“曦源项目”结题报告-低能电子德电离与解离过程研究.doc

项目编号： 复旦大学本科生学术研究资助计划（FDUROP）曦源项目结题报告课题名称 低能电子作用下分子的电离和解离过程的研究项目负责人 王德东 院 系 核科学与技术系 导 师 魏宝仁 填表日期 2012.4.1 复旦大学教务处制表 一. 项目基本信息项目负责人姓名性别学号院系专业固定电话手机电子邮箱王德东男10300200015核科学与技术系核技术无1880173501518801735015项目其他成员秦佳俊男10300190054物理学系物理学无1880173471310300190054指导教师姓名工号单位固定电话手机电子邮箱魏宝仁07301现代物理研究所/核科学与技术系65643463139 175 47460研究成果成果形式论文 报告 其他成果是否发表是 否成果发表情况（包括发表论文题目、期刊名称、期刊类别、作者排序、发表日期、卷次和页码）备注：1.项目成员个人信息如有变更，请及时登陆FDUROP网站修改，以便联系；2.期刊类别指：SCI（Science Citation Index，科学引文索引）、EI（Engineering Index，工程索引）、ISTP（Index to Scientific & Technical Proceedings，科技会议录索引）、SSCI(Social Sciences Citation Index, 社会科学引用索引)等。二、结题报告低能电子作用下分子的电离和解离过程的研究核科学与技术系 王德东 物理学系 秦佳俊指导老师 魏宝仁摘要：本文介绍了利用动量谱仪对电子束与CH4气体分子作用过程的研究。通过测量反应中产生的反冲离子的飞行时间谱 （TOF），分析CH4气体靶被电子束碰撞后产生的正电粒子的类型以及产生该粒子的几率（即相对截面）。具体研究工作包括以下两个方面：一、 电子束与CH4超声气体靶作用后产生的正电粒子的测量以及类型的分析。二、 对CH3+、CH2+、CH+、C+粒子计算其与CH4+粒子的相对截面（即产生该粒子的相对几率）。关键词：动量谱仪 飞行时间 相对截面 Abstract： This work introduces the studying of the interaction between supersonic gas (CH4) and electron beam. By measuring the time of flight spectra ( TOF ) of recoil ion produced in the reactingprocess, we can analyze the type of charged particle produced in collisions and the particle produced probability (i.e., the relative cross section ). The specific experimental analysing includes the following two aspects:1、 Measuring and analyzing the charged particle produced in collisions between CH4 gas target and electron beam.2、 Calculating the relative cross section (i.e. the particle relative odds )of CH3+, CH2+,CH+ and C+ ion corresponding to the CH4+ ion. Key Words：Momentum spectrometer Time of Flight the relative cross section引言2011年3月份，作者在魏宝仁老师的指导下开始了曦源项目的研究，前期主要是进行文献的阅读，了解实验仪器以及基本的实验原理，在7月份左右，利用暑假时间，作者跟随魏宝仁老师进入实验室，获得测量数据并对数据进行了分析，同年11月完成了中期报告，在2012年2月份，作者又在魏老师的实验室重新获得实验数据进行了分析。本文将分实验装置介绍和实验数据处理两部分，汇报一年来的学习成果。托卡马克边界等离子体中含有甲烷等碳氢分子，在边界区域低能电子会与甲烷等分子发生相互作用，因而实验室研究电子与甲烷气体的相互作用有助于模拟边界等离子体的行为。此外，甲烷分子广泛存在于宇宙中，因而电子与甲烷气体相互作用一直是研究热点。电子与分子的碰撞可以产生很多种带电粒子，我们的课题主要研究电子与甲烷分子碰撞产生的离子的类型以及产生该离子的计数（即反应相对截面）。实验装置介绍低能电子与分子的电离与解离作用的实验在真空腔室内进行，由分子泵将空腔内的气体分子泵出，从而营造一个类真空环境。腔室的真空度由电离规进行实时监测，通过尖端放电检测真空腔室中微粒导电性的方法实现的。由于电离规工作时会产生带电粒子，影响实验测量，因而在反应时不能开启主腔室监测器。 实验装置如图 1所示，水平出射的低能脉冲电子束在腔室中与自下而上的超声气体束发生垂直碰撞。在碰撞区域加一个弱引出电场将反应产生的反冲离子引向右侧极板的探测器。探测器通过探测粒子的飞行时间与打在探测器上的位置可以得到反应后产生粒子的种类和动量等信息。下面将就实验装置的各个部分分别介绍。图 1 实验装置图1、电子发生装置实验中电子束由电子枪提供，能量为52000eV，连续可调。电子发射采用热电子发射法，即当阴极温度升高，其表面电子的动能便会增大并最终大于电子的束缚能，挣脱发射体表面成为自由电子。在实验过程中先缓慢升高电子抢的电压，给电子枪加热，当加热到一定时间和一定电压后，电子挣脱束缚，以电子束的形式发射出来。自由电子在电场的作用下就会定向飞出。为保证电子很好的引出，在发射体附近还有阳极、聚焦极以及校正电子束方向的电极，对电子引出、加速、聚焦及调整方向，保证电子束进入腔室与气体束发生相互作用。图2给出了电子枪的结构简图，在电子枪阴极与阳极之间有一个网格，通过给网格一个脉冲电压可以实现脉冲电子束。图2电子枪结构示意图本实验采用飞行时间法（TOF-Time of Flight）研究电子作用下气体分子的电离过程，故必须在探测的时候确定时间的起点与终点。这里的时间起点就是离子打在探测器上的时刻，可以由探测器记录；而时间终点则由脉冲电子束的触发信号经固定延时后给出。实验中电子枪发射电子的脉冲宽度是1ns，重复频率是10kHz。3、超声气体 本工作中采用的是超声冷靶，其特点是气体靶的温度比较低，可以减小靶分子热运动对反应产物动量测量的影响。通过气体喷嘴和三级差分抽气实现。即高压气体经过一个很小的孔（10m）喷入真空腔室，通过绝热膨胀来实现气体温度降低，然后由一个skimmer孔选取气体束，第二级和第三级skimmer用于进一步选取定向分子束和隔离各级真空，以确保主腔室不受注气的影响。4、飞行时间谱仪本工作中采用飞行时间TOF法测量反冲离子，即测量离子从反应产生到落在探测器上的这段飞行时间。如图2，飞行时间谱仪由两部分组成，第一部分是一个加速场，粒子在电场的作用下做匀加速运动，另一部分是一个无场漂移区域，离子做自由飞行。实验过程中碰撞区域有一定大小，而不是一个点，由此碰撞区域大小会对飞行时间测量产生影响，为了降低碰撞区域的影响，本工作中飞行时间谱仪满足一级聚焦条件。下面推到聚焦条件及离子飞行时间与电场关系：忽略离子在引出场方向的初速度，设粒子被加速的距离为a ，漂移距离为d ，加速区的电压为U ，若一个电荷为q ，质量为m 的粒子在引出图 4 粒子飞行过程图场方向上距离反应区中心为z 的位置（ z 的值可正可负）被电场引出，则粒子在电场加速区的飞行时间ta 为： ta=2maa+zqu （1）离子在进入漂移区的速度为： v=2qUa+zma （2）离子在无场漂移区的飞行时间td 为： td=dv=d2qUa+zma （3）总飞行时间T 为： T=ta+td=2maqU(a+z+da+z) （4）将时间T 对z 的变分取为0 ，即可得一阶时间聚焦条件，令： Tz=2maqU12a+z-d4a+z32=0 （5）方程的解为：d=2a+2z （6）当z趋于 0 时，可以得到T取极小值时的条件d = 2a 即：当漂移距离d 为加速距离两倍时，离子飞行的总时间受碰撞点位置变化的影响最小。此时，飞行时间T与质荷比的平方根满足如下线性关系：T=32maa+zqU=kmq (7)k是由飞行时间谱仪决定的常数，由这个线性关系，可以判断粒子的种类。5、探测器 图 1 中右侧的探测器由两部分组成，微通道板（MCP-Micro Channel Plate，也叫多通道电子倍增器）和延迟线阳极。实验中产生的单个粒子信号十分微弱，不易直接探测到，需要借助MCP将信号源放大。当MCP两端接上高压后，入射粒子进入MCP的通道管，在管壁打出的次级电子在电压的作用下与管壁不断的碰撞，实现电子的倍增，最后在末端得到放大了的电子脉冲。粒子打在MCP上的一侧，会从另一侧的相同位置释放出大量电子。两片MCP叠放后放大倍数为106 至 108之间，其响应时间为ns量级。图5 延迟线实物图 图6 直径75mm的位置灵敏探测器实物图MCP放大的电子团打在延迟线阳极上，于是在延迟线上产生两个负信号分别向两端传输，两个信号传输的时间与走过的距离成正比，利用传至两端的时间差，可以计算出粒子打在铜丝的具体位置，这样就实现了粒子打在探测器上位置分布的测量。延迟线是由4根细铜线绕成，每2根一组相互平行绕成，以确定一个维度，两组相互垂直，所以延迟线可以确定两个维度的粒子分布情况。实验数据处理以及实验结果1、TOF法判断粒子种类图3给出了100eV 电子作用下甲烷气体被电离的反冲离子飞行时间谱。图 7 CH4气体分子在100eV电子的作用下解离得到的粒子的飞行时间图谱图谱中有很多个反冲离子的峰，每一个峰都对应着特定的离子，利用高斯拟合可以得到每一个峰的飞行时间，根据飞行时间与粒子质荷比的平方根关系（图8）可以推出每个峰对应的粒子。一般情况下，实验中总会存在H2O（水）等背景气体，而H2O碎裂后会有H+，即TOF谱最左侧的峰（即质荷比最小的峰）对应的带电粒子为H+，因此常常将其设为单位时间，则其他峰所对应时间推出的质荷比会十分直观地显示出可能的粒子种类。用这种方法获鉴定飞行时间谱中的粒子种类比较简单直观。但如果荷质比比较接近，或者背景气体的离子很少，则需要通过电场强度、飞行距离等参数及离子的飞行时间来严格计算荷质比，最终给出粒子的种类。图 8 TOF与粒子质荷比平方的拟合情况2、CH4在不同能量的电子作用下各种离子的相对截面本工作中测量了电子作用下甲烷分子发生解离过程的相对截面。反应绝对截面公式为：X=NiXNe nl （8）式中Ni(X)表示X粒子的产生总数，Ne表示反应中电子的总数，n表示电子密度，l表示反应区长度。在本工作中关系的是甲烷分子在电子作用下发生解离的相对截面。即(CHx+)(CH4+)=Ni(CHx+)Ni(CH4+) x=0, 1, 2, 3由公式可以得到不同粒子（如CH3+、CH2+等）相对于CH4+的相对反应截面。由图 4可知，对于CH4解离产生的粒子有CH4+、CH3+、CH2+、CH+ 、C+。本实验计算了各粒子与CH4+的反应相对截面。实验中借助Origin 8.0软件将每种粒子的数目进行一个加和，利用粒子数目与CH4+总数的比值得出反应的相对截面。考虑到实验环境中的噪声等一系列误差，处理数据时需要扣除本底（即在没有产生粒子时，探测器记录到的粒子数目）。本实验计算的是相对误差，单次实验中所有收集的离子的实验条件相同（真空度、探测器效率及电子束等），因而误差主要来自于三方面的误差：一是统计带来的误差，二是本底读取的误差，三是不同的峰之间重叠以致无法分清而造成的误差。三个误差进行一个简单的叠加处理，可以得出实验误差。CH3+离子计数很高，误差约为1%，CH2+离子总误差约为2%，CH+离子的总误差约为5%，C+离子计数率很低，总误差约为8%。w代表从文献得到的粒子相对反应截面与能量的关系s代表从实验中得到的粒子相对反应截面与能量的关系图9 实验得到的粒子相对反应截面的关系与文献中的得到的对比 从对比中我们可以看到我们所测量的相对截面与文献中给出的相对截面的趋势是一致的，即在低能量下时，相对截面有随能量升高的趋势，但当能量超过100eV（近似）时，相对截面趋于不变。 从实验结果中可以看到，粒子的反应截面随着入射电子的能量不同而改变，且正如文章前面所说，反应与碰撞比较相似：越碎的粒子越难产生。在实验误差方面，由于本底不是很高，因而本底对于实验造成的误差并不大；此外，粒子数目产生少的误差大。小结低能电子作用下分的电离与解离过程的研究。涉及到电子发生、超声气体的产生、TOF的测量以及探测器等方方面面的知识。通过这个实验，掌握了飞行时间谱仪的工作原理及特点，了解了探测器、数据采集系统，对原子物理碰撞实验有了一定的认识。经过在实验室中的实地学习，加深了对相关理论的认识，为更进一步的学习打下了基础。参考文献林朔：基于上海EBIT碰撞平台低能电子注入研究 ，复旦大学出版社，2011年。王新成：基于上海EBIT的碰撞平台-全信息带电粒子动量谱仪建设 ，复旦大学出版社，2009年。H. C. Straub, D. Lin, B. G. Lindsay, K. A. Smith, and R. F. Stebbings：Absolute partial cross sections for electron-impact ionization of CH4from threshold to 1000eV , 28 October 1996后记：从2010年申请项目到2011年结项，我们得到了魏老师和陈卓学长很大的帮助。魏老师教会了我很多东西，从处理数据到绕延迟线，老师那种一丝不苟的态度让我们敬佩，同时魏老师一直在不厌其烦地为我们解惑，让我们在这短短的一年时间里收获了很多。 三、指导老师评语请手写意见。电子版须誊录导师手写的意见。王德东、秦佳俊两位同学勤奋好学，仔细阅读了实验相关的文献，对本工作的研究背景进行了深入的