丁寶衛(wèi),于得洋,盧榮春,邵曹杰,阮芳芳,劉錦鵬,趙永龍,景 龍
(1.蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,甘肅蘭州 730000;2.中國科學(xué)院近代物理研究所,甘肅蘭州 730000)
高溫存在于宇宙的諸多區(qū)域,如恒星、活動星系核、超新星的爆炸等。在非常高的溫度條件下,即使重原子的電子也會被部分甚至全部剝離,所以許多物質(zhì)以電離態(tài)的形式存在。但地球上很難找到這種自然的極端條件。為在實驗室中開展相關(guān)的研究,人們發(fā)展了高電荷態(tài)離子源[1],如電子回旋共振離子源、電子束離子阱以及激光離子源。近年來,高電荷態(tài)離子與多電子原子或分子的碰撞是一非常活躍的研究領(lǐng)域,這些研究不僅有助于理解復(fù)雜的離子-原子碰撞過程、檢驗相關(guān)的理論模型,且對高溫等離子體[2-3]、天體物理[4]及大氣科學(xué)[5]等領(lǐng)域的研究具有重要意義。
通常,當(dāng)入射離子速度vp遠小于1個玻爾速度(a.u.)時,即vp《1a.u.時,俘獲是主要過程,以至于其他過程可忽略;而當(dāng)入射離子速度較高(vp》1a.u.)時,電離是主要過程。在這兩個能區(qū),對高電荷態(tài)離子與原子的碰撞過程研究相對較多[6-16]。為分析高電荷態(tài)離子與原子碰撞中的物理過程,提出了若干個理論模型或經(jīng)驗公式,如經(jīng)典過壘模型[17]、拓展的經(jīng)典過壘模型[18]、分子經(jīng)典過壘模型[19]、Selberg等[9]發(fā)展的半經(jīng)驗公式等。然而,在跨玻爾速度能區(qū),在某種程度上,俘獲和電離均較重要,不能舍此顧彼,且反應(yīng)道之間還存在較強的耦合,量子力學(xué)處理難度很大。在這一能區(qū),已有的實驗主要集中于He原子[20-21],對于較重的靶原子的研究還很缺乏。另外,多電子過程表征了多體動力學(xué)的基礎(chǔ)問題,可用來檢驗當(dāng)前的相關(guān)理論模型,特別是多電子過程中的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)。本文將通過實驗研究跨玻爾速度能區(qū)的Xe23+離子與Ne原子碰撞中的單電子和多電子過程。
實驗在中國科學(xué)院近代物理研究所電子回旋共振離子源高壓平臺上進行,實驗裝置在文獻[21]中已描述。具有一定能量的聚焦Xe23+離子束與自上而下的氣體靶碰撞,靶室的真空度為10-6Pa量級。碰撞后,不同電荷態(tài)的散射離子在靜電場中具有不同的偏轉(zhuǎn)角,故打在位置靈敏微通道板探測器的不同位置上。反沖離子的初始動能很小,通過電場引出并加速,而后在一無場區(qū)域自由漂移,最后打在反沖離子微通道板探測器上。實驗中,由于反沖離子探測器的電壓較高,達3kV,所以對不同電荷態(tài)的反沖離子的探測效率近似相同。反沖離子的飛行時間與離子的質(zhì)荷比(m/q)有關(guān),不同電荷態(tài)的反沖離子到達探測器的飛行時間不同。據(jù)此,通過離子的飛行時間,可區(qū)分它們的電荷態(tài)。最后,將飛行時間譜與位置譜關(guān)聯(lián),就得到位置-時間二維譜。該二維譜展現(xiàn)了不同反應(yīng)道的符合計數(shù)。圖1示出了21keV/u的Xe23+與Ne原子碰撞的反沖離子飛行時間譜和符合二維譜。
圖1 Xe23+與Ne原子碰撞的飛行時間譜(a)和符合二維譜(b)
實驗的入射離子速度vp為0.65~1.32a.u.,碰撞過程可簡單描述為:
其中:j為入射離子俘獲的電子數(shù);k為反沖離子的電荷態(tài),k=1、2、3、4、5。伴隨j個電子俘獲的k重電子丟失截面為。通過二維譜可得到k電子與單電子過程的截面比σk/σ1為:
σk/σ1=N0k/N01
(2)
其中,N0k和N01分別為Nek+和Ne+離子的計數(shù)。同樣,截面比/σk為:
(3)
實驗誤差主要來自反沖離子的探測效率(<10%)、多次碰撞(<3%)、數(shù)據(jù)處理二維譜時的計數(shù)區(qū)域選?。ǎ?0%)以及統(tǒng)計誤差(5%)。詳細的誤差分析可參考文獻[21-23]。
測量0.65~1.32a.u.速度范圍的Xe23+與Ne原子碰撞的各反應(yīng)道的相對截面。圖2示出了截面比σ2/σ1、σ3/σ1、σ4/σ1和σ5/σ1對入射離子速度的依賴關(guān)系。從圖2可看出,隨著速度的增加,這些比值并無明顯的變化,即入射離子速度對各截面σk(k=1、2、3、4、5)的影響幾乎等同。這與較低能區(qū)的實驗結(jié)果相似,原因可能是入射離子的強庫侖勢的作用的結(jié)果。截面比σ2/σ1、σ3/σ1、σ4/σ1及σ5/σ1分別約為0.4、0.2、0.13和0.1,顯然單電子過程占絕對優(yōu)勢,其次是雙電子過程,而三電子、四電子及五電子過程的總截面約等于雙電子過程截面。文獻[7]提出用轉(zhuǎn)移激發(fā)機制描述雙電子過程,兩個靶電子轉(zhuǎn)移到入射離子激發(fā)態(tài),隨后,靠近內(nèi)殼層的電子被重新俘獲到靶的激發(fā)態(tài),這個過程貢獻于單電子過程。轉(zhuǎn)移激發(fā)機制對于He原子有效,但不適用于較重的靶原子。
該能區(qū)高電荷態(tài)離子與原子碰撞中,由于直接電離是一很弱的反應(yīng)道,所以,可用拓展的經(jīng)典過壘(ECB)模型[7,21]描述靶電子的丟失。在該模型中,當(dāng)離子與靶原子之間的勢壘等于或低于束縛靶電子的Stark能時,這個電子將逃離靶原子。據(jù)此,第k個電子逃離的臨界核間距為:
其中,Ik為第k個靶電子的電離勢,eV。k個電子逃離的截面近似為:
Selberg等[9]采用一半經(jīng)驗公式,描述k個靶電子逃離的絕對截面,即:
式中:Ik/Ii為第k個電子與第i個電子的電離能之比;N為外殼層電子數(shù);q為入射離子的電荷態(tài)。將實驗結(jié)果與這兩種模型的計算結(jié)果對比,結(jié)果如圖2所示。式(6)對截面比σ2/σ1和σ3/σ1估計過高,而過壘模型的結(jié)果與σ4/σ1和σ5/σ1更為接近。
圖2 σk/σ1與入射離子速度的關(guān)系
通過二維譜,可根據(jù)下式計算獲得反沖離子電荷態(tài)分支比fk:
Selberg等[9]給出了相應(yīng)的經(jīng)驗公式:
相對截面的測量結(jié)果如圖4所示。單電子過程幾乎被單電子俘獲過程完全占據(jù)。在雙電子過程中,≈0.8,說明單電子俘獲伴隨單電離過程(轉(zhuǎn)移電離)是最重要的反應(yīng)道,而雙電子俘獲過程在雙電子過程中的比重很小。由于在該能區(qū)直接電離反應(yīng)道相對很弱,所以轉(zhuǎn)移電離主要來自伴隨雙俘獲的自電離過程。這個過程中,兩個靶電子轉(zhuǎn)移到入射離子的激發(fā)態(tài),通過輻射退激和自電離衰變,即前者貢獻于真的雙俘獲(TDC)過程,而后者則貢獻于自電離雙俘獲(ADC)過程,這些物理過程可用下式描述:
圖3 fk與k的依賴關(guān)系
從實驗結(jié)果可看出,ADC應(yīng)是轉(zhuǎn)移電離過程中的重要機制。同樣,對于更多電子參與的過程(如三電子、四電子、五電子過程),主要的過程不是純俘獲過程,而是伴隨俘獲的電離過程,如及等。散射離子最后的電荷態(tài)取決于多激發(fā)態(tài)的入射離子不同的退激通道,可用下式描述:
(11)
另外,Ali等[6]認為多電子靶(k≥3)的激發(fā)機制對多電子過程也有重要作用,對于本文所研究的碰撞系統(tǒng),多電子過程用下式描述更好:
(12)
最后,還需說明,隨著碰撞速度的增加,純電離截面并未如所期望的有一顯著增加,而是表現(xiàn)出對速度的獨立性。造成這種現(xiàn)象的原因,除實驗誤差(反應(yīng)道弱,偶然符合的影響大)外,可能還存在深層次的物理原因,這值得進一步研究。
圖4 Pkj與入射離子速度的關(guān)系
測量了0.65~1.32a.u.速度范圍的Xe23+離子與Ne原子碰撞的單電子和多電子過程的相對截面。在所研究的能區(qū),相對截面對入射離子速度依賴性很弱。單電子過程是最主要的反應(yīng)道,它幾乎被單電子俘獲過程完全占據(jù)。而對多電子過程的主要貢獻不是來自純俘獲過程,而是來源于伴隨多電子俘獲的電子發(fā)射。
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