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        氘氫混合氣體的高頻離子源中H2D+與D+2 的比例實(shí)測(cè)研究

        2014-07-13 03:39:04袁學(xué)東朱洲森繆竟威師免恭廖雪花方才進(jìn)
        關(guān)鍵詞:離子源庫(kù)侖分子離子

        袁學(xué)東,朱洲森,繆竟威,師免恭,廖雪花,方才進(jìn)

        (1.四川大學(xué),成都610064;2.四川師范大學(xué),成都610066)

        1 引 言

        H2D+是一種重要的分子離子,在天體物理和天體化學(xué)中具有許多應(yīng)用.近10年來(lái)尤其是近兩三年,人們對(duì)H2D+又進(jìn)行了各種觀測(cè)和研究:2011年,為了對(duì)小質(zhì)量恒星的研究,E.Chapillon等人深入探測(cè)研究了原行星盤(Protoplanetary Disks)中的H2D+[1];2006 年,C.Vastel等 人以H2D+為研究對(duì)象,在實(shí)驗(yàn)室模擬早期星際形成的演變等[2];2010 年,Taha Sochi和Jonathan Tennyson 在很寬的能級(jí)范圍內(nèi)研究了H2D+的震動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)光譜[3];2004年,D.Strasser等人對(duì)H2D+的DR 實(shí)驗(yàn)作了詳細(xì)的研究,發(fā)現(xiàn)HD+2分解時(shí)其結(jié)構(gòu)趨于線狀幾何結(jié)構(gòu),并且氘處于中心的情形有很大的幾率[4].這些研究對(duì)H2D+的物理特性以及在天體進(jìn)化等領(lǐng)域的作用都更進(jìn)了一步.

        但有一個(gè)無(wú)法回避的事實(shí)是在實(shí)驗(yàn)室條件下研究H2D+中,離子源產(chǎn)生H2D+的同時(shí),會(huì)不可避免的混入D+2,難以將其從H2D+中分離,從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果.我們多年利用庫(kù)倫爆炸技術(shù)研究H+3及其氘化同位素分子離子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)時(shí)候也只集中在三種離子H+3、D+3和HD+2上[5,6,7,8,9],與其它研究的處理方式類似,對(duì)H2D+的實(shí)驗(yàn)研究采取回避的方式.但正如前文所述,H2D+恰恰是一種重要的分子離子,被認(rèn)為是第一代氘化星際分子產(chǎn)物[1,2].

        本文將報(bào)道我們專門針對(duì)H2D+與超薄固體膜相互作用的實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中,根據(jù)這兩種離子在離子源形成的機(jī)理出發(fā),采取產(chǎn)物對(duì)比與分析的方法,將離子源中兩種離子的比例實(shí)際測(cè)量出來(lái).研究先在相同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)D+2和相同的超薄碳膜相互作用進(jìn)行了測(cè)量和研究,并參照此結(jié)果和其它分析方式將混入H2D+束流中的D+2的影響用合成與分解的方式除去.最終得到他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室條件下形成的相對(duì)比例.

        2 H2D+與D+2 同位素分子離子的形成機(jī)理

        在星際云中,一個(gè)重要的反應(yīng)是[5]:

        其反映截面a=3×10-10cm3·s-1.由于這個(gè)反應(yīng)在星際條件下是不可逆的,所以H2D+具有較高的豐度,常被用來(lái)作為研究對(duì)象來(lái)探究星際空間的演變和形成等.

        實(shí)驗(yàn)室條件下,高頻離子源純凈的氫氣電離會(huì)產(chǎn)生大量的H+、H+2和H+3離子,純凈的氘氣電離同樣會(huì)產(chǎn)生大量的D+、D+2和D+3離子,這些離子在高頻離子源混合后,會(huì)形成包含H2D+在內(nèi)的一系列同位素分子離子[3].涉及形成H2D+的主要的反應(yīng)是:

        當(dāng)然,還存在其它形成H2D+的反應(yīng)道,但以以上的反應(yīng)道為主.

        以上反應(yīng)后,它們與電子的復(fù)合反應(yīng)生成中性的分子和中性原子的過(guò)程也同時(shí)進(jìn)行:

        一般分子離子的復(fù)合反應(yīng)速率為~10-6cm3·s-1[13],但H+3以及其同位素復(fù)合反應(yīng)在Admas和Smith的VT-FALP實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察中,在95~600K 溫度范圍,其復(fù)合反應(yīng)進(jìn)行得非常慢[14],其上限值僅為~10-11cm3·s-1,大大低于其它分子離子的復(fù)合反應(yīng)速度.在離子源處于振動(dòng)激發(fā)態(tài)的H2D+,幾乎很少發(fā)生與電子的復(fù)合分解反應(yīng),使得H2D+在離子源中的豐度較高,方便引出穩(wěn)定的強(qiáng)束流.Kevin G 等在1992年專門研究了通過(guò)H2和D2混合形成H+3,HD+2,H2D+,D+3的反應(yīng)[15],得到在300K 溫度下,其產(chǎn)物比例和理論上的統(tǒng)計(jì)產(chǎn)物比例大致相當(dāng).

        D+2的形成機(jī)理相對(duì)簡(jiǎn)單,主要是由D2電離失去電子后形成.自然也有以上反應(yīng)的逆反應(yīng)形成.D+2的的豐度相對(duì)較高,因?yàn)樗瞧渌凰刈钪饕闹虚g離子之一,并以它為中心可以形成原子數(shù)更大的團(tuán)簇.

        3 H2D+與固體的相互作用以及與D+2 的相對(duì)比例實(shí)際測(cè)量

        “快”分子離子在進(jìn)入固體時(shí),其束縛電子的損失截面比俘獲截面大3—4個(gè)量級(jí),致使瞬間失去全部電子形成的裸核團(tuán)在短距庫(kù)侖力作用下爆炸式分開(kāi),由于時(shí)間極短,分子離子轉(zhuǎn)動(dòng)和震動(dòng)的影響被忽略[5,6,10-12].這 一 過(guò) 程 稱 為“庫(kù) 侖 爆 炸”,是團(tuán)蔟與固體相互作用一個(gè)重要的領(lǐng)域,H+3、D+3和HD+2的化學(xué)結(jié)構(gòu)就是由庫(kù)侖爆炸技術(shù)首先確定的[5,6,14-16].

        圖1是1.5232 MeV 的H2D+離子束經(jīng)超薄碳膜后在00方向出射的質(zhì)子能譜,能量由高分辨靜電分析器測(cè)量.如圖所示,這是典型的庫(kù)侖爆炸產(chǎn)物能譜.對(duì)H2D+中的質(zhì)子,圖中能譜的兩個(gè)譜峰分別對(duì)應(yīng)在質(zhì)心系裂開(kāi)時(shí)沿束流方向的朝前與朝后的質(zhì)子.需要指出的是雖然H2D+的束流中含有D+2,但對(duì)于質(zhì)子能譜不會(huì)產(chǎn)生任何影響,圖1是純粹的H2D+的庫(kù)侖爆炸能譜.

        圖1 1.5232 MeV 能量入射的H2D+的質(zhì)子的庫(kù)侖爆炸能譜Fig.1 The H+energy spectrum of H2D+at energy of 1.5232 MeV during coulomb explosion

        結(jié)果中,兩個(gè)峰值間的能量差ΔEHmax=10.23 keV,能量峰的半高寬(FWHM)為2.2KeV.實(shí)驗(yàn)中最高計(jì)數(shù)為9987.質(zhì)子能譜和氘子的能量峰間距以及譜峰形狀一起決定H2D+的結(jié)構(gòu),將在后節(jié)討論分析.

        圖2是相同條件下,H2D+的D+的爆炸能譜分布.D+裂開(kāi)速度較H+為小,造成零度方向以及附近更多的D+進(jìn)入靜電分析器.雖然D+的能譜分辨比H+的能譜分辨差,但所得到的能譜分辨仍足以對(duì)兩個(gè)峰位做清楚地辨別和定位.

        這個(gè)直接測(cè)量的能譜是H2D+和D+2的混合庫(kù)侖爆炸能譜,ΔEDmax=8.68keV,能量峰的半高寬(FWHM)為2.9 KeV.測(cè)量中最高計(jì)數(shù)為88605.為了獲取H2D+的結(jié)合能和幾何結(jié)構(gòu),就必須將兩部分分離開(kāi)來(lái).

        根據(jù)早期同條件下的實(shí)驗(yàn),D+2與固體相互作用后的D+能譜是個(gè)簡(jiǎn)單的庫(kù)侖爆炸能譜,兩個(gè)峰值間的能量差ΔEmax=8.15keV,依此得到D+2的核間距為1.32?.

        圖2 1.5232 MeV 能量入射的H2D+的氘子的庫(kù)侖爆炸混合能譜,包含D+2 的氘子能譜Fig.2 The mixed D+energy spectrum of H2D+ with D+2 at energ y of 1.5232 MeV during Coulomb Explosion

        由此看出,在H2D+的混合D+能譜中,D+2與固體相互作用后的能譜峰位比混合D+峰位內(nèi)移(8.68-8.15)/2=0.26keV.這個(gè)因素會(huì)對(duì)H2D+的D+內(nèi)移產(chǎn)生多大的偏差,就應(yīng)該獲得這兩個(gè)計(jì)數(shù)的相對(duì)比例.這里先指出,這個(gè)偏差相對(duì)是比較小的,因?yàn)樵跍y(cè)量中,每個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)的測(cè)量間距為0.3keV,這個(gè)偏差小于一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn).但為了準(zhǔn)確獲得真正的H2D+的D+譜圖峰間距,這個(gè)偏差需要推算出來(lái).

        為了獲得測(cè)量結(jié)果中D+的能譜峰的產(chǎn)物中H2D+的D+數(shù)量,我們用相似的微團(tuán)簇HD+2的爆炸產(chǎn)物碎片做比較.這是由于在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,裝置對(duì)D+和H+的分辨本領(lǐng)保持不變,而實(shí)測(cè)和理論都說(shuō)明,在庫(kù)侖爆炸中,由于在質(zhì)心系爆炸產(chǎn)物的各向的均勻分布,加上實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)某種離子的分辨本領(lǐng)是固定的,使得在實(shí)驗(yàn)測(cè)量的張角一定的情況下,對(duì)異構(gòu)分子離子(H2D+,HD+2)測(cè)量時(shí),各產(chǎn)物的相對(duì)比例總是一定的.具體在H2D+或者HD+2上,就是說(shuō),對(duì)一種分子離子而言,對(duì)應(yīng)于一定數(shù)量的H+,總會(huì)探測(cè)到固定比例的D+產(chǎn)物.而在結(jié)構(gòu)類似的不同的分子離子中,這個(gè)比例相對(duì)于分子離子中某種離子的含量也是成正比例的.這就使我們可以通過(guò)H2D+庫(kù)侖爆炸中H+的計(jì)數(shù)和HD+2爆炸能譜中H+和D+的比例以及H2D+與HD+2中兩種產(chǎn)物的含量比例,能比較準(zhǔn)確的獲取D+的混合能譜中H2D+的D+所占的比例及數(shù)量.

        在HD+2的庫(kù)侖爆炸能譜測(cè)量中,中心峰的最高計(jì)數(shù)比CDmax/CHmax=168027/49763=3.38.在H2D+爆炸譜的H+的中心最高計(jì)數(shù)為9987,考慮到以上的幾個(gè)因素以及比例,以此推算得到的H2D+的D+的能譜峰的中心計(jì)數(shù)應(yīng)為16878.由此看來(lái),在實(shí)驗(yàn)所測(cè)的混合的D+的能譜中,D+2的貢獻(xiàn)要占大多數(shù).這也符合離子源中離子種類分布的實(shí)際情況.因?yàn)殡x子源中形成H2D+時(shí),由氫氣和氘氣混合后電離,然后經(jīng)過(guò)分子反應(yīng)形成的,如文章的第2節(jié)所示.而電離氘氣會(huì)產(chǎn)生數(shù)量較多的D+2離子.這樣,根據(jù)實(shí)際測(cè)量的能譜使用高斯擬合先擬合出混合D+能譜,然后根據(jù)實(shí)際測(cè)量的D+2離子的爆炸能譜擬合出D+2爆炸后貢獻(xiàn)部分的能譜,參照實(shí)測(cè)的能譜計(jì)數(shù)分布以及產(chǎn)物的相對(duì)比例,最終采用高斯擬合分解的方法得到的H2D+的D+能譜峰如圖3所示.這個(gè)能譜相對(duì)于直接測(cè)量獲取的能譜,其峰位偏移了0.29keV,這是移除了D+2的影響得到的.依次H2D+的結(jié)果中,D+的能譜的兩個(gè)峰位的能量差ΔEDmax=9.26keV.D+能量峰的半高寬(FWHM)為2.9keV.

        圖3 實(shí)測(cè)H2D+的D+能譜經(jīng)過(guò)高斯擬合去除D+2 的D+能譜后得到的1.5232 MeV 能量入射的H2 D+的氘子的庫(kù)侖爆炸高斯擬合能譜Fig.3 The measured D+ spectrum of H2 D+ after Gauss fitting to remove the D+ spectrum of D+2 at the energy of 1.5232 MeV during Coulomb Explosion

        至此,我們完成了對(duì)兩種離子相對(duì)比例的實(shí)際測(cè)量:對(duì)于相同的探測(cè)條件和設(shè)備參數(shù),兩種離子的對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)比例如前文所述為:

        這意味著,相對(duì)于束流中100個(gè)H2D+離子,在高頻離子源會(huì)同時(shí)伴隨425個(gè)D+2離子產(chǎn)生并引出.這一結(jié)論和測(cè)量分析中所采用的方法對(duì)類似研究有一定的借鑒作用.

        致 謝 整個(gè)實(shí)驗(yàn)工作得到了四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所靜電加速器老師的積極配合與支持,在此表示敬意與感謝.文章的部分計(jì)算工作得到研究生方才進(jìn)同學(xué)的協(xié)助和驗(yàn)證,一并表示感謝.

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