電子束離子阱及高電荷態(tài)離子相關(guān)物理.pdf

物理 電子束離子阱及高電荷態(tài)離子相關(guān)物理! 鄒! 亞! 明“ （復(fù)旦大學(xué)應(yīng)用離子束物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室! 上海! #$%.+$?;34= 04= ?8894; A;0;A ?;89 04= E834?3EB9A ?345 35BF ?0859= 3=F345 :8AA9=+ :;6?49 9 9B9?;8?;89，0;04;D 9B9?;8FDP :=04+ 9=+ ?4 ! ! 在通常實(shí)驗(yàn)室條件下， 人們用物理和化學(xué)方法 來電離原子， 所獲得的都是低電荷態(tài)的離子， 從原子 上剝離的電子都是少量的價電子+ 但是， 在星球和宇 宙中， 或者是在實(shí)驗(yàn)室高溫等離子體中， 原子中的電 子可以被大量剝離， 不僅價電子， 內(nèi)部深層的電子也 可以被電離， 使原子成為高電荷態(tài)的離子+ 過去， 產(chǎn)生高電荷態(tài)離子的手段很有限， 電荷態(tài) 高于 #， 建成 于 %;9 年4 上述 012- 中 012- “， STUC8V 012-， M25-012- 和 1012- 的指標(biāo)基本相同， 都屬低能 012- 裝置4 012- “和所有的高能 012- 的性能指標(biāo) 列于表 %4 我國正在上海建造一臺上海 012- 裝置， 它的設(shè)計(jì)指標(biāo)也列于表中4 從表 % 可見，上海 012- 的設(shè)計(jì)指標(biāo)接近國際上已達(dá)到的最好實(shí)際指標(biāo)4 #! 012- 的構(gòu)造和工作原理 012- 的核心是一個能讓電子和低電荷態(tài)離子 連續(xù)碰撞的工作區(qū)4 在這個區(qū)域中要有高密度的電 子束流和被其約束的離子4 最早實(shí)現(xiàn)這一要求的裝 置是 01254 圖 % 是 0125 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖4 圖 %! 0125 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 ! ! 0125 主要用作離子源， 要求約束離子數(shù)多， 而 約束離子數(shù)與約束長度幾乎成正比， 故 0125 的軸向 約束長度很長， 一般在 $4 3 到 %,4 約束長度長導(dǎo)致 的問題是離子升溫很難得到控制， 故離子的可約束 時間很有限， 這樣電子對它們的逐漸電離的時間也 就受到限制4 雖然 0125 在眾多種類的離子源中在能 達(dá)到的離子電荷態(tài)高度方面是佼佼者， 但它所能達(dá) 到的電荷態(tài)仍然不盡人意4 NF88J， .(LGD( 以及 ODF77 等人對 0125 中產(chǎn)生 ! 前沿進(jìn)展 物理 強(qiáng)磁場的線圈及離子軸向約束長度等進(jìn)行了改良， 建成了第一臺 !“#$% 在 !“#$ 中 （見圖 ， .?!+ 禁戒躍遷 （.(） （“5）!:宇稱不守恒效應(yīng)!7 從表 ) 中可以看到， 所有類型的能級躍遷幾率 都隨核電荷數(shù) ! 增大， 而大多數(shù)禁戒躍遷幾率隨 ! 的增加比容許躍遷快得多， 致使有些禁戒躍遷在極 重離子極高電荷態(tài)下可以與容許躍遷相比擬， 從而 禁戒躍遷不再禁戒, 不同的禁戒躍遷對應(yīng)于不同的 物理原理， 例如自旋禁戒躍遷來自相對論效應(yīng)引起 的不同自旋的波函數(shù)的混合， 宇稱破壞躍遷則來自 原子核中核子與電子的弱相互作用所導(dǎo)致的不同宇 稱的波函數(shù)的混合, 通過對禁戒躍遷的研究， 可以對 相對論及基本粒子相互作用理論進(jìn)行檢驗(yàn), 通過同 組態(tài)超精細(xì)能級之間的禁戒躍遷又能夠?qū)私Y(jié)構(gòu)進(jìn) 行研究, 通過對 .(， =% 禁戒躍遷的研究可以進(jìn)一步 檢驗(yàn)原子波函數(shù)， 因?yàn)槠焚|(zhì)好的原子波函數(shù)不僅可 以預(yù)言容許躍遷幾率， 同時應(yīng)該可以預(yù)言禁戒躍遷 幾率, 所以研究禁戒躍遷對原子結(jié)構(gòu)理論是至關(guān)重 要的, 量子電動力學(xué)效應(yīng)， 在氫原子中已經(jīng)由超高精 度的譜學(xué)研究得到了很好的驗(yàn)證, 對重一些的離子， 實(shí)驗(yàn)雖然達(dá)不到這樣的精度， 但是由于 -./ 效應(yīng)隨 !+增加， 在高電荷態(tài)離子中它對離子的能級結(jié)構(gòu)的 影響很大， 并且其高次效應(yīng)將逐漸得到體現(xiàn), 對于核 電荷 ! +5 的離子， 高次項(xiàng)將主宰 -./ 效應(yīng)中的最 主要部分 自能項(xiàng) %(, 隨著 ! 的增加， 原子核與 核外電子的 （波函數(shù)） 重疊越來越嚴(yán)重， 核電荷分布 不僅對離子的狄拉克方程本征值有影響， 對 #012 位移的貢獻(xiàn)也體現(xiàn)出來， 在 ! A5， 它的貢獻(xiàn)將超過 -./ 效應(yīng)中的真空極化項(xiàng) （絕對值） %)， 并達(dá)到與 自能同數(shù)量級, 這些效應(yīng)只能通過極高電荷態(tài)極重 離子來進(jìn)行研究， 所以高電荷態(tài)離子使更全面地研 究 -./ 效應(yīng)成為可能, 由于超精細(xì)能級分裂隨核電荷 !)增大， 在較低 ! 原子或離子情況下， 通常是通過容許躍遷的超精 細(xì)分裂來研究的, 在重離子中， 例如 ! 75 的類氫 離子， 它們的基態(tài)超精細(xì)能級分裂足夠大， 以至于基 態(tài)超精細(xì)能級之間的禁戒躍遷落到測量精度最高的 可見光波段， 從對它們的研究可以得到原子核的磁 和電分布, 這不僅對核物理學(xué)科很有意義， 對精密研 究和檢驗(yàn) -./ 理論同樣是非常重要的, 由于極重離子內(nèi)殼層電子與原子核波函數(shù)的有 限重疊， 使內(nèi)殼層電子 （主要是 % 電子） 的分布情 況對核衰變通道及幾率產(chǎn)生影響, 在德國重離子研 究中心 BCD 曾經(jīng)成功地觀察到原本完全禁戒的%:) :/E 到%:) :A!? 的 # 衰變 %+， 因?yàn)?/E 原子的這一核衰變的 # 值不夠， 所以衰變不能發(fā)生, 裸 /E 離子 # 衰變所 產(chǎn)生的電子可以占據(jù) !? 的 % 態(tài)， 為衰變節(jié)約了 :)F“6 的能量， 這樣反應(yīng) # 值就不再是一個問題了， 衰變可以發(fā)生, 所以， 高電荷態(tài)離子又為研究核物 理開辟了新的渠道, !, “ # 分解研究等離子體 在 .DG 中離子與電子發(fā)生碰撞， 主要導(dǎo)致離 “$% 前沿進(jìn)展 ! “# 卷（#$“ 年）# 期 子升溫、 激發(fā)、 電離、 離子與電子的輻射重組及雙電 子重組； 在 %8） ， 雙電子重組是一個共振過 程， 只發(fā)生在一些特定的電子能量下) ;8 過程先形 成一個雙激發(fā)的中間態(tài)， 之后那兩個處在激發(fā)狀態(tài) 的電子將輻射退激， 完成 ;8 過程) 在 9: 的 ;8 過 程中， 中間態(tài)兩個電子都處在 : 殼層 （! 7 #） ， 所以 它們都可以發(fā)生 ! 7 #(/ 的 9!輻射) 圖 + 中水平 雙線之間第二個強(qiáng)事件區(qū)， 是氬離子與電子的 9:， 9:?， ， 相鄰事件的電子能量間隔越來越近， 直至 連續(xù)) 從連續(xù)區(qū)開始， 氬離子的 ! 7 /(# 的直接激 發(fā)閾被打開， 在以上的所有電子能量下都有 9!輻 射) 我們還注意到在連續(xù)的 9!輻射事件上還疊加 了一些分裂的， 或稱共振的事件區(qū)， 那里有能量更高 的 9， 雙電子重組事件) 若直 接觀察等離子體， 則相當(dāng)于把圖 + 的橫坐標(biāo)完全壓 縮， 只能看到幾個大峰和一些連續(xù)本底， 無法區(qū)分各 峰里包含的不同的物理過程以及它們發(fā)生的相對幾 率) 由此可以看出 % 效應(yīng)、 相對論 效應(yīng)、 原子核結(jié)構(gòu)與核反應(yīng)、 宇稱問題的研究、等離 子體研究、高電荷態(tài)離子與表面相互作用的研究之 外， 通過 %)! =*?! A2! %+-./，G2?3/0?3 ,，Q) %13W H2+H， & #)*A./0+2A-! &*3AG2+H， /*-*3/AG 3-2-.3+.-G2R-，