跨玻爾速度能區(qū)Xe23＋離子與Ne原子碰撞中的電子過(guò)程

丁寶衛(wèi)，于得洋，盧榮春，邵曹杰，阮芳芳，劉錦鵬，趙永龍，景 龍

（1．蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730000；2．中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所，甘肅蘭州 730000）

高溫存在于宇宙的諸多區(qū)域，如恒星、活動(dòng)星系核、超新星的爆炸等。在非常高的溫度條件下，即使重原子的電子也會(huì)被部分甚至全部剝離，所以許多物質(zhì)以電離態(tài)的形式存在。但地球上很難找到這種自然的極端條件。為在實(shí)驗(yàn)室中開展相關(guān)的研究，人們發(fā)展了高電荷態(tài)離子源［1］，如電子回旋共振離子源、電子束離子阱以及激光離子源。近年來(lái)，高電荷態(tài)離子與多電子原子或分子的碰撞是一非?；钴S的研究領(lǐng)域，這些研究不僅有助于理解復(fù)雜的離子－原子碰撞過(guò)程、檢驗(yàn)相關(guān)的理論模型，且對(duì)高溫等離子體［2－3］、天體物理［4］及大氣科學(xué)［5］等領(lǐng)域的研究具有重要意義。

通常，當(dāng)入射離子速度vp遠(yuǎn)小于1個(gè)玻爾速度（a．u．）時(shí)，即vp《1a．u．時(shí)，俘獲是主要過(guò)程，以至于其他過(guò)程可忽略；而當(dāng)入射離子速度較高（vp》1a．u．）時(shí)，電離是主要過(guò)程。在這兩個(gè)能區(qū)，對(duì)高電荷態(tài)離子與原子的碰撞過(guò)程研究相對(duì)較多［6－16］。為分析高電荷態(tài)離子與原子碰撞中的物理過(guò)程，提出了若干個(gè)理論模型或經(jīng)驗(yàn)公式，如經(jīng)典過(guò)壘模型［17］、拓展的經(jīng)典過(guò)壘模型［18］、分子經(jīng)典過(guò)壘模型［19］、Selberg等［9］發(fā)展的半經(jīng)驗(yàn)公式等。然而，在跨玻爾速度能區(qū)，在某種程度上，俘獲和電離均較重要，不能舍此顧彼，且反應(yīng)道之間還存在較強(qiáng)的耦合，量子力學(xué)處理難度很大。在這一能區(qū)，已有的實(shí)驗(yàn)主要集中于He原子［20－21］，對(duì)于較重的靶原子的研究還很缺乏。另外，多電子過(guò)程表征了多體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)問題，可用來(lái)檢驗(yàn)當(dāng)前的相關(guān)理論模型，特別是多電子過(guò)程中的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)。本文將通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究跨玻爾速度能區(qū)的Xe23＋離子與Ne原子碰撞中的單電子和多電子過(guò)程。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所電子回旋共振離子源高壓平臺(tái)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置在文獻(xiàn)［21］中已描述。具有一定能量的聚焦Xe23＋離子束與自上而下的氣體靶碰撞，靶室的真空度為10－6Pa量級(jí)。碰撞后，不同電荷態(tài)的散射離子在靜電場(chǎng)中具有不同的偏轉(zhuǎn)角，故打在位置靈敏微通道板探測(cè)器的不同位置上。反沖離子的初始動(dòng)能很小，通過(guò)電場(chǎng)引出并加速，而后在一無(wú)場(chǎng)區(qū)域自由漂移，最后打在反沖離子微通道板探測(cè)器上。實(shí)驗(yàn)中，由于反沖離子探測(cè)器的電壓較高，達(dá)3kV，所以對(duì)不同電荷態(tài)的反沖離子的探測(cè)效率近似相同。反沖離子的飛行時(shí)間與離子的質(zhì)荷比（m／q）有關(guān)，不同電荷態(tài)的反沖離子到達(dá)探測(cè)器的飛行時(shí)間不同。據(jù)此，通過(guò)離子的飛行時(shí)間，可區(qū)分它們的電荷態(tài)。最后，將飛行時(shí)間譜與位置譜關(guān)聯(lián)，就得到位置－時(shí)間二維譜。該二維譜展現(xiàn)了不同反應(yīng)道的符合計(jì)數(shù)。圖1示出了21keV／u的Xe23＋與Ne原子碰撞的反沖離子飛行時(shí)間譜和符合二維譜。

圖1 Xe23＋與Ne原子碰撞的飛行時(shí)間譜（a）和符合二維譜（b）

實(shí)驗(yàn)的入射離子速度vp為0．65～1．32a．u．，碰撞過(guò)程可簡(jiǎn)單描述為：

其中：j為入射離子俘獲的電子數(shù)；k為反沖離子的電荷態(tài)，k＝1、2、3、4、5。伴隨j個(gè)電子俘獲的k重電子丟失截面為。通過(guò)二維譜可得到k電子與單電子過(guò)程的截面比σk／σ1為：

σk／σ1＝N0k／N01

（2）

其中，N0k和N01分別為Nek＋和Ne＋離子的計(jì)數(shù)。同樣，截面比／σk為：

（3）

實(shí)驗(yàn)誤差主要來(lái)自反沖離子的探測(cè)效率（＜10%）、多次碰撞（＜3%）、數(shù)據(jù)處理二維譜時(shí)的計(jì)數(shù)區(qū)域選?。ǎ?0%）以及統(tǒng)計(jì)誤差（5%）。詳細(xì)的誤差分析可參考文獻(xiàn)［21－23］。

2 分析與討論

測(cè)量0．65～1．32a．u．速度范圍的Xe23＋與Ne原子碰撞的各反應(yīng)道的相對(duì)截面。圖2示出了截面比σ2／σ1、σ3／σ1、σ4／σ1和σ5／σ1對(duì)入射離子速度的依賴關(guān)系。從圖2可看出，隨著速度的增加，這些比值并無(wú)明顯的變化，即入射離子速度對(duì)各截面σk（k＝1、2、3、4、5）的影響幾乎等同。這與較低能區(qū)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，原因可能是入射離子的強(qiáng)庫(kù)侖勢(shì)的作用的結(jié)果。截面比σ2／σ1、σ3／σ1、σ4／σ1及σ5／σ1分別約為0．4、0．2、0．13和0．1，顯然單電子過(guò)程占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其次是雙電子過(guò)程，而三電子、四電子及五電子過(guò)程的總截面約等于雙電子過(guò)程截面。文獻(xiàn)［7］提出用轉(zhuǎn)移激發(fā)機(jī)制描述雙電子過(guò)程，兩個(gè)靶電子轉(zhuǎn)移到入射離子激發(fā)態(tài)，隨后，靠近內(nèi)殼層的電子被重新俘獲到靶的激發(fā)態(tài)，這個(gè)過(guò)程貢獻(xiàn)于單電子過(guò)程。轉(zhuǎn)移激發(fā)機(jī)制對(duì)于He原子有效，但不適用于較重的靶原子。

該能區(qū)高電荷態(tài)離子與原子碰撞中，由于直接電離是一很弱的反應(yīng)道，所以，可用拓展的經(jīng)典過(guò)壘（ECB）模型［7，21］描述靶電子的丟失。在該模型中，當(dāng)離子與靶原子之間的勢(shì)壘等于或低于束縛靶電子的Stark能時(shí)，這個(gè)電子將逃離靶原子。據(jù)此，第k個(gè)電子逃離的臨界核間距為：

其中，Ik為第k個(gè)靶電子的電離勢(shì)，eV。k個(gè)電子逃離的截面近似為：

Selberg等［9］采用一半經(jīng)驗(yàn)公式，描述k個(gè)靶電子逃離的絕對(duì)截面，即：

式中：Ik／Ii為第k個(gè)電子與第i個(gè)電子的電離能之比；N為外殼層電子數(shù)；q為入射離子的電荷態(tài)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與這兩種模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。式（6）對(duì)截面比σ2／σ1和σ3／σ1估計(jì)過(guò)高，而過(guò)壘模型的結(jié)果與σ4／σ1和σ5／σ1更為接近。

圖2 σk／σ1與入射離子速度的關(guān)系

通過(guò)二維譜，可根據(jù)下式計(jì)算獲得反沖離子電荷態(tài)分支比f(wàn)k：

Selberg等［9］給出了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式：

相對(duì)截面的測(cè)量結(jié)果如圖4所示。單電子過(guò)程幾乎被單電子俘獲過(guò)程完全占據(jù)。在雙電子過(guò)程中，≈0．8，說(shuō)明單電子俘獲伴隨單電離過(guò)程（轉(zhuǎn)移電離）是最重要的反應(yīng)道，而雙電子俘獲過(guò)程在雙電子過(guò)程中的比重很小。由于在該能區(qū)直接電離反應(yīng)道相對(duì)很弱，所以轉(zhuǎn)移電離主要來(lái)自伴隨雙俘獲的自電離過(guò)程。這個(gè)過(guò)程中，兩個(gè)靶電子轉(zhuǎn)移到入射離子的激發(fā)態(tài)，通過(guò)輻射退激和自電離衰變，即前者貢獻(xiàn)于真的雙俘獲（TDC）過(guò)程，而后者則貢獻(xiàn)于自電離雙俘獲（ADC）過(guò)程，這些物理過(guò)程可用下式描述：

圖3 fk與k的依賴關(guān)系

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，ADC應(yīng)是轉(zhuǎn)移電離過(guò)程中的重要機(jī)制。同樣，對(duì)于更多電子參與的過(guò)程（如三電子、四電子、五電子過(guò)程），主要的過(guò)程不是純俘獲過(guò)程，而是伴隨俘獲的電離過(guò)程，如及等。散射離子最后的電荷態(tài)取決于多激發(fā)態(tài)的入射離子不同的退激通道，可用下式描述：

（11）

另外，Ali等［6］認(rèn)為多電子靶（k≥3）的激發(fā)機(jī)制對(duì)多電子過(guò)程也有重要作用，對(duì)于本文所研究的碰撞系統(tǒng)，多電子過(guò)程用下式描述更好：

（12）

最后，還需說(shuō)明，隨著碰撞速度的增加，純電離截面并未如所期望的有一顯著增加，而是表現(xiàn)出對(duì)速度的獨(dú)立性。造成這種現(xiàn)象的原因，除實(shí)驗(yàn)誤差（反應(yīng)道弱，偶然符合的影響大）外，可能還存在深層次的物理原因，這值得進(jìn)一步研究。

圖4 Pkj與入射離子速度的關(guān)系

3 結(jié)論

測(cè)量了0．65～1．32a．u．速度范圍的Xe23＋離子與Ne原子碰撞的單電子和多電子過(guò)程的相對(duì)截面。在所研究的能區(qū)，相對(duì)截面對(duì)入射離子速度依賴性很弱。單電子過(guò)程是最主要的反應(yīng)道，它幾乎被單電子俘獲過(guò)程完全占據(jù)。而對(duì)多電子過(guò)程的主要貢獻(xiàn)不是來(lái)自純俘獲過(guò)程，而是來(lái)源于伴隨多電子俘獲的電子發(fā)射。

［1］ WINTER H．Production of multiply charged ions for experiments in atomic physics［M］．New York：Plenum Press，1983．

［2］ SCHULZ M，MOSHAMMER R，F(xiàn)ISCHER D，et al．Three－dimensional imaging of atomic fourbody processes［J］．Nature，2003，422：48－50．

［3］ MAGGI C F，HORTON I D，SUMMER H P．The effect of charge exchange with neutral deuterium on carbon emission in JET divertor plasmas［J］．Plasma Physics and Controlled Fusion，2000，42：669－700．

［6］ ALI R，COCKE C L，RAPHAELIAN M L A，et al．Multielectron processes in 10keV／u Arq＋（5≤q≤17）on Ar collisions［J］．Physics Review A，1994，49：3 586－3 596．

［7］ CEDERQUIST H．Transfer excitation in slow collisions between ions of very high charge and two－electron targets［J］．Physics Review A，1991，43：2 306－2 310．

［8］ CEDERQUIST H，BIEDERMANN C，SELBERG N，et al．Oscillations in mean capture Q values as functions of the projectile charge in slow Xeq＋－He（25≤q≤44）collisions［J］．Physics Review A，1995，51：2 191－2 198．

［9］ SELBERG N，BIEDERMANN C，CEDERQUIST H．Semiempirical scaling laws for electron capture at low energies［J］．Physics Review A，1996，54：4 127－4 135．

［10］SELBERG N，BIEDERMANN C，CEDERQUIST H．Absolute charge－exchange cross sections for the interaction between slow Xeq＋（15≤q≤43）projectiles and neutral He，Ar，and Xe［J］．Physics Review A，1997，56：4 623－4 632．

［11］LILJEBY L，ASTNER G，BKRANY A，et al．Absolute cross sections for multielectron processes in slow Arq＋＋Ne，Ar，Kr collisions［J］．Physica Scripta，1986，33：310－320．

［12］KNUDSEN H，HAUGEN H K，HVELPLUND P．Single－electron－capture cross section for medium－and high－velocity，highly charged ions colliding with atoms［J］．Physics Review A，1981，23：597－610．

［13］SHINPAUGH J L，SANDERS J M，HALL J M，et al．Electron capture and target ionization in collisions of bare projectile ions incident on helium［J］．Physics Review A，1992，45：2 922－2 928．

［14］HIPPLER R，DATZ S，MILLER P D，et al．Double－and single－electron capture and loss in collisions of 1－2MeV／u boron，oxygen，and silicon projectiles with helium atoms［J］．Physics Review A，1987，35：585－590．

［16］曹柱榮，蔡曉紅，于得洋，等．高電荷態(tài)Xe離子與He原子碰撞中的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程研究［J］．物理學(xué)報(bào)，2004，53：2 943－2 946．CAO Zhurong，CAI Xiaohong，YU Deyang，et al．Study of the electron transfer in Xeq＋－He collisions［J］．Chinese Physical Society，2004，53：2 943－2 946（in Chinese）．

［17］RYUFUKU H，SASAKI K，WATANABE T．Oscillatory behavior of charge transfer cross sections as a function of the charge of projectiles in low－energy collisions［J］．Physics Review A，1980，21：745－750．

［19］NIEHAUS A．A classical model for multipleelectron capture in slow collisions of highly charged ions with atoms［J］．Journal of Physics B，1986，19：2 925－2 937．

［20］WU W，GIESE J P，BEN－ITZHAK I，et al．Velocity dependence of one－and two－electron processes in intermediate－velocity Ar16＋＋He collisions［J］．Physics Review A，1993，48：3 617－3 625．

［21］DING B W，YU D Y，RUAN F F，et al．Single and double electron processes in collisions of Xe23＋ions with helium［J］．Physics Review A，2010，82：032703．

［22］DING B W，CHEN X M，YU D Y，et al．L－shell ionization accompanied by one electron capture in Cq＋，Oq＋（q＝2，3）－Ne collisions［J］．Physics Review A，2008，78：062718．

［23］DING B W，YU D Y，LU R C，et al．Multielectron processes in collisions of Xe23＋ions with Ar atoms［J］．European Physical Journal D，2011，65：391－396．