（理论物理专业论文）空阴极气体放电及高电荷态空心离子的光谱研究.pdf

上海交通大学学位论文答辩决议书 申请者郑旭涛所在学科( 专业)理论物理 论文题目空阴极气体放电及高电荷态空心离子的光谱研究 答辩r 期 2 0 0 5 一0 6 一0 7 答辩地点上海交通大学徐汇校区 l答辩委员会成员 担任职务姓名职称所在工作单位备注签名 主席汤家镛教授复旦大学现代物理研究所无 l 为嚷绦 委员陆福全教授复旦大学现代物理研究所 无 p 害打誓 委员王炎森教授复旦大学现代物理研究所无 ”曼主让 委员邹亚明教授复旦大学现代物理研究所 无 铆夥嘲 委员郑杭教授上海交通大学物理系无 万绔j 委员 朱卡的教授上海交通大学物理系无 臻毕黝 委员楼森岳教授上海交通大学物理系 无 稠綦坝 评语和决议： 论文详尽地介绍了作者攻读博士学位期间所做的实验和理论研究工作，包括：建立真字紫外光谱仪系 统利用该系统进行有关窄阴极放电现象的研究。以及利用从r i 奉获得的加速器实验数据，研究在高速碰 掩条件下窄心离子的性质和形成机制。工作卓有成效，论文理据充分、内容详实、结构合理、文笔流畅n 真窄紫外光谱仪系统的建设，包括安装、配套、调试、维护和软硬件开发等任务，具有相当的难度和 工作量。作者在这项t 作中表现出了很强的独立开展研究的能力和实验技能以及勤于思考、善于发现和 解决问题的科研素养。 作前关十窄阴极气体放电的研究，系统地探讨了这种放i 乜形态的番方面属性，以及其中激发态布居数 分布和放咆黼度的一般规律，其结论有较l 凫的学术意义。 作者对高速碰掩条件下产生的高电荷态窄心离子的形成机制及其l 壳层电子数统计分布规律的研究成果， 也肯咯实的理论和实验依据，对研究其它类型的高电荷态离予其有参考价值。 表决结果： 替辩委员会通过投票，一致认为该论文在学术水平、理论基础、研究成果、创新棒和t 作量等方面都 已达到r 博= 匕学位论文的标准，建议授予博：l 二学位，一 答辩委员会主爿矽喀伪名， 2 扩口f 年彦月孑f | 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一编备如旃 日期：。户、c 年6 月7 曰 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 一繇智抄即虢 日期：撕6 月7 日 日期：口辟 缈7 6 月l 如 空阴极气体放电及高电荷态空心离子的光谱研究 摘要 高电荷态离子的研究是原子物理中非常重要的领域，而与高电荷 态离子研究有关的光谱实验很大一部分集中在真空紫外波段。空心阴 极灯可以产生丰富的真空紫外辐射，常被用于该波段的实验研究。本 文详细介绍了我们在真空紫外光谱、空阴极气体放电和高电荷态空心 离子方面的研究工作。 本文分三大部分，每部分各有两章。 第一部分主要介绍我们在高电荷态离子和真空紫外光谱研究方 面的基础工作。真空紫外波段一般是指从2a 到2 0 0 0a 的波长范围， 这一波段的光子在空气中会被严重吸收，1 0 4 0a 以下的光辐射更是 无法穿过任何透镜和窗口材料。因此，这一波段的光谱测量必须在真 空中进行，而且对探测系统的光路设计也有特殊的要求。 在第一章中，我们首先阐述了有关高电荷态离子光谱研究的意义 和方法，然后介绍了真空紫外光谱的相关概念以及真空紫外光谱仪系 统的基本原理和常见配置。 第二章介绍了我们实验室的真空紫外光谱仪系统的构建情况。在 实验室成立之初，我们从国外引进了两台总价值约7 0 万美元的真空 紫外光谱仪，其中一台型号为m c p h e r s o n2 4 7 ，另一台为n i k o n 卜海交通大学f 冉士学位论文 m p c 8 6 0 。光谱仪本身是高度精密和复杂的科学仪器，再加上我们为 其配套的一系列外围设备，整套硬件系统涵盖了光学、机械、真空和 电子学等多方面的内容。我们大约用了两年半的时间，完成了 m c p h e r s o n2 4 7 光谱仪系统的硬件构建、监控程序开发和全系统的实 验调试，以及n i k o nm p c 8 6 0 光谱仪系统的基本构建。 本文第二部分介绍了我们对空阴极气体放电的研究成果。空阴极 放电是真空紫外波段非常重要的光源形式之一，其在科研和商业领域 都有很多重要的应用。但文献中对空阴极放电的基本性质仍缺少系统 和完整的论述，尤其是对其中的激发态布居数分布规律，人们还缺乏 清晰的认识。 在第三章中，我们首先分绍了空阴极放电的原理、形式和应用， 然后系统地研究和归纳了空阴极放电的基本性质，并着重探讨了与激 发态布居数有关的物理过程和放电成分。 在第四章中，我们用m c p h e r s o n 2 4 7 光谱仪对氦气空阴极放电的 真空紫外光谱进行了研究，从中推算出h e i1 s n p1 p 系列和h e 玎p2 p 系列能级的相对布居数，并作出布居数( 取对数) 随激发能量变化的 分布曲线。我们发现，无论是在h e i 系列还是在h e l l 系列中，布居 数分布曲线都可以大致划分为两个区间：低阼区间( 对应于h e l 系列 中的n = 2 4 和h e l l 系列中的挖= 2 5 ) 覆盖了相对较大的能量范 围，而其中能级布居数随激发能量增大而递减的斜率则较小；高n 区 间( 大约对应于h e i 和h e l i 系列中的n 1 0 的范围) 只覆盖很小的 能量区域，但其能级布居数随激发能量增大而减小的速度却很快。我 们认为，低”区间可以用日冕平衡来描述，并由此推算出空阴极内的 电子温度为1 3 2 4e v ；高，2 区间则可以用局部热力学平衡来描述， 从中推算出h e 气体原子温度为7 9 0 9 1 0k ，离子温度约为2 2 0 0 k 。 而h e i 的分布曲线在上述两个区间之间还出现了某种非单调的起伏 结构，我们的研究表明这是由激发态原子与基态原子之间的 - c h a n g i n g 碰撞引起的。我们对空阴极中的日冕平衡、局部热力学平 衡和l - c h a n g i n g 碰撞，都作了深入的探讨，并在此基础上总结了空阴 极气体放电中激发态布居数分布的基本规律。 本文第三部分介绍了我们对高速碰撞条件下产生的高电荷态空 心离子的研究成果。这项研究的数据来自我们在日本r 1 k e n 重离子 直线加速器( r i l a c ) 上进行的碰撞实验。 空心离子是指入射离子经过与固体靶发生高速碰撞后所形成的 内壳层中没有或只有很少电子的离子状态，其概念源于低速碰撞条件 下所产生的空心原子。我们发现，离子与固体靶碰撞后所形成的空心 原子( 或空心离子) 中，壳层电子数与入射能量及k 壳层电子数的 关系，在低速入射和高速入射两种情况下，结果正好是相反的。在低 速碰撞下形成的空心原子的l 壳层电子数随入射能量和k 壳层电子 数的增加而增大，而高速碰撞产生的空心离子中，三壳层电子数则随 着入射能量和k 壳层电子数的增加而减少。这种差异来源于两种碰撞 条件下入射离子与靶原子相互作用机制的不同。我们着重探讨了高速 碰撞下空心离子的形成机制，及其l 壳层电子数的统计分布。 在本文的最后，我们编写了三个附录。 卜海交通人学博十学位论文 附录a 中详细介绍了我们的m c p h e r s o n 2 4 7 光谱仪系统的硬件构 成和使用方法。其中硬件信息主要涉及光谱仪的外围设备，以及一些 与光谱仪本身有关但光谱仪说明书中没有提及的重要问题。使用方法 中则还包括了我们在实践中了解到的各种相关知识、积累的使用经验 和总结的注意事项。通过这份文档，初次使用者可以在最短时问内对 这套系统有一个大致的了解并掌握一些基本的操作。因此，这份文档 不同于光谱仪的说明书，它是这套系统的建设者为系统的下一任使用 者提供的入门指南和重点提示，也是博士工作的重要组成部分。 附录b 是我们为光谱仪系统的监控程序所写的说明文档。监控程 序是我们用c 语言编写的。说明文档中包括程序的设计思路、文件结 构、运行流程、使用示例以及源代码等，其目的同样是为光谱仪的下 一任使用者提供尽可能多的信息和帮助。 附录c 是一份有关入射离子与靶物质碰撞过程的文献研究总结， 是我们研究工作中的前期调研成果，对我们研究空阴极放电中的物理 过程和高速碰撞下的空心离子，以及将来研究其它类型的高电荷态离 子，都有一定的参考价值。 关键词 高电荷态离子，真空紫外光谱，空阴极放电，布居数分布，空心原子 上i _ 交通大学博上学位论立 s p e c t r o s c o p i cs t 【t d i e so f h o l l o wc a t o d eg a sd i s c h a r ea n d g 皿yc h a r g e dh o l l o wi o n s a b s t r a c t h i g h l yc h a r g e di o n ( h c i ) h a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n tf i e l d i n a t o m i cp h y s i c s ，a n dt h em a j o r i t yo fi t sr e l e v a n ts p e c t r o s c o p i ce x p e r i m e n t s f a l li nt h ev a c u u mu l t r a v i o l e t ( v u v ) w a v e l e n g t hr e g i o n a so n ek i n do f e f f i c i e n te m i t t e r so fv u vr a d i a t i o n ，h o l l o wc a t h o d ed i s c h a r g e ( h c d ) h a s o f t e nb e e na p p l i e di nv u v e x p e r i m e n t s t h i st h e s i sc o m p r e h e n s i v e l y i n t r o d u c e so u rs t u d i e so nv i s p e c t r a , h c dp r o c e s s e sa n dh i g h l y c h a r g e dh o l l o wi o n s t h ec o n t e n t so f t h i st h e s i sa r ed i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ，e a c ho f w h i c h c o n t a i n st w oc h a p t e r sr e s p e c t i v e l y p a r ti ( c h a p t e ria n di i ) i n t r o d u c e st h ef u n d a m e n t a lw o r k so fo u r h c ia n dv u vr e s e a r c h e s g e n e r a l l y , v u vr e p r e s e n t st h ew a v e l e n g t h r e g i o nf r o ma b o u t2at o2 0 0 0a p h o t o n so ft h i sr a n g ea r eh e a v i l y a b s o r b e di na i r , a n dw a v e l e n g t h ss h o r t e rt h a n10 4 0ac a n te v e np e n e t r a t e a n yl e n so rw i n d o wm a t e r i a l s t h e r e f o r e ，s p e c t r ao ft h i sr e g i o nm u s tb e 5 卜海变通大学博士学化论文 m e a s u r e di nv a c u u m ，a n dt h eo p t i c so fd e t e c t i o ns y s t e m sh a st om e e t s o m es p e c i f i cr e q u i r e m e n t sa sw e l l i nc h a p t e ri ，w ef i r s t l yd i s c u s st h es i g n i f i c a n c ea n dm e t h o d so f s p e c t r a ls t u d i e so nh i g h l yc h a r g e di o n s t h e nw ei n t r o d u c et h eb a s i c c o n c e p t s o fv u v s p e c t r a a n dt h e p r i n c i p l e s a n dc o n v e n t i o n a l c o n f i g u r a t i o n so f v u vs p e c t r o s c o p i cs y s t e m s i nc h a p t e ri i w ed e s c r i b et h ec o n s t r u c t i o no fv u vs p e c t r o m e t e r s y s t e m si n o u rl a b o r a t o r y w eh a v et w ov u vs p e c t r o m e t e r s ，a m c p h e r s o n2 4 7a n dan i k o nm p c 8 6 0 ，t o t a l l yv a l u e da b o u t $ 7 0 0 ，0 0 0 t h es p e c t r o m e t e r st h e m s e l v e sa r eh i g h l yd e l i c a t ea n dc o m p l e x a n d a l s ow eh a v ee q u i p p e dt h e mw i t hd o z e n so fp e r i p h e r a li n s t r u m e n t s ，t h e u l t i m a t es y s t e m si n c l u d ec o m p o s i t i o no fo p t i c s ，m e c h a n i c s ，v a c u u ma n d e l e c t r o n i c se t c s ot h e i n s t a l l i n g ，s e r i n g ，d e b u g g i n g ，u s i n g a n d m a i n t a i n i n go ft h es y s t e m sr e q u i r ec o r r e l a t i v ek n o w l e d g e ，s k i l la n d e x p e r i e n c e m o r e o v e r , t h et w os p e c t r o m e t e r sa r et r a n s f e r r e dt oo u rl a b a s p r e s e n t sf r o mf o r e i g nr e s e a r c h e r s ，w i t h o u ta n ya f t e r - s a l e s e r v i c e s t h e r e f o r e ，d i f f i c u l t i e se x i s ti nb u i l d i n gt h es y s t e m s w es p e n ta b o u tt w o a n dah a l fy e a r st oc o m p l e t et h ec o n s t r u c t i o n s ，w h i c hi n c l u d eh a r d w a r e i n s t a l l a t i o na n ds u p p l e m e n t ，s o f t w a r ep r o g r a m m i n g ，a n de x p e r i m e n t a l d e b u g g i n go ft h em c p h e r s o n2 4 7s p e c t r o m e t e rs y s t e m ，a sw e l l a st h e p r e l i m i n a r yc o n s t r u c t i o no f t h en i k o nm p c 8 6 0s y s t e m p a r ti i ( c h a p t e ri i ia n di v ) o ft h i st h e s i si n t r o d u c e so u rr e s e a r c h 6 上街交通人学博士学位论文 r e s u l t so ft h eh o l l o wc a t h o d eg a sd i s c h a r g e h c di s o n eo ft h e i m p o r t a n tl i g h ts o u r c e s i nv u va n dh a sal o to fi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n si n b o t hs c i e n t i f i ca n dc o m m e r c i a lf i e l d s 。h o w e v e r , t h ee s s e n t i a lp r o p e r t i e s o ft h eh o l l o wc a t h o d eg a sd i s c h a r g ea r es t i l ll a c k i n gc o m p l e t ea n d s y s t e m a t i ce x p l a n a t i o ni nl i t e r a t u r e e s p e c i a l l y , t h ed i s t r i b u t i o nr u l eo f e x c i t e ds t a t ep o p u l a t i o n si nh c dh a sn o ty e tb e e ne s t a b l i s h e d i nc h a p t e rl l i ，w ep r e s e n tt h ep r i n c i p l e s ，v a r i a n t sa n da p p l i c a t i o n so f h o l l o wc a t h o d eg a sd i s c h a r g e t h e nw es y s t e m a t i c a l l ys t u d y a n d c o n c l u d et h eb a s i cp r o p e r t i e so fh c d ，w i t he m p h a s i so nt h ep l a s m a s p e c i e sa n dp h y s i c a lp r o c e s s e sr e l a t e dt oe x c i t e ds t a t ep o p u l a t i o n s i nc h a p t e ri v , w eu s em c p h e r s o n2 4 7s p e c t r o m e t e rt os t u d yt h e v u vs p e c t r ao fh e l i u mh o l l o wc a t h o d ed i s c h a r g e w em e a s u r et h e r e l a t i v ep o p u l a t i o n so fh e ils n p1 pa n dh e i in p1 ps t a t e s ，a n dd r a wt h e d i s t r i b u t i o nc u r v e so ft h ep o p u l a t i o n s ( 1 0 9 a r i t h m i c a l l y ) v e r s u se x c i t a t i o n e n e r g i e s f o rb o t hh e ia n dh e l l ，t w od i s t i n c ts e c t i o n sc a nb er e c o g n i z e d i nt h ed i s t r i b u t i o n s ：l o w - 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c h a n g i n gc o l l i s i o n so ft h e e x c i t e da t o m sw i t hg r o u n d s t a t ea t o m s w es t u d yi nd e p t ht h ec o r o n a l e q u i l i b r i u m ，l o c a lt h e r m o d y n a m i ce q u i l i b r i u ma n d - c h a n g i n gc o l l i s i o n s i nh c d ，a n dc o n c l u d et h er e g u l a r i t i e so fe x c i t e d s t a t e p o p u l a t i o n d i s t r i b u t i o ni nh o l l o wc a t h o d eg a sd i s c h a r g e p a r ti l i ( c h a p t e rva n dv i ) i n t r o d u c e so u rs t u d i e so fh i g h l yc h a r g e d h o l l o wi o n sp r o d u c e di nh i g h s p e e dc o l l i s i o n s d a t aa r ef r o mt h e c o l l i s i o ne x p e r i m e n t st h a tw ec a r r i e do u ti nr i k e nh e a v yi o nl i n e a r a c c e l e r a t o r ( r i l a c ) i nj a p a n “h o l l o wi o n s ”，t h ec o n c e p to fw h i c hh a so r i g i n a t e df r o m “h o l l o w a t o m s ”( h a s ) p r o d u c e du n d e rs l o wi m p a c t ，r e f e rt ot h ei o n sw h o s ei n n e r s h e l l sh a v en oo rv e r yf e we l e c t r o n s t h el - e l e c t r o nn u m b e ro fa h o l l o w a t o mf o r m e di nl o w - s p e e di m p a c ti n c r e a s e sw i t ht h ei n c i d e n te n e r g ya n d k - e l e c t r o nn u m b e r ，w h i l ea sw eh a v ef o u n di nh i g h s p e e dc o l l i s i o n s ，t h e l e l e c t r o nn u m b e ro fah o l l o wi o nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c i d e n te n e r g ya n d k - e l e c t r o nn u m b e r s u c hd i f f e r e n c ei se x p l a i n e db yt h e d i s t i n c t i n t e r a c t i o nm e c h a n i s m si nt h e s et w ok i n d s o fc o l l i s i o nc o n d i t i o n s b e t w e e ni n c i d e n ti o n sa n dt a r g e ta t o m s w ed i s c u s si nd e t a i lt h e m e c h a n i s mf o rh o l l o wi o np r o d u c t i o ni nh i g h - s p e e dc o l l i s i o n sa n dt h e 8 ：! 塑奎望查兰! 塑兰竺笙苎； s t a t i s t i c a ld i s t r i b u t i o no ft h el e l e c t r o nn u m b e r s a t t a c h e da tt h ee n do f t h i st h e s i sa r et h r e ea p p e n d i c e s a p p e n d i xai n t r o d u c e s a t l e n g t ht h eh a r d w a r ec o n s t r u c t i o na n d u s a g eo fo u rm c p h e r s o n2 4 7s p e c t r o s c o p i cs y s t e m t h eh a r d w a r e i n f o r m a t i o ni sp r i m a r i l ya b o u tt h ep e r i p h e r a le q u i p m e n tt h a tw es e tu p a n ds o m ei m p o r t a n ti s s u e s ，w h i c ha r er e l a t e dt ot h es p e c t r o m e t e ri t s e l f b u t a r en o tm e n t i o n e di nt h es p e c t r o m e t e rm a n u a l a n dt h eu s a g ei n c l u d e s a l lr e l e v a n tk n o w l e d g e ，e x p e r i e n c ea n di m p o r t a n tn o t e st h a tw eh a v e o b t a i n e di np r a c t i c a lu s e w i t ht h i sd o c u m e n t ，n e w u s e r sc a np i c ku p ，a s s o o na sp o s s i b l e ，t h eb a s i ck n o w l e d g ea n ds o m ee l e m e n t a r yo p e r a t i o no f t h e s y s t e m t h e r e f o r e ，t h i sa p p e n d i x i s t o t a l l y d i f f e r e n tt ot h e s p e c t r o m e t e rm a n u a l t h i sd o c u m e n t ，p r e s e n t e db yt h ee s t a b l i s h e ro f t h es y s t e m ，w i l ls e r v ea saq u i c kg u i d ea n di m p o r t a n tn o t e sf o rt h e s u c c e s s o r sa n do t h e ru s e r s ，a n ds h o u l dc e r t a i n l yb er e g a r d e da so n eo ft h e i m p o r t a n tc o m p o n e n t so f t h ew r i t e r sd o c t o r a lw o r k a p p e n d i xbi st h ed o c u m e n tf o rt h ec o n t r o l l e rp r o g r a mt h a tw e m a d ef o rt h em c p h e r s o n2 4 7s p e c t r o s c o p i cs y s t e m t h ep r o g r a mi s w r i t t e ni ncl a n g u a g e t h ed o c u m e n ti n c l u d e sa n de x p l a i n st h ep r o g r a m s c h e m e ，f i l es t r u c t u r e ，o p e r a t i o np r o c e d u r e ，u s a g ee x a m p l e sa n ds o u r c e c o d e se t c j u s tl i k ea p p e n d i xa ，t h i sd o c u m e n ti sa l s op r o p o s e dt o p r o v i d et h en e x tu s e ra sm u c hi n f o r m a t i o na n da s s i s t a n c ea sp o s s i b l e a p p e n d i xci sar e p o r to ft h el i t e r a t u r ei n v e s t i g a t i o no nc o l l i s i o n a l 上海交通人学f 1 4 卜学位论文 p r o c e s s e sb e t w e e ni n c i d e n ti o n s a n dt a r g e tm a t e r i a l s ，a so n eo fo u r p r e p a r a t i o n w o r k sf o rb o t h e x p e r i m e n t a l a n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h e s t h i si n v e s t i g a t i o nh a sb e c o m ea h e l p f u lr e f e r e n c ef o ro l ws t u d i e so nb o t h h c dm e c h a n i s ma n dh o l l o wi o n si nh i g h - s p e e dc o l l i s i o n s ，a n dw i l la l s o h e l pi no l l rf u t u r es t u d i e so no t h e rk i n d so f h i g h l yc h a r g e di o n s h i g h l yc h a r g e di o n ，v a c u u mu l t r a v i o l e t ，h o l l o wc a t h o d ed i s c h a r g e ， p o p u l a t i o nd i s t r i b u t i o n ，h o l l o wa t o m 1 0 海交通人学坩 学位论文 引言 本文详细介绍了作者在攻读博士学位期间，在真空紫外光谱仪系统、空阴极 气体放电以及高电荷态空心离子等方面的实验和理论研究工作。下面简要回顾这 些工作的基本情况。 作者在上海交通大学物理系攻读理论物理专业的博士学位，研究方向为原子 物理。基于研究课题的实际情况，作者在博士阶段主要从事的是实验工作，包括 建立原子光谱实验室，建设和完善两套真空紫外光谱仪系统，并在真空紫外波段 对空阴极放电现象进行深入研究。期间作者还根据研究小组人员在日本r 1 k e n 重离子直线加速器( r i l a c ) 上开展碰撞实验所获得的数据，研究了在高速碰撞 条件下产生的高电荷态空心离子现象。在博士阶段的后期，作者参与了由复旦大 学现代物理研究所主持的国防重大项目“s h a n 出a ie b i t ”( 电子束离子阱) 的筹 备和建设，并准备利用现有的真空紫外光谱仪系统在e b i t 上开展有关高电荷态 离子的研究工作。 作者开始攻读博士学位时，恰逢德国的e l m a rt r 若b e r t 教授和日本的安滕刚 三教授分别向上海交通大学物理系赠送了两台真空紫外光谱仪，其中来自德国的 是m e p h e r s o n2 4 7 型，来自日本的是n i k o nm p c 8 6 0 型，两套光谱仪总价值约为 7 0 万美元。在导师的安排和指导下，作者开始了原子光谱实验室的建设工作， 并独立承担起真空紫外光谱仪系统的安装、配套、调试和维护任务。光谱仪系统 的建设和调试，以及实验室的初步建立，大约经历了两年半的时间。 在m c p h e r s o n 光谱仪从德国运至上海之前，作者曾专程前往德国，考察其在 波鸿大学加速器实验室中的使用情况，对其构造和使用方法有了初步的认识。而 且与n i k o n 光谱仪相比，m c p h e r s o n 光谱仪到达作者实验室的时间较早，其随行 的配套器件也相对更齐备一些，因此作者后来大部分的实验工作都是在这台光谱 仪上开展的。在进行了广泛调研、采购和反复试验后，作者为光谱仪成功配套了 空阴极放电光源、电子学系统、循环水冷却系统和部分真空装置，并用c 语言 为谱仪系统编写了完善的监控程序。此外，作者还设法解决了光谱仪系统中出现 的很多问题。由于光谱仪本身已经有一定的使用历史，个别部件存在老化情况， 上海交通大学博士学位i 仑文 在经过长途运输以及拆卸和装配后，尽管总体性能良好，但一些工作环节也开始 陆续发生了故障。而在修理的过程中，作者也对这套系统的技术绍节有了更深入 的了解。最棘手的问题则是出现在系统调试过程中，主要是光谱信号中的噪声与 饱和，以及谱线形状问题。这些问题在很长时间里困扰着实验室工作，并在一定 程度上影响了工作进度，但经过作者的努力，最终都得以成功解决。 而在n i k o n 光谱仪方面，需要配套的设备则更多。目前已经完成了真空、电 力和冷却系统的建设，而光源部分及黑度计读数接口仍有待完善。因此这套系统 暂时还不能在实验中直接应用。 m c p h e r s o n 光谱仪系统建设完成后，作者在其基础上进行了空阴极气体放电 现象的研究。空阴极放电具有明显优于普通平板电极放电的特性，常被用作科学 研究中的实验光源，在其它实用领域也有很多重要的应用。但至今学界对于空阴 极放电中的物理过程和基本规律，仍缺少系统和完整的描述。而且由于空阴极的 具体应用形态多样，适用的放电参数范围也很广，文献中的研究成果之间很难作 合理的比较。作者通过对空阴极放电中的真空紫外光谱的研究，发现了放电中激 发态布居数分布的特征，并对这些特征的成因进行了深入探讨。作者的研究表明， 空阴极放电的激发态布居数分布是由空阴极内同时存在的日冕平衡和局部热力 学平衡所决定的，而激发态与基态原子之间的- c h a n g i n g 碰撞则有可能使分布曲 线发生不规则的变化。作者总结了空阴极放电激发态布居数分布的一般性规律， 并对这种放电形式的其它基本性质进行了研究归纳。 另外，在实验室和光谱仪系统建设过程期间，作者还研究了从日本r i k e n 重离子直线加速器上所获得的碰撞实验数据，并将其与当时原子物理领域的热门 话题“空心原子”中的实验现象进行了对比，发现尽管两者的形态有所类似，但 某些方面的性质却截然相反。例如，在低速碰撞下形成的空心原子的三壳层电子 数随入射能量和足壳层电子数的增加而增大，而在高速碰撞下产生的空心离予 中，壳层电子数则随着入射能量和足壳层电子数的增加而减少。作者认为这种 差异来源于两种碰撞条件下入射离子与靶原子之间相互作用机制的不同，并着重 探讨了高速碰撞下空心离子的形成机制，以及其壳层电子数的统计分布。 在博士工作的最后阶段，两台真空紫外光谱仪被整体搬迁至复旦大学现代物 理研究所的应用离子束物理实验室，将被用于s h a n g h a ie b i t 的光谱探测。e b i t 上海交通人学博士学位论文 装置可以产生几乎任何元素的任何电荷态的离子，这对高电荷态离子的研究非常 有利。目前作者已初步完成了对两套光谱仪系统的重新安装和恢复性调试，并将 继续参与s h a n g h a ie b l t 上的高电荷态离子研究。 在博士论文的正文中，作者将对其在博士阶段的上述工作进行详细的介绍， 也恳请师长和同行们对这些工作提出进一步的批评和建议，以便指导作者今后的 研究工作。 1 7 第一篇高电荷态离子与真空紫外光谱仪系统 第一篇高电荷态离子与真空紫外光谱仪系统 上j 好交通人学博十学位论文 第一章高电荷态离子与真空紫外光谱 对高电荷态离子的研究是原子物理中极其重要的方面，也是我们实验室的主 要研究方向。与高电荷态离子研究有关的光谱实验很大一部分集中在真空紫外波 段。在过去的几年里，我们以两台真空紫外光谱仪为基础，自行建立和完善了一 整套实验软硬件系统，并已经将其应用在对空阴极放电的真空紫外光谱研究中。 下一步，我们将把这套实验系统用于对高电荷态离子的研究。 1 1 高电荷态离子的光谱研究 1 1 1高电荷态离子光谱研究的意义 光谱分析【】是获取原子和离子能级结构信息并由此研究多体系统中基本电 磁相互作用的最有力的工具。其中，高电荷态离子的光谱研究尤为引人关注。各 种高电荷态离子本身的物理性质固然都具有相应的研究价值，而当人们用等电子 系列( i s o e l e c t r o n i cs e q u e n c e ，电子数相同但核电荷数z 不同的离子系列) 等方 法进行系统研究时，往往就更需要获得高核电荷数元素的高电荷态