（核技术及应用专业论文）电子碰撞原子内壳层电离截面的实验研究.pdf

电子碰撞原子内壳层电离截面的实验研究 博士生昊英 核技术及应用专业 指导教师安竹 低能电子碰撞原子内壳层电离截面测量的研究在理论和实际应用方面都具 有重要意义。一方面，目前的理论还不成熟，需要精确的实验数据检验理论， 促其发展；另一方面，内壳层电离截面数据在许多高科技应用领域必不可少。 然而，现有的内壳层电离截面实验数据较为缺乏，且存在不同作者给出的实验 结果分歧较大现象。因而改进实验技术和发展数据处理方法是这一课题研究的 关键。 本论文对影响电离截面实验结果的各种可能因素都做了细致地研究。主要 为以下几个方面；1 记录入射电子数的法拉第简顶孔和侧孔会引起电子逃逸， 电子逃逸率的估算用一般方法解决存在着困难。作者应用p e n e l o p e 程序，构 建一个符合法拉第筒几何特征的系统文件，通过模拟大量电子在法拉第筒中的 输运，得到本工作中电子在法拉第筒中的逃逸率不到0 3 的结论；2 s i ( l i ) 探 测器几k e v 能区的刻度问题一直存在着困难，而本工作要求必须对s i ( l i ) 探测 器低能区( 1 4 k e v 1 3 5 k e v ) 进行准确的效率刻度。工作中，作者将1 9 k e v 电 子碰撞厚碳靶的实验韧致辐射谱与p e n e l o p e 计算得到的理论韧致辐射谱进 行比较，得到了s i ( l i ) 探测器相对效率刻度曲线。得到的s i ( l i ) 探测器相对效率 刻度曲线在1 0 k e v 以下的能区较为理想，而在l o k e v 以上的区域，由于统计涨 落原因，得到的相对效率刻度曲线起伏较大。我们截取相对效率刻度曲线起伏 较小的低能段，采用最j , - 乘法对s i ( l i ) 探测器各厚度参数进行拟合，由拟合 结果即可算得s i ( l i ) 探测器整个探测能区准确的相对效率刻度曲线。这时，再 由2 4 1 a m 标准源得到的1 3 8 7 1 k e v 全能峰处的绝对探测效率值，确定出s i ( l i ) 探测器的绝对效率刻度曲线。这样高于l k e v 能量的s i ( l i ) 探测器效率刻度值都 可准确得到；3 采用薄靶厚碳衬底做样品时，入射电子在靶膜中的多次散射和 能损及衬底表面的反射电子、韧致辐射光子对内壳层电离截面的测量都有影响， 因此需对实验数据进行修正。我们发展了完全的蒙特卡罗修正方法处理数据： 对大量入射电子在薄膜厚村底样品中的输运过程进行模拟，以完成膜厚及衬底 存在引起的全能峰净计数增加程度的估算。蒙特卡罗方法模拟时，输入材料数 据中采用的内壳层电离截面数据不同，得到的反映膜厚及衬底对电离截面测量 结果影响的修正因子值也有差别。作者讨论了蒙特卡罗模拟得到的修正因子值 受输入材料数据库中内壳层电离截面影响的程度。用完全的蒙特卡罗修正方法 得到的结果较以往采用的解析法更为准确，给截面结果引入的误差低于3 ； 4 用卢瑟福背散射方法对膜厚进行了测量，以检验制靶者提供的膜厚值是否准 确。 i 作者应用上述技术测量了s 、c l 、k 、c a 、z i l 等较低z 元素的k 壳层电离 截面，a g 、i 、b a 、g d 、w 、p b 、b i 等中、高z 元素的l 壳层电离截面及w 、 p b 、b i 等高z 元素的m 壳层电离截面，对现有的k 、c a 、z n 元素的k 壳层电 离截面和a g 、w 元素的l 壳层截面数据进行了验证，其他的截面数据均为首 次测量。对k 壳层截面测量值的分析结果显示，在本工作能区，低z 原子的 p w b a - c e x 理论值同l u o 和j o y 理论结果相比有着显著差异，总体来看我们 的实验结果与p w b a c e x 理论差异较大。而对中等z 的z n 原子，p w b a c e x 理论同l u o 和j o y 理论一致，本实验结果仅略低于这两种理论值；c a s n a t i 等人 的经验公式结果和h o m b o u r g e r 经验公式结果较为一致，本实验结果表明这两 个经验公式并非适于所有z 原子k 壳层电离截面计算；在误差范围内，我们得 到的k 的部分截面值( 入射电子能量e 1 4 k e v ) 及c a 的全部截面值及同 s h e v e l k o 等人的实验结果基本一致。另外，本工作使用z n s 薄靶测量的z n - k 壳层电离截面，同他人使用单质z n 薄靶的实验结果符合较好。将本工作得到 的l 壳层产生截面值与p w b a - c e x 理论进行比较后发现，对a g 、l 、b a 、g d 等中等z 原子，本实验结果低于相应的p w b a - c - e x 理论值，而对w 、p b 和 b i 等较高z 原子，l 壳层产生截面实验值与p w b a - c e x 理论值符合较好。 本论文还对电子碰撞原子内壳层电离截面测量的厚靶方法做了探讨，提出 了韧致辐射及电子散射对截面测量结果影响的修正方法。我们在计算反映韧致 辐射及电子散射对电离截面贡献份额的f 因子时发现，f 与靶原子的种类有关： z 越大，f 就越大；对同种z 原子，f 还与壳层有关：k 壳层的f 因子值大于l 壳层的f 因子值。总之，电子碰撞厚靶，韧致辐射对内壳层电子电离的贡献程 度取决于内壳层电子的电离阈能，电离阈能越大，韧致辐射对内壳层电子电离 的贡献率就越大，反之则越小。另外，在靶原子序数z 及特征峰种类相同的条 件下，f 对入射电子能量e 也有微弱的依赖矗e 们的结论不同于s a l e m 和z a r l i n g o 的结论，但与h a n s e n 和s t o d d a r d 的实验结果相符。最后，作者以l o 2 5 k e v 电子碰撞n i 厚靶为例，测量了n i 的k 壳层电离截面。实验结果与他人的实验 数据及p w b a c - e x 理论符合较好。 关键词：电子碰撞内壳层电离截面蒙特卡罗模拟修正方法厚靶方法 s t u d yo f t h em e a s u r e m e n to f a t o m i ci n n e r - s h e l l i o n i z a t i o nc r o s s s e c t i o n sb ye l e c t r o ni m p a c t m a j o r ：n u c l e a rt e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o n p h d c a n d i d a t e w u y i n g s u p e r v i s o r a n z h u t h e s t u d yo fa t o m i c i n n e r - s h e l li o n i z a t i o nc r o s s - s e c t i o n sb yl o w - e n e r g y e l e c t r o ni m p a c ti ss i g n i f i c a n ti nb o t ht h e o r e t i c a lr e s e a r c h e sa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s o nt h eo n eh a n d , t h et h e o r e t i c a lv a l i d i t yn e e d st ob et e s t e db yal a r g en u m b e ro f e x p e r i m e n t a ld a t a o nt h eo t h e rh a n d ，a c c u r a t ee x p e r i m e n t a ld a t aa r er e q u i r e di n m a n yh i g h - t e c i m o l o g yf i e l d s ，s u c ha si np l a s m ap h y s i c s ，a s t r o p h y s i c s ，e t c h o w e v e r , s of a r , o n l yaf e we x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n sh a v eb e e nc a r r i e do u tt om e a s u r el a n dm - s h e l le l e c t r o ni m p a c ti o n i z a t i o nc r o s s s e c t i o n s t h e ym a i n l yc o n c e n t r a t eo n k - s h e l li o n i z a t i o nc r o s s s e c t i o n s m o r e o v e r , i ti sa l s of o u n dt h a ts i g n i f i c a n t d i s c r e p a n c i e se x i s tb e t w e e na v a i l a b l ed a t af r o md i f f e r e n ta u t h o r s t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt oa c q u i r em o r ea c c u r a t ed a t ab yi m p r o v i n ge x p e r i m e n t a lt e c h n i q u ea n d d a t ap r o c e s s i n gm e t h o d i nt h i sp a p e r , p o s s i b l ef a c t o r s ，w h i c ha f f e c tt h ee x p e r i m e n t a la e e u r a e y , a r e s t u d i e d t h e s ef a c t o r si n c l u d e ： ( 1 ) t h et o pa p e r t u r ea n ds i d ea p e r t u r eo ft h ef a r a d a yc u pf o rc o l l e c t i n gi n c i d e n t e l e c t r o n sc a nc a u s ee l e c t r o ne s c a p e i ti sd i f f i c u l tt oe v a l u a t et h ee l e c t r o ne s c a p e r a t i ob yt h eg e n e r a lm e t h o d s i nt h i sp a p e r , t h ep r o b l e mw a ss o l v e db ym o n t ec 砌o c o m p u t e rc o d ep e n e l o p e w h e nu s i n gm o n t ec a r l os i m u l a t i o n , af i l ed e s c r i b i n g t h eg e o m e m cc h a r a c t e r i s t i co f t h ef a r a d a yc u pm u s tb ec r e a t e df i r s t b ys i m u l a t i n ga g r e a td e a lo fe l e c t r o n s t r a n s p o r t a t i o ni nt h ef a r a d a yc u p ，ac o n c l u s i o nt h a tt h e e l e c t r o ne s c a p er a t i oi sb e l o wo 3 w a so b t a i n e d ( 2 ) t h ed e t e c t i o ne f f i c i e n c yc a l i b r a t i o no fs i ( l i ) d e t e c t o ri nl o w - e n e r g yr e g i o nd o w n i v t os e v e r a lk e vi sd i f f i c u l t h e r ew ec a r r i e do u thb ym e a s u r i n gt h eb r e r n s s t r a h l u n g s p e c t r u m o f t h i c k - c a r b o n - t a r g e tb y 1 9 k e ve l e c t r o nb e a m t h e c o u p l e d e l e c t r o n - p h o t o nt r a n s p o r tm o n t ec a r l oc o m p u t e rc o d ep e n e l o p ew a se m p l o y e d f o rt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no ft h i c k - c a r b o n - t a r g e tb r e s s t r a h l n n gs p e c m m ：1 t h es h a p e o f t h ee f f i c i e n c yc a l i b r a t i o nc u r v ew a sd e t e r m i n e df r o mt h er a t i oo f t h ee x p e r i m e n t a l a n dt h e o r e t i c a lt h i c k c a r b o n - t a r g e tb r e m s s t r a h l u n gs p e c t r a t h er e s u l ts h o w e dt h a t t h es t a t i s t i co ft h es h a p ee f f i c i e n c yc a l i b r a t i o nc u r v ew a ss a t i s f i e di nb e l o w1 0 k e v r e g i o n s w ef i t t e dt h er e l a t i v ee f f i c i e n c yc a l i b r a t i o nc u r v ei nl o we n e r g yr e g i o nb ya n o n l i n e a rl e a s t - s q u a r e sf i tm e t h o da n da c q u i r e da l lt h i c k n e s sp a r a m e t e r so f t h es i ( l i ) d e t e c t o r t h ee x a c ts h a p eo f t h ee f f i c i e n c yc a l i b r a t i o nc x u w eo f t h es i c l i ) d e t e c t o ri n w h o l ee n e r g yr e g i o nc a nb ec a l c u l a t e dl i o mt h ef i t t i n gr e s u l t 1 1 1 ea b s o l u t ev a l u ef o r t h ee f f i c i e n c yc a l i b r a t i o nw a so b t a i n e df r o mt h eu s eo f2 4 1 a mr a d i o a c t i v es t a n d a r d $ o u l v ：e b yt h i sm e t h o d ，t h ed e t e c t i o ne f f i c i e n c yc a l i b r a t i o nv a l u eo ft h es i ( l i ) d e t e c t o ri ne n e r g ya b o v el k e vc a l lb eo b t a i n e de x a c t l y ( 3 ) i nt h ee a s eo fa d o p t i n gt h i nf i l mo n t h i c kc a r b o ns u b s t r a t e ，t h ei n c i d e n te l e c l r o n s w i l l $ 1 1 f f e rs o m es e a t t e r i n ga n dl o s ee n e l g yw i t h i nt h et h i nf i l m i na d d i t i o n ，p a r to f r e f l e c t i o ne l e c t r o n sf r o mt h et h i c ks u b s t r a t ea n db r e m s s t r a h h m gp h o t o n sw i l l i n c r e a s et h ec h a r a c t e r i s t i cx - r a yp e a kc o u n t s s oe x p e r i m e n t a ld a t an e e dt ob e c o r r e c t e d i nt h i sp a p e r , ad a t ap r o c e s s i n gm e t h o du s i n gm o n t ec a r l oc o r r e c t i o nw a s d e v e l o p e d t h ec o r r e c t i o nv a l u ec a u s e db yt h et h i nf i l mt h i c k n e s sa n dt h i c ks u b s t r a t e w a se v a l u a t e db ys i m u l a t i n gt h et r a n s p o r t a t i o no fe l e c t r o n si nt a r g e t m o r e o v e r , t h e s e n s i t i v i t yo f t h ec o r r e c t i o nf a c t o r , w h i c hd e s c r i b e st h ee f f e c to ff i n i t ef i l mt h i c k n e s s a n dt h et h i c ks u b s t m t ei nt h em e a s u r e m e n to fa t o m i ci n n e r - s h e l li o n i z a t i o n g r o s s s e c t i o n s b yl o w - e n e r g y e l e c t r o n i m p a c t , t o t h e a d o p t e d i o n i z a t i o n g r o s s s p 圮t i o n si nt h em o n t ec a r l os i m u l m i o nw a sd i s c u s s e d ( 4 ) 1 h et h i nf i l mt h i c k n e s sw a st e s t e db yr u t h e r f o r db a c k s c a a e r i n gs p e c t r o m e t r y 0 王8 s ) 。 b a s e do i lt h e s et e c h n i q u e s ，t h ea u t h o rm e a s u r e dt h ee l e m e n t ss u c ha ss ，c i ，k c a a n d z n k - s h e l l ，a g , i ，b a , g d ，w p b a n d b i ls h e l l ，a n dw p ba n d b i m s h e l l c r o s s - s e c t i o n s t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa r eg i v e nf o rt h ef i r s tt i m ee x p e c tf o rkc a , z nk - s h e l l ，a n da g ，wl - s h e l lc r o s ss e c t i o n s n ep r e s e n te x p e r i f n e n t a ld a t ao f k s h e l li o n i z a t i o nc r o s s - s e c t i o n sc o m p a r e dw i t ht h ep w b a c e xt h e o r y , l u oa n d j o y st h e o r y , s o m ee m p i r i c a lf o r m u l a sa n ds o m ee x p e r i m e n t a ld a t ar e p o r t e di nt h e l i t e r a t u r e i n 鲫删1 1 a 啪f o rl o wze l e m e n t s ( s ，c l ，kc a ) ，o u re x p e r i m e n t a ld a t ao f t h ek - s h e l li o n i z a t i o nc r o s s - s e c t i o n sa r ee v i d e n t l yi n c o n s i s t e n c ew i t hc a l c u l a t e db y t h ep w b a - c - e xt h e o r y , w h i c hi sd i s a g r e e m e n tw i ml u oa n dj o y st h e o r y f o r m e d i u mze l e m e n t ( z n ) ，o n re x p e r i m e n t a ld a t ao fk - s h 9 l li o n i z a t i o nc r o s s - s e c t i o n s a r es o m e w h a tl o w e rt h a nt h er e s u l t so ft h ep w b a - c - e xt h e o r ya n dl u oa n dj o y s t h e o r y , a n dt h ep w b a - c - e xt h e o r yi si ng o o da g r e e m e n tw i t hl u oa n dj o y st h e o r y m e a n t i m e ，0 1 1 1 e x p e r i m e n t a ld a t as h o wt h a tc a s n a t ie ta 1 a n dh o m b o u r g e r s e m p i r i c a lf o r m u l a sa r en o tf i tf o rk - s h e l l i o n i z a t i o nc r o s s - s e c t i 0 1 1 8o f a l le l e m e n t s i n c l a i m e du n c e r t a i n t y , o b rd a t af o rc ak - s h e l lw i t hi n c i d e me l e c t r o ne n e r g yi nt h e w h o l em e a s u r e de n e r g yr e g i o n , a n dkk - s h e l lw i t hi n c i d e n te l e c t r o ne n e r g ya b o v e 1 4 k e va r ei na g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so f s h e v e l k oe ta 1 m o r e o v e r , t h ep r e s e n te x p e r i m e n t a ld a t ao fk - s h e l li o n i z a t i o nc r o s s s e c t i o n so fz nw i t hz n s t a r g e ta r ec o n s i s t e n tw i t ht a n gna l ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i t hs i m p l e s u b s t a n c ez n t a r g e t o u re x p e r i m e n t a ld a t ao f l - s h e l li o n i z a t i o nc r o s s s e c t i o n sa r ea l s oc o m p a r e d w i t ht h ep w b a - c - e xt h e o r y f o rm e d i u mze l e m e n t s ( a g ，i ，b a , g d ) ，o u r e x p e r i m e n t a ld a t aa r el o w e rt h a nt h ep w b a - c e xt h e o r y f o rh i g h e rze l e m e n t s ( w ， p b ，b i ) ，o u re x p e r i m e n t a ld a t aa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ep w b a c e xt h e o r y t h et h i c k - t a r g e tm e t h o df o rt h em e a s u r e m e n t so fa t o m i ci n n e r - s h e l li o n i z a t i o n g r o s s - s e c t i o nb yk e ve l e c t r o nw a sa l s os t u d i e di nt h i sp a p e r w ef i n dt h a ti nt h e p r o c e s s e so fe l e c l r o ni m p a c to nt h et h i c kt a r g e t s ，t h er a t i o so ft h ec h a r a c t e r i s t i c x - r a yy i e l d so fp h o t o e l e c t r i ci o n i z a t i o nb yb r e m s s t r a h l u n gt ot h et o t a lc h a r a c t e r i s t i c x - r a yy i e l d sa r ez - d e p e n d e n ta n ds h e l l d e p e n d e n t , a n dt h er a t i o sa l s os h o w t h ew e a k e n e r g y - d e p e n d e n c e o u rc o n c l u s i o ni sd i f f e r e n tf r o ms a l e ma n dz a r l i n g o sr e s u l t , b u tc o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fh a n s e na n ds t o d d a r d 矾l e t h i c k - t a r g e tm e t h o dh a sb e e na p p l i e dt ot h em e a s u r e m e n to fk - s h e l li o n i z a t i o n c r o s s - s e c t i o n so f n ie l e m e n tb y1 0 2 5 k e ve l e c t r o ni m p a c ti nt h i sp a p e r n 地p r e s e n t e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ho t h e r se x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h e 1 卜 t h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n so f t h ep w b a - c - e xt h e o r y k e yw o r d s ：e l e c t r o ni m p a c t , i n n e r - s h e l li o n i z a t i o nl i 0 s $ - s e c t i o n , m o n t ec a r l o s i m u l a t i o n , c o r r e c t i o nm e t h o d , t h i c k - t a r g e tm e t h o d 四川大学博士学位论文 1 引言 电子一原子碰撞的研究是原子物理领域的一个重要组成部分。一方面，用 一定能量的电子碰撞靶原子，观测碰撞后产物，可以获得原子内部的大量物理 信息，有助于深入研究电子原予间各种作用机制，如电子间关联效应等；另一 方面，碰撞中各种反应道截面的测量对于材料科学、受控热核聚变、放射医学 治疗等许多领域都有十分重要的意义。因此，自1 8 9 7 年电子发现以来，在电子 一原子碰撞方面开展了大量的理论和实验研究工作。电子与原子问的作用方式 早己为人们所认识，可归纳为如下四种【1 1 ： ( 1 ) 电子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞 电子从靶物质原子近旁掠过时，入射电子与靶原子的核外电子间的库仑力 作用会使靶原子核外电子获得一部分能量如果传递给电子的能量足以使电子 克服原子核的束缚，那么这个电子就脱离原子，成为自由电子这时原子就分 离成一个自由电子和一个失去了电子的原子一正离子，这种过程称为电离。原 子最外层的电子受原子核的束缚最弱，因而这些电子最容易击出当内壳层电 子被电离后，在该壳层留下空位，外层电子就要向内层跃迁，同时放出特征x 射线或俄歇电子。 如果入射电子传递给靶原子核外电子的能量较小，不足以使电子摆脱原子 核的束缚成为自由电子，但可以使电子从低能级状态跃迁到高能级状态，使原 子处于激发状态，这种过程称为激发。处于激发状态的原子是不稳定的，在激 发态停留很短时间之后，原子要从激发状态跃迁回到基态，这种过程称为退激。 退激时，释放出来的能量以光的形式发射出来，这就是受激原子的发光现象。 带电粒子与靶原子中核外电子的非弹性碰撞，导致原子的电离或激发，是 带电粒子穿过物质时损失能量的主要方式。 ( 2 ) 入射电子与靶原子核的非弹性碰撞 入射电予靠近靶物质的原子核时，它与原子核之间的库仑力作用，使入射 电子的速度和方向发生改变。入射电子的这种运动状态的改变，伴随着发射电 磁辐射，并使入射电子的能量有很大的减弱。入射电子的这种能量损失方式称 为辐射损失。由于电子质量较小，与原子核碰撞后运动状态改变很显著。因此。 电子与物质相互作用时，辐射损失是重要的一种能量损失方式。 ( 3 ) 入射电子与靶原子核的弹性碰撞 一l 一 婴业查兰竖主兰竺丝苎 入射电子靠近靶原子核时，由于它们之间的库仑力作用，电子受到偏转， 改变其运动方向，但不辐射光子，也不激发原子核。为满足入射电子与原子核 之间的能量及动量守恒要求，入射电子损失一部分动能。转移给原子核。碰撞 后绝大部分动能仍由入射电子带走，这样入射电子在物质中继续进行许多次弹 性碰撞。由这种与靶原子核发生弹性碰撞引起入射电子的能量损失，我们称之 为弹性碰撞能量损失。由于电子很轻，因此电子穿透物质时受到的偏转较重粒 子大得多，即散射现象严重 ( 4 ) 入射电子与靶原子核外电子的弹性碰撞 入射电子也会与靶物质原子中的核外电子发生弹性碰撞。核外电子的库仑 力作用，使入射电子改变运动方向。当然，为满足能量和动量守恒要求，入射 电子要损失一点动能，但这种能量转移一般是很小的，比原子中电子的最低激 发能还要小，电子的能量状态没有变化。实际上，这是入射电子与整个靶原子 的相互作用。因此，这种相互作用方式只是在极低能量( 1 0 0 c v ) 的电子入射 到物质时方需考虑，其他情况下完全可以忽略掉。 发生上述各种相互作用的几率大小，取决于靶物质材料的性质，及入射电 子的能量。本论文致力于能量在靶原子l l l 壳层电离闽能e l i l 附近到几十k c v 的 范围的低能电子碰撞原子内壳层电离截面测量的研究。 1 1 电子碰撞原子内壳层电离截面测量研究的意义 电子碰撞原子内壳层电离截面测量的研究在理论和实际应用方面都具有着 重要意义郾】。理论方面，目前，较高能量的电子碰撞原子内壳层电离截面的理 论描述较为成熟【4 】，而对低能电子碰撞原子的内壳层电离过程，虽然已提出了 多种模型1 5 - 1 3 1 ，但至今还没有可靠的理论描述，因此，需要精确的实验数据以 检验描述电离过程的各种理论模型的准确程度，促进理论的发展和完善，从而 有助于更清楚地认识电子原子间的作用机制。比如，理论推算高碰撞能量的正 负电子致原予内壳层电离截面比为l ，而低能时电子致原子内壳层电离截面与 正电子致原子内壳层电离截面比大于i 1 1 5 - 1 7 ( 图1 1 为电子，正电子入射时a g 和c u 的k 壳层电离截面比q q + 随u ( = e e k ) 的变化关系图) 。电荷极性的差异 使得正负电子碰撞原子的作用机制有所差别，在低能时这种效果趋于显著。正 电子与靶原子作用时没有电荷交换作用；同时库仑作用使得正电子经过靶原子 卜 四川大学博士学位论文 龟 u 图1 1a g 和c u 在电子及正电子入射时的k 壳层电离截面比q 7 q + 随u ( - e ，h ) 的变化关系 图。实线表示的l 【( i l m e 等人l q 得到的a g 的理论值；实心圆点代表e b e l 等人测得的a g 的实验值；空心方块，叉及空心三角分别表示e b e l 等人l l s l 、i t o 等人o ”i 、s c h u l l z 和 c a m p b e l l l l 舶l 测得的c u 的实验值 e ( k e v ) 图1 2 低能正负电子入射时c uk 壳层电离截面随入射粒子能量的变化关系图。虚线和实 线分别为电子、正电子入射时s e m i 等人的理论值；空心圆点、空心三角、空心方块分 别为a n 等人脚l 、h e 等人i 靠i 、l l o v c t 等人p o 铡量的电子入射时的实验值；实心方块为 n a g a s h i n m 等人1 1 7 】测量的正电子入射时的实验值 - 3 一 凹型奎竺竖主兰焦丝壅 时减速，不同于电子时的加速。对入射能量e f - , n l 4 ( e 、e 柚分别是入射电子能 量和靶原子n l 壳层电离阈能) 时的理论描述，已由实验证实 t s j g ，而在低能 帆 4 ) 时实验数据较为缺乏，尤其是对正电子碰撞。由已有的相同能量下的 正负电子碰撞原子电离截面数据，可看出差异显著u 6 , 1 7 , 2 0 l ( 图1 2 是以c u 的k 壳层电离截面为例，入射粒子分别为正，负电子时，理论值之间和实验值之间 的比较图) 。这个差异有助于我们认识电子同靶物质作用时电荷交换、库仑相互 作用的影响大小，从而完善理论。 在实际应用方面，电子碰撞原子内壳层电离截面数据可应用于材料科学、 辐射物理、等离子体物理、大气物理、天体物理等许多领域。如用于分析材料 中元素含量的电子探针显微分析仪( e p m a ) 是用5 3 0 k e v 的电子束轰击固体 靶样，通过测量特征x 射线强度或俄歇电子产额来得到靶材料中元素含量信息； 分析材料中元素成分的俄歇电子谱仪( a e s ) 是用2 1 0 k e v 的电子束轰击固 体靶样，通过测量俄歇电子产额以得到靶材料成分信息；做薄膜分析的电子能 损谱仪( e e l s ) 是用能量为1 0 5 0 k e v 的电子碰撞靶膜，通过电子能损谱的 分析得到膜厚信息1 2 3 1 。在这些分析中如果已知电子碰撞原子内壳层电离截面 值，由谱分析就可以直接获得相应的材料信息，而无须采用烦琐的相对比较法 ( 即对标样及待测靶分别测量后将结果进行比较得到材料的相关信息) 。再者， 在一些高技术领域，如核聚变研究中也需要电子碰撞原子的内壳层电离截面数 据【2 l ，2 2 l 。研究表明，等离子体中混入的低z 和高z 杂质，通过发射软x 射线( i 2 0 k e v ) 引起辐射冷却，使托卡马克等离子体损失相当大的功率 z 3 1 。其中1 4 一 z 5 0 的杂质的辐射对托卡马克装置的性能损害严重口啦卯，因此非常有必要对这 些杂质的含量及分布进行诊断。用一定能量的电子束轰击等离子体，测量这些 杂质在托卡马克装置中产生的韧致辐射和特征x 射线，可得到等离子体的电子 温度和杂质浓度等重要数据，进而推断出杂质浓度和辐射引起的功率损失两者 分别随时间和空间的分布。例如，辐射引起的功率损失可表示为： p ( t ) = 刀，( 盯y ) r e k k e y ( c m j s )( 1 1 ) 上式中，t c 表示电子温度；n c 表示电子密度；n i 表示第种杂质的密度；e r a 表示 杂质发射的软射线能量； k a 表示杂质平均激发率。因此。只要精确知道 杂质的内壳层电离截面值，就可确定杂质引起的功率损失。此外，在涉及电子 输运模拟计算的许多学科或领域( 如剂量计算、探测器的响应研究、辐射治疗 等) 中闭，电离截面都是不可或缺的基本数据。 - - - j 一 四川大学博士学位论文 1 2 电子碰撞原子内壳层电离截面研究的历史和现状 电子碰撞原子内壳层电离截面的测量始于上世纪3 0 年代。主要采用下面几 种方法测量内壳层电离截面： ( 1 ) 测量特征x 射线产额。电子作用原子使其内壳层电子电离，这时原 子处于不稳定态，外壳层电子很快会跃迁来填补这个空位，同时发出特征x 射 线。由特征x 射线产额就可以推算出相应内壳层电离截面值o 。i ： o n l ；盟百一 。伊d ( o a t ( 嚣4 ) 馐 ( 1 2 ) 石 、- ， 式中n 。为l l l 壳层特征x 射线计数，n o 为入射电子数，1 1 为靶原子密度，d 为 靶厚。m 秕为n l 壳层荧光产额，q 4 为探测器所张立体角，为系统的探测 效率 也可以由下式获得内壳层电离截面 9 ，2 7 - 2 9 ： = 器强 m ， 式中，n x 、m 意义同( 1 2 ) 式，n b 为测得的韧致辐射强度，k l 、k 2 为特征蜂处 的韧致辐射能量范围，! ! ! l 为韧致辐射理论截面。采用( 1 3 ) 式的方法可避 d o d k 开系统探测效率刻度、靶厚测量等问题。 ( 2 ) 测量俄歇电子产额。入射电子轰击靶原子，在靶原子内壳层产生空位， 除了发射特征x 射线外，也可以通过无辐射跃迁，放出一个俄歇电子的方式退 激，由记录的俄歇电子产额就可以得到相应的内壳层电离截面值： o e , a ：二旦丝下 ， n o n d ( 1 一c o “) ( 号) ( 1 4 ) 式中n a u 。为n i 壳层俄歇电子计数，其他意义同( 1 2 ) 式。 ( 3 ) 能量损失法。由记录的电子穿透很薄的靶膜后的能量损失谱得到内壳 层电离截面值 3 0 1 以k 壳层为例： n t 。o i = j i 0 ( 1 5 ) 式中n 为靶原子密度，t c 为薄膜厚度，ok 为k 壳层截面，k 为发生能损后的电 子强度，i t 为未发生能损时的电子强度。 ( 4 3 交叉束离子产额测量。此法仅限于h ，h e 原子的k 壳层电离截面的 四川大学博士学位论文 测量【3 ”9 1 电子轰击h , h e 原子发生电离后，既无外层电子跃迁退激过程，也 无俄歇电子发射，只有通过收集阳离子以及入射电子电荷推知电离截面值： 吒= 箍 m d 式中n 。为阳离子计数，n o 为入射电子数，i o 为靶原子密度。 在前三种方法中，对于低z 元素，由于荧光产额很低i 琊“。因此