（粒子物理与原子核物理专业论文）负离子碰撞脱附的研究.pdf

致谢 本工作是在导师陆福全教授和张雪梅副教授的指导下完成 的。三年来两位导师对我的学习，科研，生活各方面的教诲， 鼓 励和关心让我永远难忘，衷心的感谢两位导师。 同时， 研究生阶段的工作也是也是原子物理组全体老师和研 究生的集体智慧和共同努力的结晶， 我对王炎森教授， 霍裕昆教 授，承焕生教授，邹亚明教授，陈重阳副教授怀有深深的谢意。 同时感谢宁西京副教授， 沈皓副教授， z 泳教授， 贺勉鸿高级工 程师给予的指点。 感谢所长周筑颖教授给予我的教导。 感谢傅桃 贤老师，叶翠娣老师，查秉强老师，张杰雄老师的帮助。感谢齐 静波硕士，夏海宁硕士给予的指点以及师兄黎光武给予的帮助。 感谢所有帮助过我的师兄，同学，师弟们。 感谢杨福家院士给实验室创造的良 好工作条件。 感谢父母和家人给予我的关心，感谢他们长期来给予我做 人的教诲和激励，没有他们的鞭策和鼓励我是很难坚持下去的。 ab s t r a c t t h e s i n g l e e l e c t r o n d e t a c h m e n t o f n e g a t i v e io n s i n c o l l i s i o n w it h a t o m s i s k n o w n t o b e o n e o f t h e m o s t f u n d a m e n t a l p r o c e s s e s o c c u r r i n g i n p l a s m a p h y s i c s , a s t r o p h y s i c s , a n d i o n o s p h e r i c p h y s i c s . e x p e r i m e n t a l a n d t h e o r e t i c a l s t u d i e s o f t h i s c o l l i s i o n p r o c e s s e s m a y b e u s e d t o i m p r o v e o u r u n d e r s t a n d i n g o f i o n - a t o m i n t e r a c t i o n a n d t h e s t r u c t u r e o f n e g a t i v e i o n s , t h u s , t h i s s u b j e c t h a s b e e n e x t e n s i v e l y s t u d i e d i n t h e p a s t f e w d e c a d e s . t h e g r o w t h r a t e m e t h o d w a s u s e d t o m e a s u r e t h e s e d ( s i n g l e - e l e c t r o n d e t a c h m e n t ) c r o s s s e c t i o n s i n t h i s w o r k . t h e s e d c r o s s s e c t i o n s f o r c u i n c o l l i s i o n w i t h h e , n e , a r , n 2 ; h -, a g , c , c l ( i s o t o p e c 1-, c 1-) , f e -, c r - in c o ll i s i o n w it h h e w e r e o b t a in e d in t h e r a n g e o f 5 - 3 0 k e v . t h e r e s u l t s a r e q u a l i t a t i v e l y d i s c u s s e d . t h e r e s u l t s f o r c u i n c o l l i s i o n w i t h d iff e r e n t i n e rt g a s e s a r e c o m p a r e d w i t h e a c h o t h e r . t h e r e s u l t s f o r h e i n c o l l i s io n w it h d i ff e r e n t n e g a t i v e i o n s a r e c o m p a r e d w i t h e a c h o t h e r . i n t h e v i e w o f c l a s s i c a l d y n a m i c s , t h e s e d c r o s s s e c t io n s o f n e g a t i v e i o n s i n c o l l i s i o n w i t h g as a t o m s a n d m o l e c u l a r s a r e d e t e r m i n e d b y t h e s i z e o f t h e t a r g e t s . t h e b i g g e r t h e t a r g e t , t h e g r e a t e r t h e s e d c r o s s s e c t i o n ; t h e c r o s s s e c t i o n s a r e a l s o d e t e r m i n e d b y t h e v e l o c i t i e s o f t h e i n c i d e n t i o n s . b e c a u s e t h e m a s s e s o f t h e i n c i d e n t i o n s a r e d i ff e r e n t , f o r t h e s a m e i n c i d e n t e n e r g y , t h e v e l o c i t i e s o f t h e n e g a t i v e io n s a r e d i ff e r e n t . t h u s t h e t r e n d s o f t h e s e c t i o n s v a ryi n g w i t h t h e i n c i d e n t e n e r g i e s a r e d i ff e r e n t . a l t h o u g h t h e r e h a v e b e e n m a n y t h e o r i e s a b o u t e l e c t r o n - l o s s c r o s s s e c t i o n s o f h i g h o r l o w e n e r g y n e g a t i v e i o n s in c o ll i s i o n w it h g as t a r g e t s , f e w i s a p p l i c a b l e f o r s e d p r o c e d u r e s o f w h i c h m e d i u m m a s s n e g a t i v e i o n s i n c o l l i s i o n w i t h i n e rt g a s i n t h e m e d i u m e n e r g y r a n g e . a s y s t e m i c q u a n t u m t h e o ry t h e r e f o r e i s e x p e c t e d f o r i n t e r p r e t in g t h e e l e c t r o n - l o s s p r o c e d u r e s i n a w i d e e n e r g y r a n g e . i n t h e p r e s e n t w o r k , c o n s i d e r i n g t h e a tt a c h e d e l e c t r o n i s b o u n d e d i n t h e a t o m, a n d m o m e n t u m t r a n s f e r c a n n o t b e p r o p e r l y d e s c r i b e d as t h e r e s u l t o f e l as t i c i m p a c t , a s e m i - c l as s i c a l o s c i l l a t o r m o d e l i s a p p l i e d t o c a l c u l a t e t h e s i n g l e - e l e c t r o n d e t a c h m e n t c ro s s s e c t i o n s . t h e p r e l i m i n a r y c a lc u l a t i o n r e s u l t s a r e c o m p a r e d t o t h e e x p e r i m e n t a l d a t a . 摘要 负离子与原子碰撞的单电子脱附过程是普遍存在于等离子体物理、天体物理、 电离层物理学中的重要过程。实验和理论的研究有助于加深我们对于离子与原子作 用过程以及负离子结构的认识。因此， 这一课题在过去的数十年里得到广泛的研究。 本工作采用了增长率方法系统地测量了 铜负离子与氦、氖、氢、氮;氢、 碳、 氯( 同 位素3 5 c c , 3 8 0 1、 银、 铁、 铬负 离子 同 氦 碰 撞的 单电 子 脱附 截 面。 我 们 对实 验结果进行了定性的分析，包括铜负离子与不同惰性气体的单电子脱附截面和不同 负离子与同一种惰性气体的单电子脱附截面。从经典的角度来看，负离子与气体原 子分子碰撞的单电子脱附截面的大小与气体原子或分子的大小有关，气体原子或分 子越大，截面越大;同时截面随入射能量的变化趋势与负离子的运动速度有关。由 于不同入射负离子的质量不同，对于相同的入射能量， 负离子的入射速度是不同的， 因此造成截面随能量的变化趋势不同。 目 前有不少关于负离子同气体靶碰撞的电子脱附行为的理论，然而很少适合描 述中等质量，中等入射能量负离子同 惰性气体靶的碰撞。当然，我们需要一个普适 的量子力学理论来描述这一过程。 在这个工作里， 考虑到吸附电子仍然是被束缚的， 不能简单的视为弹性碰撞，因此，我们建立了一个经典的谐振子模型来计算单电子 的脱附截面。我们将初步的计算结果同实验讲行了比转。 第一章 引言 1 i概论 所谓负离子，通俗地说就是带有负电荷的离子。负离子可分为:原子负离子、 团簇负离子、分子负离子和生物分子负离子。从我们日常生活的空间，到地球外层 空间的电离层、地球的磁层;从太阳的大气层，到星际空间的其他恒星体的磁层; 到处都活跃 着负离子 的身 影d -4 1 。 不但 如此 其实负 离子的 存在与 我们的日 常生 活息 息 相 关。 如 在地 球 表面， 空 气当 中 的 负 离 子的 平 均 密 度为 1 0 0 0 - 5 0 0 0 / c m 3 。 当 室内 空气的负离子含量低于1 0 0 0 / c m , 时， 我们会感到不舒服; 但当我们走到有树林的 地 方时， 会有一种清新的感觉，因为那里的空气除了氧气丰富外，另一个原因就是负 离子的浓度达到了7 0 0 0 / c m 3 15 1 。 在一些现代科研设备 ( 如: 串列加器、 高功率激光 器、负离子质谱仪等)中，负离子在其中起着关键性的作用。目 前，一种专门用于 改善空气环境的家用电器一负离子发生器正悄然走进百姓家庭， 人们也开始对负离 子有了一份熟悉。 研究负离子的碰撞截面有其现实意义， 例如生活中使用的负离子 发生器所产生的负离子其自由程与碰撞截面是成反比的， 通过研究各种负离子的碰 撞截面就能对其自由 程有一个定量认识。随着有关负离子的研究和应用的不断发 展，人们对负离子的了解也会越来越多，越来越深入。研究负离子的目的之一，也 是追求于对自 然客体的认识和了解。 在原子物理学范围内， 原子负离子就是指由中性原子和额外的电子束缚在一起 的一个系统。 在原子负离子系统中，由 于中性原子的核外电子对原子核库仑场的屏 蔽， 电 子相互关联效应起明 显的 作 用， 额 外的电 子所“ 感受” 到的 场强随1 / r 4 而 变 化。因此在原子物理学中，这样的负离子系统就有一些与原子和正离子不一样的特 殊性质: 一是额外的电 子与原子之间的 束缚能很小( 通常称亲和能， 一般几个e v ) ; 二是激发态少。同时，负离子也是原子物理学中研究电子关联理论的最佳对象。研 究电 子关 联理论是目 前原 子 物理学中 最为 前 沿的 课 题之一 【“ 。 真正大量开展对负离子的研究应该从五十年代开始算起。那时，由于发展串列 加速器技术，需要开发负离子源， 需要对负离子的产生和与物质的相互作用有更多 的了 解。 如: 1 9 5 8 年， 前苏联h . c . b y v e n b x n k o s a 等 人对负离 子的 产生 进行了 研究 d a l 。 六 十年代， 人们开 展了 许多 测量负离 子的 亲和能的 实验 i 1 p ， 同 时开 始对加速器 加速的负离子打击在原子上的相互作用过程和电 子脱附截面进行研究 1 2 1 。 从六十年 代到七十年代， 负离子源的技术逐步得到发展，同时有关负离子的应用技术也相继 出 现 13 - 1 6 1 ， 负离子源不仅用于串 列加速器， 而且还用于回旋加速器 1 7 1 、 质谱仪。 最 近二十年来， 有关负离子的实验技术已经得到了很大的发展，以负离子为对象的研 究范围也越来越宽， 研究的手段也多种多样。目 前，在原子物理学科范围内， 在实 验上主要是测量负离子的亲和能、负离子激发态、负离子激发态的寿命、负离子与 原子分子的碰撞电子脱附截面， 负离子的光致脱附截面，用磁分析电子谱仪测量光 致脱附电子或碰撞脱附电子的能谱来确定负离子的共振态能级: 理论上主要是利用 实验测量数据对校验理论计算模型， 更好地从理论上描述原子核外电子之间的关联 fol 题 1 8 , 1 9 当负离子束穿过气体靶时，并不仅仅是气体靶中的原子或分子被激发、电离、 或俘获电子，而且束流中的负离子本身的电荷态也会发生变化，这一过程即是电荷 变化过程。在复杂的原子体系中，电荷变化过程是获得原子碰撞过程重要信息的来 源之一。负离子额外的电子在碰撞过程中获得一定的能量而脱离原来的束缚系统， 由于负离子对额外电子的束缚能小，因此作用截面大。 可见负离子与原子碰撞过程 中的单电子脱附是这一电荷变化过程中的一个最基本的物理现象。负离子的脱附截 面不仅与入射负离子的能量有关，也与负离子的内部结构有关。 负离子与原子碰撞 时的电 子脱附 过程的 物理描 述是 原子 物理学 领域非常重要的 三体问 题2 0 。 负 离子与 原子碰撞的电子脱附实验研究的数据积累，能为 “ 电子关联” 理论的研究提供必不 可少的、 和充分的 实 验依 据2 0 。 人们 研究负离 子单电 子脱附 这一电 荷变化过程除了 认识负离子本身这一纯科学目的外，也与其它基础研究领域和应用研究领域相联 系:如对于等离子体物理、 地球电离层物理、 燃烧化学以及天文物理等领域的研究 都有重要的意义: 另外负离子与原子碰撞的电子脱附的研究对负离子束的产生和单 能中性原子束的产生研究有现实意义， 负离子束的产生又是串列加速器设计与制造 中要解决的一个重要问题，在此领域的研究有可能开辟一条新的重粒子加速方法: 负离子的生产过程同样是质谱分析，气体放电过程要研究的一个重要方面;这方面 的研究对高功率激光器和强流中性束装置的研制有着重要的应用价值。 而单能中性 束的产生则是原子碰撞领域一个较新的课题， 强流中性束在托克马克聚变实验研究 中可为等离子体提供辅助加热，在国防上认为是潜在的新型的粒子束武器。因此， 负离子与原子发生碰撞时脱附的研究是原子物理学领域非常重要的研究课题之一 2 1 - 3 9 1 .2国内外研究现状 国内也开展了一些以负离子为对象的研究工作。九十年代初，上海核子所研制 出了 我国的第一个艳溅射负离子源4 0 ; 同时， 中国西南物理研究院和北京大学也在 联合开展强流负离子源的研究工作。目 前兰州大学现代物理系正在开展电子一负离 子碰撞中多重电离过程的研究; 厦门大学和南开大学在高分子化学和生物化学领域 开展了分子负离子在化学反应和生物还原过程的作用机理的研究。 负离子与原子碰 撞过程的研究在我国尚属空白，而这一问题与原子物理学领域的三体问题密切相 关，在高功率激光器以及强流中性束的研究中也有重要意义的。 在国 外， 1 9 5 6 年美国o a k r i d g e国 家实验室的p . m. s t i e : 等人在重离子加速器 上测量了 用 束与h 2 和h e 碰撞的电 子脱附 截面4 11 。 六十年代到七十年代， 美国 的o a k r i d g e国 家实 验室、 l o s a l a m o s 国 家实 验室、 德国 的g i e s s e n大学、日 本的 原子能研究院等多家研究机构从事了这方面的研究。目 前，国 外开展负离子领域研 究的主要实验室有: w i s c o n s i n - m a d i s o n 大学、 w i l l i a m a n d m a ry学院、 t o l e d o 大学， 丹麦a a r h u : 大学，法国p a r i s - s u d 大学， 德国 柏林h a h n - m e it n e r 研究所等4 2 -6 9 1 随着加速器、 激光技术、 计算机和其它实验技术的发展，国外对负离子这一研 究对象的 研究范围已大大扩展， 如利用激光研究负离子的 共振态和测量负离子的亲 和 能 5 0 -5 3 1 ; 利 用 激 光 和 储 存 环 研 究h e ( 1 s 2 s 2 p 4 p ) 态 的 寿 命 15 4 1 - 测 量 负 离 子 光 致 脱 附的电子能谱或碰撞脱附的电子能谱;全能段 ( 从高能到低能)测量各种负离子与 原子碰撞的电 子脱附截面等5 5 -6 5 1 。目 前国际上有关负离子与原子碰撞的研究出 现这 样两个 “ 极端” 。一个 “ 极端”是主要是以轻元素负离子为对象，这些轻元素负离 子主要是氢负离子、较轻的碱金属负离子、卤素负离子，而所用的靶气体主要是惰 性气体、 氢气、 氧气、 氮气、 一氧 化碳、 二氧 化碳、甲 烷或臭氧 14 2 ,5 5 , 6 7 -7 3 1 。 另 一个 极端是分子负离子、 团簇负离子和生物大分子负离子为研究对象。 如: 丹麦a a r h u s 大 学的 沈 浩博 士 和h e o lp lu n d 教 授 则开 展了 碳团 簇负离 子、 生 物大 分 子 负离 子的 碰 撞所引发的一系列物理现象的 研究7 4 1 对轻元素负离子与原子碰撞的问题，过去的研究主要集中在 i k e v 以下和 1 0 0 k e v上的能量段，而1 k e v至1 0 0 k e v的居间能量段的相关研究不多。在已 开展 的这些研究中，以氢负离子+氦的碰撞系统为对象的研究最多，实验测量数据最为 丰富。负离子与原子碰撞过程的理论模拟计算主要有适合低能量段 ( 1 k e v)的分 子轨道模型 ( 简称mo模型) ;适合居间能量的自由碰撞模型 ( 简称f c模型) ;适 合高能端的波恩近似模型 ( 简称b a模型) 2 0 ,7 4 .7 5 1 1 .3负离子的 特点3 ,5 , 1 0 , 7 3 ,7 6 1 负离子的主要特点就是亲和能小。 某元素的亲和能定义为: a元素原子的基态 能与a元素负离子的内能的差 e e a ( a ) 称为a元素原子的电 子亲和能。数值上， 它 等于使负离子上的附加电子去掉需要给予的最小能量。 所以 有时也称它为负离子的 电子束缚能或解吸能。可见，只有电子亲和能大于零的元素 ( 大约占全部元素的 7 5 %) 或化合物才有稳定的负离子。一般，当e e a 0 时，负离子在约小于1 0 - 1 ， 秒 内发射吸附电子，然而也存在若干长寿命 (大于微秒量级)的 e e a 0的亚稳态负 离 子， 如h e ( e e a - 0 .7 5 e v , x 1 8 .2 u s ) , c a - , b e - , c _ , n - , m 梦、 a l , s i等。 根据理论和实验测量结果得出:所有惰性气体元素的e e a 0 ;卤素族的 e e 。比 较大。这是因为惰性气体有完满的电子壳层，原子核正电子场被电子壳层屏蔽得最 好，不能再吸附一个电子，而卤素族元素与此相反。 按此规律推测， 似乎随元素原子量的增加电子亲和能应该变小，但是，实际上 同一族元素的 e e a 值彼此接近:这是因为还必须考虑到吸附 额外附加电子的另一个 重要原因附加电子使原子产生的极化， 随元素的原子量的加大， 这种极化加剧， 吸附力加大。 负离子的电子亲和能很小，因此它很容易解吸，当负离子与其他粒子碰撞时， 也 容易发生 单电 子脱附。 另外， 负离子不 存在稳定的 双电 荷负离子， 例如 h z 一 的 寿 命 约1 0 - 1 1 s . 1 .4负 离 子 的 产 生 过 程 3 ,5 ,1 0 , 7 7 产生负离子的主要过程主要是: a . 电子碰撞 离 解 吸 附 :a b + e 一a十 b a b + e 一a 7 + b * a b * + e一a +b 极化离解: a b + e一a十 b + + e 离解复合:a b 十 十 e一a+ b 十 辐射俘获: a 十 e一a十 b y a b + eee es es es 11 b +h v 三体碰撞俘获:a 十 e + c一a 一c ab + e + c一 一 - - w ab + c b . 离子或原子碰撞 两次电荷转换 ( 形成快负离子) : a * + b一a 0 + b + a 0 + b - a _ + b + 双电 子 俘获: a + + b - p a - + b 2 + 碰撞解离 ( 形成慢负离子) : a + b c一a + b +c 电荷交换 ( 由快负离子变为慢负离子) : a 7 ( ) + b ( 慢) 一a ( 快) + b 一 慢) b - + c a + b c 一a + b c b+ c c . 粒子碰撞固体表面 反射俘获: a 一a a 0 一 一 i a - 溅射或解吸俘获: a + - 1 j 卡 b)b a 责查 i b )b 表面负电离: a0a 1 .5国外目前采用的几种相关实验方法 a测 量电 荷 变 化 产 物 的 低 速 靶 离 子 或电 子 的 电 容 法 ( c o n d e n s e r m e th o d ) 18 18 4 1 入射负离子与靶原子发生相互作用后， 靶粒子的电荷态也发生变化。 通过测量 碰撞过程中产生的电子或低速靶离子可以获得截面信息。 这些碰撞后产物一般能量 较低， 较小的电场或磁场就能使这些电子或离子向电极移动，从而在电路中引起电 流。 单次碰撞假设成立的情况下， 通过测量信号电流随靶气体压强的线性变化曲线， 可以得到负离子脱附截面。 c o n d e n s e r m e t h o d比较适合于研究低能区 ( - 1 0 0 e v ) 的电荷变化截面。在此能区内，其它方法可能因弹性散射而产生较大的误差。 b . 平衡法 ( e q u i l i b r i u m m e t h o d ) 当入射离子束穿过了 足够厚的靶物质 ( 靶厚大于 1 0/ c m , )后，由于经过了 足 够多次的碰撞，可以预见各种电荷态的粒子之间的碰撞电荷交换将达到平衡，换言 之，出射束中的各电 荷态的比 例达到了 平衡。平衡状态下， 各种电 荷态的比 例与初 始入射粒子的电荷态无关，而只与得到和失去电子的截面有关，此时可用下式计算 各电荷态的比例 艺f j u j。 一 f m u ,j = 0 , m 一1,0 , - -z ( 1 . 3 ) f 7 表 示 离 子 束 中 电 荷 态 为i 的 粒 子 达 到 平 衡 时 所 占 的 比 例 ， 6 ， 表 示 单 次 碰 撞中离子从m电荷态变为j 电荷态的截面。 通过测量平衡态中各种电荷态粒子所占 的比例，就可以得到各电荷变化截面之间关系。 平衡态中不同电荷态的百分比可通 过电分析或磁分析的方法来确定。需要指出的是，这种方法由于亚稳态影响，会给 截面测量带来很大的误差。 c . 合并 束方 法( m e r g e b e a m m e t h o d) 和交叉束方 法( c r o s s b e a m m e t h o d ) 18 5 1 合并束方法采用两束在同一轴线上同向运动。在实验室坐标系下，两束间具有 不同能量而具有同向 运动的粒子， 在质心系坐标的能量可以小到低于 l e v 。另外， 合并束法还能加大离子间碰撞时间， 增加反应产物的产额。实验的产物可用电分析 方法或磁分析方法来研究， 合并束方法适用于低能电荷变化实验和离子束中性化实 验中。 交叉束方法常用来研究那些不稳定的原子( h , o) 等的电 荷变化过程， 经调制的 交叉束方法可大幅度减小实验的误差。 d 增 长 率 法 g r o w th r a t e m e t h o d ) 18 6 -9 0 1 这种方法的基本思想是:入射单能离子进入充有靶气体的气室，气室内的气体 气压足够小以至该离子在碰撞路径上最多经历一次碰撞。 各种电荷变化截面的测量 就可转化研究新生成的电荷态的百分比随靶厚变化情况。 作给定的新生成的电荷态 粒子的强度随气压的变化曲线， 此曲线直线部分的斜率即可用来确定与之相关的电 荷变化的截面。 这种方法实验上较易实现， 适合测量从几k e v到向百me v能区的 电荷变化截面， 绝大多数的截面都是通过这种方法来测量的; 但在涉及高能多电荷 转移时，这种方法会带来很大的误差。 本实验测量选用增长率法测量负离子在碰撞过程中的单电子脱附截面。 国外多家实验室是基于这一方法来设计实验装置的。 实验测量时使用两个探测 器分别测量从靶室穿透出来的负离子强度和经过脱附后的中性束流强度。但是，由 于实验装置的机械设计和安装上的困难，无法使两个探测器的几何尺寸完全一致， 无法保证两个探测器的探测效率完全一致。因此实验测量结果的误差大。 在我们的实验装置中，通过加入一个逻辑脉冲调制电路系统， 实现了同一个探 测器既用来测负离子束流的强度， 也用来测中性束流的强度。从而减少了 试验测量 中的误差。在论文的第三章中，将包括对该方法的详细介绍， 1 .6本工作研究内容 在国际上，从负离子的能量范围来分:过去的研究主要集中在 1 k e v 以下和 1 0 0 k e v上的能量段，而 1 k e v至 1 0 0 k e v的居间能量段的相关研究不多。在己开展 的这些研究中，以氢负离子+氦的碰撞系统为对象的研究最多，实验测量数据最为 丰富。目 前过渡元素 c u负离子与原子的碰撞过程中的电子脱附截面的实验数据还 非常缺乏， 而这有关这方面的研究无论对基础物理研究还是在应用研究方面，都有 非常重要的意义: a c 负离子在碰撞过程中的电 子脱附截面数据目 前也未见报道; c i 一 负离子在低能端和高能段的数据己有多家测量， 但居间能量的实验数据目 前还未 见报道; c 一 负离子的这方面的数据非常少， 在目 前的最新数据评价文献中只有一个 数据点; 而过渡族的f e - , c c 以及铜离子与氮分子的数据也未见有报道。 因此本实 验选 择c u - , a c , c l-( 两 种同 位素) 、 c - , f e - , c c 为 实 验 研究 对象。 在 居间 能 量 范围 ( 约5 - 3 0 k e v) ， 测量了c u - , a c , c l - , c - , f e , c c 六种负离子与h e 原子 碰撞以 及的c u - 与从碰撞的电 子脱附 截面。 并且测量了c u - 与不同的惰性气体h e , n e , a r 碰撞的单电 子脱附截面，理论上进行了定性的分析。 第二章 实验原理及实验系统 2 . 1 测量原理 在原子气体非常稀薄的条件下，可以认为单次碰撞的条件成立。 于是可以 采用 如下公式: i,t- a n ia i ,. a p= n k t ( 2 . 1 ) ( 2 . 2 ) i , 是入射的总 束流，与， 是出 射的中 性束，a 为 碰撞作用区 域的 截面积。 用n 表 示 靶 粒子 数的 密 度 ( c m 3 ) ; k 表 示玻 尔 兹 曼常 数; t 表 示 绝 对 温 度( k ) ; p 为 气体的 绝对压强( p a ) , 1 为负离子束穿过气体靶的 有效长度( c m ) . ( 2 . 1 ) , ( 2 .2 ) 可以 表示为: 1 0 i - i 十 1 0 = v - ,0 ( 0 .7 2 6 x 1 0 1 ， i t ) p i ( 2 . 3 ) f 0 = 6 _ ,0 ( 0 .7 2 6 x 1 0 17 i t ) p i 其中， i _ , 是表示穿过气体靶室后的负离子束流强度 ( 2 . 4 ) 1 0 是表示穿过气体靶室后的、 由 原入射离子转化为中性粒子的中 性束流的 强度， 6 - 1 0 表示负离子的单电 子脱附 截 面。 跟据( 2 .4 ) 式， 实验中 测量出f 。 的值和靶室中 气压强度p 的值， 并以f 。 为纵轴、 p为横轴作曲线， 则根据曲线的斜率可得出负离子在碰撞过程中的单电子脱附截面。 因此，依据这一原理测量负离子的电子脱附截面的方法也就称增长率法。 2 .2实验装置 2 .2 . 1实验装置的物理设计 实验中所用的负离子束由艳溅射负离子源产生， 能量在5 - 3 0 k e v之间连续可调。 负离子束首先经过同位素分离器的分离和纯化， 随后经过电透镜的聚焦和狭缝的准 直，再经过开关磁铁的选择进入相应的实验管道。实验装置如图2 . 1 所示。 由于负离子束在漂移路径上与系统中的残余气体分子碰撞而发生电子脱附， 从 而使快负离子束中混入了 本底中 性粒子。因此， 通过开关磁铁的选择进入 3 0 度实 验管道可以扫除掉负离子束中的中性粒子。 负离子进入实验管道后， 进入4 .6 c m长的充有气体的气室中。负离子经过气室 时与气体原子或分子发生碰撞，一部分负离子的电子脱离束缚并成为中性粒子。穿 过气室的束流经过一对静电 偏转板， 负离子束和中 性束被分离。最后， 粒子流打在 覆盖三氧化二铝膜的铝板 ( 即转换靶)上产生二次电子。单通道电子倍增器探测到 二次电子的脉冲信号经过核电 子学仪器的处理， 最后进入多 路计数器记录。 静电 偏 转 板由 毫秒级的 方波进行调制， 幅 度在3 0 0 到5 0 0 伏之间。 当电 压处于低电 平 ( 实际 上为零) 时， 中性粒子流和负离子流都被探测器探测到并计入计数器1 ， 而当电 压处 于高电平( 4 0 0 v ) 时，负离子束偏离原方向 而只有中性粒子束被同一个探测器探测 到，并被计入计数器 2中。 p u l s a 1 2 0 3 co n v e rt e r a n a l y s i s ma g n e t 图2 . 1 实验装置 2 .2 .2艳 溅 射负 离 子 源 ( s p u tt e r i o n s o u r c e b y c e s iu m io n ) 负离子源的选择首先要考虑能够产生负离子的种类，同时也要 考虑离子束的强度、能散、加速和聚焦系统对束流品质的影响等技术要求。 本 实验装置采用上海核子所研制的艳溅射负离子源。图2 .2是该负离子源的设计结构 示意图;图2 .3为工作原理示意图。其工作原理简述如下:负离子源的艳池经加热 后， 部分艳汽化并由 艳管到达电离器表面。 艳蒸汽与灼热的电离器表面作用而产生 艳正离子， 正离子在电 场作用下向 溅射极飞去， 并轰击溅射极处的样品。 样品中的 原子在艳离子的轰击下产生二次发射负离子， 负离子经过加速、 聚焦， 最后被引出。 十恤 形裸袋 团酬匹举日黔十榷唱哟凶团 串钮密 获彰 团艇暇招 织卞弱名鹦小褪瞩叫囚团 理 2 .2 .3同 位素 分离 器9 3 负离子源产生的负离子被引出电极引出后，再经过同位素分离器的静电单透镜 的 聚焦和双聚集型 9 0 0 磁分析器的 偏转和选择， 得到同 位素纯的负离子束。同 位素 分离器的主要性能指标是: ( 1 )离子能量0 - 3 0 k e v，能量 1 %; ( 2 )分配磁铁的质量分辩率4 0 0 ( 3 ) 束流焦面上的 最大发散角l o m r a d ， 焦面上束斑直径4 m m ( f w h m ) 2 . 2 .4真空系统 整个真空系统可分为三个区域。第一区域是负离子源和同位素分离器部分:这 一部分由 一台 抽速为5 0 0 u s 的油扩散泵抽气， 静态真空优于2 .0 - 1 0 6 t o r r ， 第二区域 是漂移管道部分，这一部分由一台抽速为 7 0 0 u s的油扩散泵抽气，静态真空优于 5 x 1 0 - t o r r ， 第三区域为靶室部分， 这一部分的真空相对比较重要。 靶室部分由1 台 抽速为4 5 0 u s 的分子泵和1 台低反流的4 5 o v s 的扩散泵抽真空， 且在气室部分选择 油扩散泵， 解决了以 前系统对较轻靶气体抽速小问 题。 静态真空度优于2 . 0 x 1 0 - t o r r , 当 气室 气压充至最大时， 真空 度不低于3 x 1 0 -6 t o r r o 2 .2 .5气室及供气系统 气室的设计必须满足两个条样: ( 1 ) 气室的束流入射孔和出射孔的口 径大小必须适当。当气室的气压充至最大 时，不能明显改变气室外的系统真空度。 ( 2 ) 气室在束流飞行路径上的长度必须满足这样的条件:当气室的气压充至最 大时，单次碰撞的条件仍然满足。 实验中使用的气室呈圆柱形。气室的入孔直径为0 . 5 m m，出孔直径为l m m， 长 度为 6 0 m m 。出孔比入孔大是为了使得碰撞后小角散射的粒子能通过气室而被探测 器探测到.气室下端与靶气体储气罐相连。靶气体进入气室的进气量由一高精度针 阀控制。实验前，输气管道经过烘烤和靶气体的冲洗，从而减小了靶气体中混入使 负离子有较大电子脱附作用截面的气体 ( 如氧气、氮气等)的可能性。 2 .2 .6 探测 系 统9 4 .9 6 a . 单折板偏转器 实验中，当负离子经过气室发生电 子脱附后，需要把其中的负离子以及中性化 后的原子分离开，因此要求单折板偏转器具较高的偏转灵敏度，能稳定有效地按设 计要求偏转离子，即较小的偏转电压得到较大的偏移量。分析器还要有小的偏转散 焦， 这一点对本实验很重要，因为探测器的接受角有限，散焦大会严重影响粒子的 收集。考虑到这些要求，我们设计了单折板静电分析器，它体积小，加工简单，安 装调试容易实验中使用的静电分析器如图2 .4 所示。 呼 一 12 一 , . d 门仃 图2 .4 单折板偏转器结构图 分析器由两块偏转板组成，对此分析器的性能作理论计算时可将它看成果是平 行板与开板的组合，带电粒从分析器飞出后，其飞行路径的偏转角可表示为: y ( 1 , 1 , . d , 、 t g u=二 二 ， 理， 十- 厂 - 一 丁i n = ， 2 v io n l a l a 2 一 a , a , ) ( 2 . 5 ) v io ,t= e io n l q , ( 2 .6 ) ( 2 . 5 ) 式和( 2 .6 ) 式中， v 表示加在偏转板上的电 压、 单位为v o l t ; v i. 。 的单位为v o l t ; e io 。 等于离子动能; 9 表示离子的电荷态; 其他各项物理量如图2 - 4 所示， 可以 看 出偏移量只与粒子的能量和电荷量有关而于粒子的种类 ( 质量数)无关。实际使用 的 分 析 器的 具 体 参 数是1 1= 1 3 0 0 m m , 1 2 = 4 0 m m , d , = 3 0 m m , 0 = 1 5 0 。 实 验中 保 持 粒 子的 强 度恒定时，测量二次电子发射型探测器的计数随分析器偏压的变化。测量表明:分 析器的偏压在一定范围内变化时， 探测器的计数保持恒定，曲 线具有一明显的坪区。 实际 测量中， 分析器的 偏压选择在曲 线坪区的中央。 对离子的 每个能量点都测量了 这样的坪曲线，以选择各能量点下的最佳偏压值。 b . 二次电子发射转换板 二次电子发射转换板是用抛光成镜面2 m m厚的纯铝制成， 转换板的表面有一层 a 1 2 0 3 膜。该 a 1 2 0 3 膜是用纯铝板在电解槽内通电缓慢氧化数日 而制成。快粒子轰 击转换板表面产生二次电子。选用a 1 2 场膜作转换板，是因为这种材料的表面电子 脱出功小。 c . 单 通 道电 子 倍增 器 19 6 1 单 通道电 子 倍 增 器( c h a n n e l e le c t r o n m u lt i p l ie r - - c e m ， 也 称c h a n n e lt r o n ) 是 一 种 利 用 二 次 电 子 发 射 原 理 制 成 的 连 续 倍 增 型电 子 倍 增 器 。 他 具 有 增 益 高 ( 1 0 勺 , 噪 声 低( o . i c p s ) 、 探测效率高( 1 0 0 % ) 等优点， 是 探测低能 粒子的 有效 工具。 实验中使用的单粒子探测器是螺旋型半导体单通道电子探测器。由于粒子束直 接轰击倍增器容易引起倍增器的损坏， 而且效率很低，因此采用转换板一倍增器方 式。如图2 . s 所示 4 0 0 0 v 2 0 m2 0 0 k 1 m o u t p u t c h a n n e l t r o n p r o j e c t i l e c o v e rt i n g p l a t e 图2 5 单粒子探测器工作方式示意图 当有粒子轰击时，灵敏层探测器的灵敏面积，避免了重离子对倍增强表面物质 的 损伤， 探测器的 噪 声降 低到 可以 忽略的 程度 ( 0 . 1 c p s ) 。 探测器工作 于饱和 状态 下使探侧效率提高。实验前，我们简单地测量了这种高计数率倍增器的坪曲线、负 离子的多道谱等的性能。根据这些实验测量，很容易选择甄别闽。 探测器的外面包 以屏蔽盒，避免了探测器的工作高压的电场对离子运动轨迹的可能改变。 2 .2 .7数据获取系统 根据以上考虑和实验室的现有条件，对实验的数据获取系统进行设计，数据获 取系统的示意框图如图2 .6 所示。 束流控制脉冲发生器提供三个逻辑脉冲，一个驱动脉冲和两个序列脉冲，脉冲 的频率可调。驱动脉冲用来驱动1 5 0 0 伏的束流驱动器，束流驱动器输出5 0 0 v的 脉冲电压提供静电产物分析器的偏压。当静电分析器上无电压时，探测器探测的是 入射离子束和所有产物粒子，当分析器上有足够强的电压时，带电 粒子全部飞出探 测的探测范围，这时探测器探测的是中性粒子。序列脉冲的作用是在产物分析器上 d e fl e c t i n g 图2 . 6数据获取系统的示意图 引一 一止书 偏 一 一工 图2 . 7 束流控制脉冲发生器输出脉冲的时序 ( t = 1 6 m s , t r i m s 有无电压的两种状态下分别开启多路计数器的控制门，记录中性粒子和总束流的强 度。两上序列脉冲和驱动脉冲之间的时序关系在一定的范围内 可调。推荐使用的三 个脉冲之间的时序关系如图2 . 7 所示。 序列脉冲 1 用来开启o r t e c 9 7 4 四路计数器的记录中性粒子一路的门，序列脉 冲2 则作为计数器的记录人射离子一路的门信号。序列脉冲1 和驱动脉冲的上升沿 以及序列脉冲2 和驱动脉冲的下降沿有l m s 延迟，是为了使得产物分析器上的电压 在这段延迟时间内达到稳定的最大和最低值，这样在探测器探测中性粒子时，其它 电 荷态的离子能飞出其探测立体角区域;而在探测所有粒子强度时，确保所有的粒 子能被记录。序列脉冲的宽度就是一个周期内的计数时间，宽度越大，开启门的时 间越长，实验时达到一定的计数误差所需的时间就越短。 这样的装置与以前的比较，安装调试很方便，探侧器的电子学系统简单.由于 采用单粒子计数，实验数据处理时不存在中性粒子和负离子轰击的二次产额的校正 问题。而且由于使用的是同一个探测器，避免了探测绝对效率校刻的问题，并且用 周期方波进行调试减小了长时间测量过程中离子源束流的不稳定造成的影响。缺点 是总计数效率会有所降低，但这可以用延长测量时间来补偿。 2 .2 . 8探测系统及数据获取系统的调试 对整个探测系统和电子学数据处理和获取系统作了整体调试，调试结果为: a .单通道电 子倍增器正常工作时的计数率应不超过3 0 0 0 c p s ; b .负离子源的输出束流强度必须维持在很低的水平。 如在分析磁铁后的l m远 的狭缝处测量，一般应维持在o . i n a的水平. c .本底计数水平低于o . l p