu D Y，Chen X M，Cai X H2008 Acta Phys.Sin.57 803(in Chinese)［楊治虎、宋張勇、崔瑩、張紅強(qiáng)、阮芳芳、邵健雄、杜娟、劉玉文、朱可欣、張小安、邵曹杰、盧榮春、于得洋、陳熙萌、蔡曉紅2008物理學(xué)報(bào)57 803］

［8］Xu K Z 1998 Advanced Physics of Atom and Molecule(Beijing: Science Press)p160(in Chinese)［徐克尊1998高等原子分子物理學(xué)(北京:科學(xué)出版社)第160頁］

PACC:3450D，3220R，3270J

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.10574132)and the Natural Science Foundation of Shaanxi Province(Grant Nos.2007A05，2010JM1012)and the Scientific Research Foundation of Xianyang Normal College(Grant No.09XSYK106).

?E-mail:liangchanghui73@yahoo.cn

X-ray spectrum emitted by the impact of129Xeq+on Mo surface*

Liang Chang-Hui1)?Zhang Xiao-An2)Li Yao-Zong1)Zhao Yong-Tao2)Xiao Guo-Qing2)
1)(Department of Physics，Xianyang Normal College，Xianyang712000，China)
2)(Institute of Modern Physics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou730000，China)
(Received 1 January 2009;revised manuscript received 7 November 2009)

We studied the characteristic X-ray spectra produced by the interaction of highly charged ions of129Xeq+(q=25，26，27)with surface of metallic Mo.The experimental result shows that highly charged ions can excite the characteristic X-ray spectra of L-shell of Mo when the beam’s intensity is not more than 120 nA.The X-ray yield of single ion reaches a quantitative level of 10－8and increases with the increment of the ion’s kinetic energy and ionic charge(potential energy). By measuring the X-ray spectra of Mo-Lα1，the M-level lifetime of Mo atom is estimated by using Heisenberg uncertainty relation.

highly charged ions，X-ray，yield，level lifetime

book=585,ebook=585

*國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:10574132)和陜西省自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:2007A05，2010JM1012)和咸陽師范學(xué)院科研基金(批準(zhǔn)號: 09XSYK106)資助的課題.

?E-mail:liangchanghui73@yahoo.cn