（粒子物理与原子核物理专业论文）he原子直接电离等电荷态效应研究.pdf

摘要 本工作在兰州大学2 1 7 m v 串列加速器上利用2 0 k e v a m u 5 0 0 k e v a m u 的 c , v - 、o q + ( q = 1 ，2 ，3 ，4 ) 离子与h e 原子进行碰撞，对碰撞中的直接多重电离过程进行 研究。实验上采用反冲离子一散射离子飞行时间符合技术，位置灵敏探测技术及 多参数获取系统得到散射离子与反冲离子电荷态的二维符合谱，从而得到不同入 射离子的双单电离截面比随入射离子能量变化的曲线。 直接双单电离截面比r 的实验值有下列几个共同的特点： ( 1 ) 当入射离子能量大约为2 0 0 , - - - , 3 0 0 k e v a m u 时，双单电离截面比达到最大 值。 ( 2 ) 非全裸离子入射截面比r 值明显大于全裸离子入射。 在理论上，引入第一电离和第二电离的入射离子有效电荷来描述非全裸与全 裸离子入射截面比差异，即动态地考虑了入射离子电子和靶电子在碰撞中的屏蔽 和失去屏蔽的能力。 实验和理论符合较好，说明了我们引入动态有效电荷的合理性。 a b s t r a c t d i r e c ts i n g l ea n dd o u b l ei o n i z a t i o no fh e l i u mi n d u c e db yc 旷，o q + ( q = l 4 ) i o n s a r es t u d i e db o t hi ne x p e r i m e n ta n di nt h e o r y t h ed o u b l e - t os i n g l e - i o n i z a t i o nr a t i o sr a r em e a s u r e db yc o i n c i d e n c eb e t w e e nt i m eo ff l i g h t ( t o f ) a n dp o s i t i o ns e n s i t i v e s i g n a l s t h ee n e r g yo ft h e s ei o n sr a n g e sf r o m2 0 k e v a m u - 5 0 0 k e v a m u t h i sw o r k w a sp e r f o r m e do nt h e2 x1 7 m vt a n d e ma c c e l e r a t o ri nl a n z h o uu n i v e r s i t y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ev a l u eo fr 2 ii n c r e a s er a p i d l ya b o v e 2 0 k e v a m ua n dw h e nt h ec o l l i s i o ne n e r g yi sa b o u t2 0 0 k e v a m uo r3 0 0 k e v a m u ，r 2 1 r e a c h e st h em a x i m u m m e a n w h i l e ，t h ev a l u eo frb yp a r t i a l l ys t r i p p e dp r o j e c t i l ei s m u c hl a r g e rt h a nt h a tb ys t r i p p e di o n s i nt h e o r y , w ee x p l a i nt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e np a r t i a l l ys t r i p p e da n ds t r i p p e d p r o j e c t i l eb yi n t r o d u c i n gi n t oe f f e c tc h a r g es t a t e so f t h ef i r s ta n dt h es e c o n di o n i z a t i o n p r o c e s s t h e s et w oe f f e c t i v ec h a r g e sg i v eb e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft h ed y n a m i cs c r e e n a n dd i s s c r e e na b i l i t i e so f t h et a r g e ta n dp r o j e c t i l eo u t s h e l le l e c t r o n si nc o l l i s i o n t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ed i f f e r e n te x p e r i m e n t a lv a l u e sa n dt h et h e o r e t i c a l e s t i m a t e ss h o w saq u a l i t a t i v ea g r e e m e n t 1 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下 独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或 未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经 注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：玉丝垫 日 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权 归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的 规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复 制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或 与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州 大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 燃：鼬名：似一砷、哆哆 第一章引言 离子一原子碰撞物理学是原子物理学研究热点之一【1 1 ，是理解多电子系统碰 撞动力学的重要手段。离子原子碰撞过程的研究对天体物理学、等离子体物 理、物质( 包括生物体) 的辐射损伤、受控核聚变、加速器技术以及对现有多体 碰撞理论的检验和改进都有非常重要的价值口3 一。利用加速器或离子源产生的 带电粒子与气体原子碰撞是研究离子与原子相互作用的重要方法之一。 本论文的工作是利用加速器产生的具有系列特性( 如能量、电荷态、质量等) 的离子与原子相互作用，通过测量碰撞产物的状态( 如散射离子电荷态分布、反 冲离子的电荷态分布) 及碰撞产物状态之间的相关性( 如一定电荷态的散射离子 所对应的反冲离子电荷态分布等) 来研究碰撞机制。 离子与原子的碰撞是一个复杂的多体相互作用过程，往往存在多个反应道。 通常将碰撞过程表示为： a 4 + + b - a ( q - k 卜+ b 件+ ( r - k ) e ( 1 1 ) 其中a q + 表示电荷态为q 的入射离子，b 为靶原子，a ( q k 卜为入射离子俘获k 个电子形成的散射离子，b 什为靶原子发生r 重电离形成的反冲离子，碰撞过程 体系发射的电子数为( 卜k ) 。根据碰撞产物的电荷态，可以将碰撞过程分为以下 三种过程： ( 1 ) 直接电离( d i r e c ti o n i z a t i o n ) ：k = o ，r o ，其中 k = o ，r = l 为直接单电离 k = o ，r l ，为直接多重电离 ( 2 ) 电子俘获( e l e c t r o nc a p t u r e ) ：k o ，r o ，其中 k - - r o 为( 纯) 电子俘获， k = r = l 为( 纯) 单电子俘获， r k o 为转移电离； ( 3 ) 入射离子的电子损失( p r o j e c t i l ee l e c t r o nl o s s ) ：k v e ( 高能区) 时，入射离子能量比较高，碰撞过程中靶原子的电离、激 发过程占优势，而直接库仑激发是靶原子电离的主要因素。m c g u i r e 2 8 】在研究 h e 的多重电离后提出，h e 的多重电离可以用两种机制描述：在入射离子能量较 高时，入射离子穿过靶原子区域时间很短，使得h e 的第一个电子在与入射离子 直接作用下电离了，而另一个电子则不受入射离子影响。由于第一个电子的出射， 电子之间原有的关联突然被破坏，h e 原子将在很短的时间内进行状态重组，使 得第二个电子在短时间内等效于处在类氢原子的激发态，受到很小的扰动就有可 能成为自由电子，这种过程成为单步过程( s i n g l e s t e p ) ，m c g u i r e 用突然近似下的 s h a k e - o f f l 2 9 模型来描述单步过程。单步过程的多重电离截面随入射离子能量和电 荷态的变化规律与直接单电离截面的变化规律相同，即正比：j ：( q v p ) 2 ，v p 和q 分 别是入射离子速度和电荷态。在入射离子能量较低时，就有足够的时间使得h e 原子的两个电子分别与入射离子发生两次单独的碰撞而电离，这种过程称为两步 过程( t w o s t e p 。1 1 ) 。两步过程的多重电离截面正比于( q v p ) 4 。k n u d s e n t 3 0 1 认为存在 另一种两步过程( t w o s t e p i ) ，即入射离子首先与靶原子一个电子作用使其电离， 该电子在离开靶原子区域的时间内与第二个电子碰撞使其电离。s h a k e o f f 机制 与t w o s t e p 机制在实验上难以区分，往往是这两种机制同时起作用。 当入射离子速度极高时，碰撞过程中靶原子可以认为是准静态的，碰撞持续 时间短，入射离子与h e 原子两个电子发生两次直接相互作用的概率极小，这时 的双重电离由纯的s h a k e - o f f 机制产生。k n u d s e n t 3 1 】用快速全裸离子入射研究了 h e 的双重电离，对于h e 的双、单重电离截面比r 2 l ，拟合一个半经验公式，从 该公式得到了s h a k e - o f f 极限为r 2 l = 2 2 0 x1 0 - 3 。b e r g 3 2 1 用6 0 m e v 、1 2 0 m e v 和 2 4 0 m e v 盯m 离子入射研究的多重电离的结果表明，即使对如此高的碰撞速度， s h a k e - o f f 极限仍未达到。 v p v 。( 低能区) 时，入射离子动能比较低，库仑势能占主导作用，碰撞中 以电荷交换为主，反应道相对单一，主要是电子俘获过程。m q l l e r l 2 0 1 和k l i n g e r l l 9 1 最早开始了多电子转移过程的研究，他们用低能( 母，也就是说只要电子能够过垒就能被 俘获，单电子俘获截面是：= y r 群，是一个常数。当入射离子速度大到一定 程度时( 一般是一个b o h r 速度左右) ，r 山 n c l 一 u i i ) l d l t o f f r a 8 1 0 - c f d 4 7 3 a 饥 m c p 图3 1 6 测量用核电子学与数据获取系统框图 碰撞产生的反冲离子经收集、加速及漂移后被m c p 探测器探测，m c p 产生 的时间信号由快时间放大器f t a 放大，然后由恒分甄别器c f d 定时甄别后，输 出一快逻辑信号作为s t a n 信号输入时幅转换器t a c 。从位置灵敏探测器p s m c p 上引出的快时间信号经f t a 放大、c f d 定时后，由单道延迟( 本实验延迟2 4 9 s ) 作为s t o p 信号输入t a c 。t a c 输出的脉冲幅度正比于两路信号的时间差，由t a c 输出的信号送入a d c 模数转换。a d c 对优先输入信号触发一个门信号，在门信 号时间宽度( 本实验为2 0 n s ) 内输入的信号被作为一个事件的信号进行转换。 位置信号和t a c 输出信号被a d c 进行模数转换后经m p a 一3 系统输出并送入计 算机，可以获得碰撞过程的反冲离子飞行时间谱和散射离子位置谱以及随反冲离 子、散射离子电荷态分布的符合事件谱。 图3 1 7 是3 0 5 m e vc ”与h e 原子碰撞测得的二维符合谱，横坐标对应碰撞 后散射离子电荷态，纵坐标对应反冲离子的电荷态。图中从右到左各列依次代表 散射离子的末电荷态为c + 、c 2 + 、c ”、c 4 + 、c 5 + ，上下两行分别代表h e 2 + 和h e + 。 _ 工 塑 c o o 静 基 _ 和 p o s i t i o n 图3 1 7 3 0 5 m e vc 3 + 与h e 原子碰撞反应的符合二维谱 3 2 实验条件及参数 为了在中间能区进行实验，并考虑到加速器的状态，我们选择了c q + 和 o q + ( q = 1 - - 4 ) 离子进行实验，所选离子的能量为2 0 k e v a m u 5 0 0 k e v a m u 。入射束流 经3 0 0 分析磁铁进行电荷态的选择后进入终端束流管道。为了提高实验测量的分 辨率，尽量使进入靶室的束流横截面足够小。经两级光栏准直后进入碰撞靶室， 在散射离子探测器上的束斑小于0 5 x 0 5 m m 2 。束流强度不能太大也不能太小， 如果太大，探测器死时间太大，如果过小，符合计数很小，需花费太长的测量时 间，影响实验的进程。通过调节限束光阑开度可获得合适的束流强度。 靶气体通过气流控制系统进入靶室。为了碰撞过程的单碰条件以及碰撞产物 的电荷态不会在碰撞区之外飞行过程中发生变化，进气量不能太大。另一方面， 为了使测量时间不会过长，进气量不能太少。综合两方面考虑，实验中要选择一 个合适的进气量。实验中未通工作气体时的本底真空在1 0 。6 p a 量级，参考前几年 在该实验室的工作，本实验中将靶室测量处( 靶室气压最低处) 的气压稳定在 3 6 1 0 3 p a 。 由于碰撞过程中产生的反冲离子的运动方向是多种多样的，为了使反冲离子 能被探测器收集探测，必须给予一个加速电压，使离子在该电压下向探测器运动。 反冲离子的探测效率和飞行时间谱的分辨都依赖于反冲离子加速电压。当加速电 压过高，会引起极间气体的放电，得不到真正的飞行时间谱。为保证有足够的时 间分辨，加速电压亦不能过低。我们在实验中选择加速偏压为+ 1 0 0 0 v 。 另一方面，由于栅极间的进气金属针尖会改变极间电力线的分布，导致电场 均匀性变差，将严重影响反冲离子的收集效率和分辨。因此，在针尖上加上合适 的保护电压，可以尽量减小电场分布的不均匀性。实验中发现，加速偏压为1 0 0 0 v 时，选择针尖电压为6 0 0 v ，反冲离子的探测效率高，时间分辨较好。 3 3 数据处理 在离子一原子碰撞中，对于碰撞反应的某一出射道，其绝对截面由下式确定 一1 n c 仃= 二 心t n p ( 3 3 1 ) 其中为数据获取系统对该事件的探测效率；n t 为靶的原子厚度，单位为 a t o m s c m 2 ，确定n t 需要知道碰撞区域的准确线度和碰撞区域的气压：n c 为实 验获取的该反应道的计数，可以直接由二维谱中对应的总计数扣除本底得到；而 n p 是与n c 相应的入射离子总数，可以由束流积分器得到，实验中束流强度控 制得很小，测量n p 存在比较大的误差。 本实验中我们无法直接测量对绝对截面，而主要研究不同反应道的相对截 面，即截面比，这样在数学上可以消除在靶厚n t 和散射离子数n p 的测量中所 带来的误差。以直接电离为例，如果用0 1 表示i 重直接电离截面，i 重直接电离 截面与单重电离截面比可以写成： ：里 盯1 f 州 ( 3 3 2 ) 上式中，1 、1 分别表示飞行时间谱仪对1 价和i 价反冲离子的探测效率； n c l 和n c l 分别表示实验获取的单重直接电离和i 重直接电离事件的计数。 反冲离子探测效率取决于从碰撞点到被m c p 收集这段时间反冲离子损失率 e r l 和m c p 对一定能量反冲离子探测效率0 1 。而反冲离子飞行时间谱仪的几何条 件和加速电压以及针尖电压的选取使得对各种电荷态的反冲离子r l 基本一致， 所以探测效率比i 1 主要取决于e o i e 0 1 。我们利用c 3 + 入射离子与h e 碰撞的实验 点与k n u d s e n 等人数据比较，得到本实验反冲离子h e 2 + 与h e + 探测效率之比 毋锄1 = 1 8 8 4 6 。 本工作研究的主要是不同碰撞过程的相对截面，重点是靶原子的双重电离与 单电离的相对截面比r 2 l ，其误差主要来源于：峰面积计数的统计误差( 4 ) ， 位置灵敏m c p 探测器效率均匀性，飞行时间m c p 探测器对各种电荷态反冲离 子探测效率的均匀性( 8 ) 和其他因素造成的误差( 4 ) 。因此，实验结果误差 1 0 v b o h r ，入射离子的速度远远大于b o h r 速度时，碰撞处于高能区， 实验测得直接电离是主要的反应过程，电子俘获过程几乎可以忽略，r 2 l 值基本 是一个常数。微扰理论对这一能区的单电离能给出较好的解释，对双电离主要是 s h a k eo f f 机制】。即认为入射粒子与靶原子中的一个电子碰撞使其电离，还来 不及继续碰撞就离开靶原子，完成了碰撞过程。第二个电子的发射是被电离一个 电子的靶离子在弛豫过程中发射的，即电子是从碰撞后的离子态向原子态的连续 态跃迁形成的。基于这样的碰撞后关联的物理图象，m c g u i r e 得到了r 2 l 是一常 数，这一点和实验相符。 ( 4 ) v o v b o h r ，中低能区( 强相互作用能区) ，入射离子速度v 基本与b o h r 速 度相当。这一能区r 的结构比较复杂，实验上，当v 大约等于1 2 的b o h r 速度 时，r 开始随着v 的增加迅速的增加，之后当v 大约是- n 三个b o h r 速度之间 时，r 达到最大值，然后随着v 的继续增加而缓慢下降。这种复杂的结构说明在 该强相互作用能区，多电子过程有着独特的机制，这一点是有一定的研究价值的。 理论上，对于简单的碰撞体系，考虑中间态的耦合道方程求解1 2 1 可以给出比较好 的结果，但对于多电子系统，计算结果也不理想。 当入射离子是全裸离子时，在理论处理过程中，将入射离子看作无内部结构 的点电荷；对非全裸入射离子碰撞，由于入射离子核外电子对核电荷的屏蔽作用， 从而在碰撞过程中，实际上对靶原子的电离有贡献的入射离子电荷并不等于入射 粒子所带电荷q ，我们引入有效电荷q e f r 力f l 以解释。所以，必须考虑入射离子内 部结构对碰撞中的电离的贡献。 研究发现，具有相同电荷态的全裸、非全裸入射离子，其双单电离相对截面 比值r 也存在差别。 对于描述多电子过程的重要参量r 的研究，在实验上，低能、高能、很高 能区的实验数据和理论研究比较充分，中低能区的数据不是很充分，尤其是非全 裸离子入射时的数据不多。同时，在理论上，由于是处于强扰动区的多电子问题， 很多理论不能给出好的结果，包括量子力学耦合道理论【1 2 1 。在其他三个能区都有 从各个能区特有的物理图象出发的模型理论，而在这个强相互作用能区，至今还 没有好的模型理论。 4 2 本工作实验结果 4 2 1 本实验结果 0 1 4 0 1 2 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 e n e r g yk e v a m u 图4 2 1a 1 + + i e 直接双单电离截面比与入射离子能量关系 e n e r g yk e v a m u 图4 2 2a 2 + + h e 直接双单电离截面比与入射离子能量关系 3 9 e n e r g yk e v a m u 图4 2 3a 3 + + h e 直接双单电离截面比与入射离子能量关系 加0 2 5 03 0 03 5 04 0 04 5 05 0 05 5 06 0 0 图4 2 4a 4 + + h e 直接双单电离截面比与入射离子能量关系 从实验结果可以看出，c q + 和o q + ( q = l 删离子与h e 原子碰撞直接双电离与 单电离相对截面比r 的实验值有下列几个特点： 一 ( 1 ) 当入射离子能量开始大于几十个k e v a m u 时，相对截面比r 随着入射 离子能量的增加而迅速增加。 ( 2 ) 当入射离子能量大约为2 0 0 3 0 0 k e v a m u 时，截面比r 达到极大值。 ( 3 ) 过了极大值之后，随着入射离子能量继续增加，截面比r 缓慢下降。 4 2 2 相关实验结果 图4 2 5a 1 + + h e 直接双单电离截面比r 2 l 与入射离子能量关系 4 l 0 1 6 0 1 4 0 1 2 o 1 0 t 0 0 8 叱 o 0 0 4 o 0 2 0 图4 2 6a 2 + + h e 直接双单电离截面比r 2 l 与入射离子能量关系 图4 2 7 a 3 + + h e 直接双单电离截面比r 2 l 与入射离子能量关系 4 2 e n e r g yk e y a m u 图4 2 8a 4 + + h e 直接双单电离截面比r 2 l 与入射离子能量关系 从图4 2 5 4 2 8 可以看出，相关实验中( q - l 4 ) 离子与h e 原子碰撞直 接双电离比单电离相对截面比r 的实验值与我们的实验结果类似。而且，可以 看出相同电荷态离子入射，全裸离子入射相对截面比r 比要比非全裸离子截面 比r 小，我们引入有效电荷q 。f r 初步加以说明。 4 3 理论解释 4 3 1b o h r 的理论模型 我们建立的理论模型，是在b o h r 经典过垒模型( c o b m ) 【2 3 1 基础上发展起来 的。在b o h r 的模型中，引入两个重要的相互作用距离参量，即过垒半径r r 和俘 获半径r c ，当入射离子速度很低时，r c r r ，过垒发生在俘获半径之内，过垒的 电子全部被俘获，俘获截面是一常数。当入射离子速度增大，使得r c r r 时， 只有过垒发生在俘获半径r c 之内，才认为靶电子被俘获；在r c 之外过垒的电 子，只是暂时过垒，将在碰撞后回到靶原子。 但实验上发现，当入射离子速度大于b o h r 速度时，就在俘获截面随着入射 离子能量增加而迅速减少时，单电离截面开始升高，并且在数量级上和单俘获截 面相当。b o h r 模型对此没有解释。我们认为，由于入射离子的接近，那些过垒 的电子的动能增加，基本在数值上等于离子对于这些电子的s t a r k 能量，当这个 能量大于过垒电子所处分子态能级的能量时，电子将具有足够的动能脱离靶原 子；同时，如果这些过垒电子不在俘获的范围内，也就是不能与入射离子形成稳 定的束缚态，则我们认为该电子被直接电离。也就是说，在b o h r 模型对俘获处 理的比较好的基础上，我们在该模型中引入分子态的直接电离，也就是那些被入 射离子俘获到连续态的电子将最终被电离。 4 3 2 理论计算 首先考虑单电子过程。 眦e h a u s 等人均给出了电子过垒后分子态的能量约为一( ，+ 对其 中i 是电子电离能，q 是入射离子电荷态。电离半径r i 的估计为： 旦，+ 旦 置母 ( 4 3 1 ) 也就是说，入射离子继续接近给予电子的s t a r