Na離子和Cl離子引起He原子直接多重電離過程的研究

1、第20卷第2期原子與分子物理學(xué)報(bào)V o l.20,.2 2003年4月C H I N E S E J O U R N A LO FA T O M I CA N D M O L E C U L A RP H Y S I C S A p r.,2003文章編號(hào):1000-0364(200302-0135-03N a離子和C l離子引起H e原子直接多重電離過程的研究陳熙萌1,2,蔡曉紅2,劉兆遠(yuǎn)1,馬新文2,于得洋2,祁中1,王強(qiáng)1,楊治虎2,劉惠萍2,盧榮春2,賈志軍1,孟慶華1,楊耀云1(1.蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代物理系,甘肅蘭州730000;2.中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所,甘肅蘭州73

2、0000摘要:利用28M e V的N a q+、C l q+(q E2,3,4,5轟擊氦原子,對(duì)碰撞的直接多重電離過程進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)采用反沖離子-散射離子飛行時(shí)間符合技術(shù),通過反沖離子飛行時(shí)間譜區(qū)分不同價(jià)態(tài)反沖離子;利用靜電偏轉(zhuǎn)和位置靈敏探測(cè)技術(shù)區(qū)分不同電荷態(tài)散射離子;結(jié)合C A M A C-P C多參數(shù)獲取系統(tǒng)得到一定價(jià)態(tài)散射離子所對(duì)應(yīng)的反沖離子電荷態(tài)分布譜;經(jīng)分析該譜得到直接多重電離截面與直接單電離截面之比R21。討論了R21隨入射離子速度和電荷態(tài)的變化關(guān)系。關(guān)鍵詞:離子-原子碰撞;直接電離;截面比中圖分類號(hào):O561.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1引言近年來離子-原子碰撞引起原子直接多重電離的研究受

3、到越來越廣泛的重視1。在理論方面,獨(dú)立粒子模型仍在使用,但在很多情況下必須考慮多體相互作用,特別是原子中電子-電子之間關(guān)聯(lián)機(jī)制、碰撞中入射離子束縛態(tài)電子和靶原子束縛態(tài)電子之間的作用機(jī)制及出射電子對(duì)入射離子和靶原子其它電子的影響,這些正是離子-原子碰撞研究所要探索的問題。由于此類問題尚未解決,所以現(xiàn)在的理論模型總是基于經(jīng)典的、半經(jīng)典的或者對(duì)量子力學(xué)方法作一定近似處理來與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較2。直接多重電離的實(shí)驗(yàn)研究主要集中于離子-氦原子碰撞系統(tǒng),研究氦原子的直接單電離和雙重電離過程3。氦原子核外只有兩個(gè)電子,是研究直接多重電離的最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。氦原子在碰撞中不存在俄歇躍遷,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的雙重電離截面可以反

4、映氦原子中電子-電子關(guān)聯(lián)的物理信息。M c G u i r e3認(rèn)為氦原子的雙重電離過程可通過S O (S h a k eO f f過程和兩步過程T S-2(T w oS t e p實(shí)現(xiàn)。當(dāng)入射離子能量很高時(shí),T S-2影響可以忽略,S O為主要作用機(jī)制。這種情況下,入射離子穿過靶原子區(qū)域時(shí)間很短,只能和一個(gè)靶電子作用使其電離,而另一個(gè)電子則不受入射離子影響。由于第一個(gè)電子的出射,電子之間原有關(guān)聯(lián)突然被破壞,氦原子將在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行狀態(tài)重組。對(duì)第二個(gè)電子來說,在很短時(shí)間內(nèi)等效于處在類氫原子的激發(fā)態(tài),受很小的擾動(dòng)就有可能成為自由電子。當(dāng)入射離子能量較低時(shí),就可能有足夠的時(shí)間依次與氦原子的兩個(gè)電

5、子發(fā)生碰撞,使兩個(gè)電子依次電離,即所謂的T S-2過程。按照M c G u i r e的預(yù)言, T S-2(直接雙重電離截面與(q/v4成正比,q 和v分別為入射離子電荷態(tài)和速度。K n u d s e n4認(rèn)為存在另一種兩步過程T S-1,即入射離子首先與靶原子一個(gè)電子作用使其電離,該電子在飛出原子區(qū)域的時(shí)間內(nèi)與第二個(gè)電子碰撞使其電離。S O 和T S機(jī)制能夠解釋超高能區(qū)和高能區(qū)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,但在中能區(qū)卻遇到了難以克服的困難,實(shí)驗(yàn)結(jié)收稿日期:2002-11-11基金項(xiàng)目:本工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):19374027;教育部高等學(xué)校骨干教師基金的資助作者簡(jiǎn)介:陳熙萌(1966-,男,陜西

6、禮泉人,博士,從事離子-原子碰撞研究。果遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離T S 機(jī)制的計(jì)算?；谝陨峡紤],本工作選取中低能量的N a 離子和C l 離子與H e 原子碰撞,測(cè)量了直接多重電離截面與直接單電離截面之比R 21,并討論了R 21隨入射離子速度和電荷態(tài)的變化關(guān)系。2實(shí)驗(yàn)裝置及數(shù)據(jù)處理本工作在蘭州大學(xué)原子核研究所2*1.7M V 串列加速器原子物理專用束流線上完成。實(shí)驗(yàn)裝置在文獻(xiàn)5中已詳細(xì)描述。經(jīng)能量和電荷態(tài)選擇的單一能量,單一電荷態(tài)入射離子通過兩個(gè)相距1.5m 且同心的雙維精密光欄準(zhǔn)直后進(jìn)入碰撞室。調(diào)節(jié)光欄孔徑,使入射束具小的發(fā)散角,同時(shí)保證散射離子有合適計(jì)數(shù)率,不至于產(chǎn)生信號(hào)堆積。實(shí)驗(yàn)中光欄孔徑一般小于0

7、.3*0.3m m2。靶原子束與入射離子束垂直交叉,碰撞區(qū)域氣體密度由氣體流量器控制,以保證入射離子在碰撞區(qū)域只發(fā)生單次碰撞,同時(shí)又具有合適的反沖離子計(jì)數(shù)率。靶室真空采用差分抽氣,以保證除碰撞區(qū)域之外,管道中真空度和未進(jìn)氣前基本一致。準(zhǔn)直后的入射束流在靶室中心位置與靶氣體原子發(fā)生碰撞。碰撞后,散射離子將以一定的幾率改變電荷態(tài),平行板電場(chǎng)用來對(duì)散射離子進(jìn)行偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)后的散射離子按電荷態(tài)的不同將打在散射離子探測(cè)器-位置靈敏微通道板P S M C P (P o s i t i o nS e n s i t i v e M u l t i -C h a n n e l P l a t e 的不同位置,

8、P S M C P 將給出散射離子的電荷態(tài)分布譜。靶室中靶氣體原子在碰撞后將以一定幾率發(fā)生電離,產(chǎn)生不同價(jià)態(tài)反沖離子。在垂直于束流方向的加速電場(chǎng)作用下飛行一段時(shí)間后,由通道電子倍增器C E M (C h a n n e lE l e c t r o nM u l t i p l i e r 探測(cè)。通過反沖離子的飛行時(shí)間測(cè)量,可以給出反沖離子的電荷態(tài)分布譜。利用多參數(shù)數(shù)據(jù)獲系統(tǒng)對(duì)散射離子和反沖離子的電荷態(tài)分布作相關(guān)測(cè)量,可以得到二維相關(guān)物理事件的符合譜,如圖1所示。在圖1中,橫坐標(biāo)代表散射離子的電荷態(tài),縱坐標(biāo)代表反沖離子的電荷態(tài)。其中相對(duì)于入射離子,散射離子電荷態(tài)不變的區(qū)域?yàn)橹苯与婋x過程,包括直

9、接雙重電離和直接單重電離。由該譜可以得到直接電離過程中H e 2+和H e 1+離子的計(jì)數(shù)N (H e 2+和N (H e1+。由于反沖離子的速度很大,而且通道電子倍增器工作在飽和區(qū),所以可以認(rèn)為反沖離子收集系統(tǒng)對(duì)H e 2+和H e1+離子的探測(cè)效率相同。因此,H e 原子直接雙重電離截面和直接單電離的截面之比為R 21E N (He 2+/N (H e 1+(1 年3實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖2和圖3給出了2.08.0M e V N a q +和C l q +(q E 2,3,4,5離子引起H e 原子直接雙重電離截面和直接單重電離截面之比R 21隨(V /V 0/q 的變化關(guān)系,其中V 和q 分別為入射

10、離子的速度和電荷態(tài),V 0為玻爾速度。由圖可以看出,在該實(shí)驗(yàn)?zāi)軈^(qū),R 21并不是像T S 機(jī)制預(yù)言的那樣與(V /V 0/q 2呈現(xiàn)反比關(guān)系,而是明顯地存在一個(gè)極大值點(diǎn)(V /V 0/q p 。對(duì)于N a q +-H e 碰撞系統(tǒng),(V /V 0/q p 約等于0.8;對(duì)于C l q +-H e 碰撞系統(tǒng),(V /V 0/q p 約等于0.6。參考文獻(xiàn)1C o c k eCL ,O l s o nRE .R e c o i l i o n s J .P h y s .R e p.,1991,205:153.2P u k e t tLJ ,M a r t i nD W.A n a l ys i

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14、UD e -y a n g 2,Q I Z h o n g 1,W A N GQ i a n g 1,Y A N GZ h i -h u 2,L I U H u i -p i n g 2,L UR o n g -c h u n 2,J I AZ h i -J u n 1,M E N GQ i n g -h u a 1,Y A N GY a o -yu n 1(1.D e p a r t m e n t o fm o d e r nP h y s i c s ,L a n z h o uU n i v e r s i t y,L a n z h o u ,G a n s u ,730000,P

15、.R .o f C h i n a ;2.I n s t i t u t e o fM o d e r nP h y s i c s ,C h i n e s eA c a d e m y of S c i e n c e ,L a n z h o u ,G a n s u ,730000,P .R .o f C h i n a A b s t r a c t :P u r e d i r e c t s i ng l e i o n i z a t i o n (S I a n dd o u b l e i o n i z a t i o n (D I o fh e li u mb o m

16、b a r d e db y Na q +a n d C l q +(q E2,3,4,5a r e s t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y i n e n e r g y r a n g e o f 2.08.0M e V .T h e c r o s s s e c t i o n r a t i o s R 21ofD I t oS Iw e r em e a s u r e db y c o i n c i d e n c eb e t w e e nt i m eo f f l i g h t (T O F o f r e c o i l i o n sa n d p o s i t i o n s e n s i t i v e s i g n a l s o f s c a t t e r e d i o n s .T h e t r e n d o f R 21wi t h (V /V 0/q a r e d i s c u s s e dw h e r e V ,q a n d V 0a r e p r o