李鑫,呂蒙*

(1.四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,成都 610064;2.高能量密度物理及技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610064)

激光觸發(fā)弱耦合等離子體電離次序光譜分析方法

李鑫1,2,呂蒙1,2*

(1.四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,成都 610064;2.高能量密度物理及技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610064)

激光觸發(fā)產(chǎn)生弱耦合等離子體在超快時間(10～100 fs)內(nèi),產(chǎn)生離子的方式和機(jī)制一直是人們很難探知和計(jì)算的。利用激光電離原子的最基本特性,尋找出產(chǎn)生離子時所有的電離路徑,將電離路徑中產(chǎn)生X射線的路徑標(biāo)記出來加以研究,再結(jié)合弱耦合等離子體環(huán)境中原子或離子能級移動的性質(zhì),對比和計(jì)算相同路徑下相同電離結(jié)果中存在的不同電離方式,可區(qū)分產(chǎn)生相同產(chǎn)物的不同電離次序。這套方法可通過羅列計(jì)算并對應(yīng)所產(chǎn)生的特征X射線光譜來確定10～100 fs內(nèi)離子的產(chǎn)生過程以及產(chǎn)生機(jī)制,電離路徑及電離次序。為激光與物質(zhì)相互作用在超短時間(10～100 fs)內(nèi)的物理過程研究提供了一種可探測的技術(shù)。

電離次序;激光;光譜分析

1 引言

近年來,高溫高密高壓等極端條件下的相關(guān)物理取得了較大的推進(jìn)和發(fā)展。諸如慣性約束聚變(ICF)、實(shí)驗(yàn)室天體物理、材料科學(xué)、高精度等離子體診斷、超快X射線相機(jī)等一系列以此為基礎(chǔ)的物理學(xué)科也有了新的發(fā)現(xiàn)和突破性進(jìn)展。相關(guān)基礎(chǔ)物理研究帶動了各個領(lǐng)域,各個方向科研工作的重大進(jìn)步。強(qiáng)場物理研究已經(jīng)成為這個領(lǐng)域的焦點(diǎn)。不僅因?yàn)槠淠茉诔虝r間內(nèi)創(chuàng)造出極端物理?xiàng)l件,還由于其更易于在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)極端條件的模擬。

然而,近年來對于激光作用的極端物理,物質(zhì)所產(chǎn)生的未知變化和未知行為成為許多科學(xué)工作者關(guān)注的問題。各種分析方法與模擬方法層出不窮,用以探測、解釋與模擬激光作用后材料行為變化的研究也相繼展開。特別是X射線自由電子激光(XFEL)作用下內(nèi)殼層電子的光電離,空心原子的產(chǎn)生[1],電子聲子的相互作用[2]以及對于材料晶體結(jié)構(gòu)的影響等等都成為不同科研工作者所關(guān)注的問題。

本文考慮激光觸發(fā)產(chǎn)生的弱耦合等離子體環(huán)境存在大量自由電子[3],通過俄歇電離和退激X射線輻射產(chǎn)生的離子將受到周圍自由電子產(chǎn)生勢場的影響。這些自由電子產(chǎn)生的勢場能夠?qū)Σ煌M態(tài)原子或離子的能級產(chǎn)生作用,使能級發(fā)生移動,特征X射線能譜隨之發(fā)生偏移。針對這種偏移光譜的分析,可以確定某些情況下,激光觸發(fā)弱耦合等離子體環(huán)境中原子在超短時間內(nèi)的電離次序。

2 激光觸發(fā)電離的過程

激光作用在物質(zhì)上時,原子會發(fā)生電離,從外殼層開始,依次向內(nèi)殼層電離。但是X射線自由電子激光(XFEL)在與物質(zhì)相互作用時,將優(yōu)先電離內(nèi)層電子,內(nèi)殼層中每有一個電子被電離,就會發(fā)生更快的俄歇電離和退激X射線輻射[1]。在一個激光脈沖周期內(nèi),一個原子中會發(fā)生多次的內(nèi)殼層電離,俄歇電離和退激X射線輻射。對于一種原子而言,產(chǎn)生一個相同狀態(tài)的結(jié)果所經(jīng)歷的電離過程和次序可以是多種多樣的。

以Ne3+的產(chǎn)生為例,對于1s22s22p3的Ne3+,可以有兩種次序產(chǎn)生同樣的結(jié)果。一種是先發(fā)生一次內(nèi)殼層電離從1s22s22p6變?yōu)?s12s22p6,再發(fā)生一次退激X射線輻射,成為1s22s22p5的同時發(fā)出能量為E2p-E1s的X射線,再經(jīng)過一次內(nèi)殼層電離變?yōu)?s12s22p5,經(jīng)過俄歇電離成為1s22s22p3,同時放出俄歇電子;另一種產(chǎn)生方式也可以產(chǎn)生Ne3+,Ne(1s22s22p6)在發(fā)生內(nèi)殼層電離之后變?yōu)?s12s22p6,先發(fā)生一次俄歇電離,放出一個俄歇電子后變成1s22s22p4,再經(jīng)過第二次內(nèi)殼層電離1s12s22p4,最后產(chǎn)生退激X射線輻射,變成Ne3+(1s22s22p3),同時放出能量E2p-E1s的X射線。即相同的Ne原子經(jīng)過1s22s22p6--1s12s22p6--1s22s22p4--1s12s22p4--1s22s22p3放出能量為E2p-E1s的X射線。當(dāng)光譜中出現(xiàn)這樣的X射線時,我們就可以確定所有產(chǎn)生的Ne3+中,存在這兩種電離次序,在超短時間內(nèi)(10-13s),發(fā)生了我們所預(yù)想的電離過程。除此之外,在第一條路徑中,也可以經(jīng)過更多的電離次數(shù)和退激X射線輻射產(chǎn)生Ne3+,但此時會多出二個相同X射線。

通過這種方法,我們可以列出主要的離子產(chǎn)生過程如圖1,并從中選出可以通過光譜探測得到的電離次序和路徑。大大縮小了尋找電離次序的可能范圍。為超短時間內(nèi)激光作用物質(zhì)電離的研究提供了一個實(shí)驗(yàn)易探測的診斷方法。

Fig.1 All Ionization path when Ne3+

3 激光觸發(fā)弱耦合等離子體中能級的變化

在弱耦合等離子體中,存在著許多被電離的自由電子(<1027cm-3),受到這些電子的影響,各個原子核所產(chǎn)生的勢場會被周圍電子所屏蔽,每一個原子或離子周圍的能級結(jié)構(gòu)會受到影響。在弱耦合等離子體中,這種能級移動在近年來,已經(jīng)被很多實(shí)驗(yàn)和理論所證明[4-18]。對于不同的原子或離子,不同的組態(tài)和能級會有不同的變化,能級的變化可以根據(jù)X.Li和F.B.Rosmej用量子數(shù)計(jì)算弱耦合等離子體中能級移動的解析方法得到[3,19]:

E(γLSJ)=E0(γLSJ)+ΔE

(1)

(2)

(3)

k=4πne(R0)

(4)

(5)

(6)

其中E(γLSJ)為離子能級,E0(γLSJ)為原子能級,ΔE為能級移動,ne為自由電子數(shù)密度,Nb為束縛電子數(shù),Te為電子溫度,Z為原子序數(shù),kb為玻爾茲曼常數(shù)。在利用量子力學(xué)對平均半徑進(jìn)行計(jì)算可以得到:

(7)

(8)

(9)

利用得到相同結(jié)果,不同路徑的電離方式產(chǎn)生X射線時所經(jīng)歷的不同的離子組態(tài),可以給出不同的主量子數(shù)n,軌道角動量量子數(shù)l,束縛電子數(shù)Nb以及有效核電荷數(shù)Zeff,從而給出不同的能級移動ΔE,不同的ΔE表現(xiàn)在光譜上會有所平移,進(jìn)而區(qū)分出這些得到相同結(jié)果的電離路徑不同的電離次序。

仍然以Ne3+為例,通過計(jì)算,預(yù)測出經(jīng)過不同電離次序后,所產(chǎn)生光譜的差異。對于電離次序?yàn)椤皃ApX”的路徑來說,產(chǎn)生X射線是由1s12s22p4最外層電子退激躍遷到最內(nèi)層1s22s22p3后所放出的,那么我們可以計(jì)算1s12s22p4狀態(tài)的離子2p能級的變化ΔE1(2p,Nb1),那么在這種電離次序下產(chǎn)生的光譜λ1=hc/[E2p-ΔE1(2p,Nb1)-E1s];對于次序?yàn)椤皃XpA”的路徑來說,X射線是由1s12s22p6最外層電子退激躍遷到最內(nèi)層變?yōu)?s22s22p5產(chǎn)生的,那么我們可以計(jì)算1s12s22p6狀態(tài)的離子2p能級的變化ΔE2(2p,Nb2),那么在這種電離次序下產(chǎn)生離子光譜λ2=hc/[E2p-ΔE2(2p,Nb2)-E1s]。圖2為不同電離路徑能譜圖，我們只需要在實(shí)驗(yàn)中得到激光照射后產(chǎn)生弱耦合等離子體過程的X光譜,將λ1與λ2進(jìn)行比較,就可以分別確定這兩種電離次序是否發(fā)生。

通過激光觸發(fā)電離所得到的電離次序結(jié)果,可以在產(chǎn)生相同離子的所有電離次序中找出產(chǎn)生X射線前后的離子組態(tài)和能級分布。利用能級移動理論,可以計(jì)算出不同路徑產(chǎn)生的離子所放出的X射線光譜。不同路徑導(dǎo)致的X射線光譜會有微小移動(10-1～101eV),根據(jù)光譜移動的結(jié)果與所計(jì)算能級移動的多少,可以確定我們所測光譜的唯一路徑及電離次序。

Fig.2 Energy spectrum under different configuration of Ne3+

4 結(jié)論

利用對激光觸發(fā)電離過程的原理分析,通過對產(chǎn)生離子形態(tài)過程和電離次序的排列和計(jì)算,可以通過光譜來探測和發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生相同電離產(chǎn)物的不同電離路徑。產(chǎn)生相同特征X射線不同路徑的離子或原子,在其組態(tài)上存在差異,這種差異引起它們能級的移動有所偏差,從而導(dǎo)致了最后光譜中X射線的位置存在的微小差異。

只要針對我們所研究離子進(jìn)行能級移動的計(jì)算,得到光譜在不同路徑下的微小差異,就可以唯一確定我們所得到的光譜是由哪種電離次序和電離路徑產(chǎn)生的。通過這種方法便可實(shí)現(xiàn)激光觸發(fā)弱耦合等離子體環(huán)境中,離子產(chǎn)生的電離路徑及電離次序的光譜分析。

值得注意的是,這種分析方法特別適合找出在電離過程中產(chǎn)生X射線的電離路徑。對于這些產(chǎn)生X射線的電離過程,此方法能夠根據(jù)光譜電離信息,給出一個可靠的電離次序。因此,激光觸發(fā)弱耦合等離子體電離光譜分析特別適合那些光譜上可以得到特征X射線的電離路徑,尤其適合高Z原子或離子。

由于這種方法不受原子種類的限制,不單可以對Ne進(jìn)行分析,還可以對其他任何種類的原子進(jìn)行分析,但對于分子和成分較為復(fù)雜的環(huán)境,組態(tài)的確定以及量子數(shù)的確定會變得比較麻煩。如果進(jìn)行適量的分析和計(jì)算,可以廣泛應(yīng)用于各種較為單純的物質(zhì)當(dāng)中。能夠?yàn)榧す庾饔孟碌牟牧峡茖W(xué),生命科學(xué),物理過程分析提供一個可實(shí)現(xiàn)、可探測的分析方法。

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Laser Trigger Weakly Coupled Plasma Ionization Order with Spectroscopy

LI Xin1,2,LV Meng1,2*

(1.CollegeofPhysicalScienceandTechnology,SichuanUniversity,Chengdu,610064,China;2.KeyLaboratoryofhighenergydensityphysicsandtechnologyofMinistryofEducation,Chengdu,610064,China)

Laser trigger weakly coupled plasma in the ultrafast time (10-100 fs),modalities and mechanisms to generate ions has been a very difficult problem to ascertain and calculate.Using laser Ionization atoms basic characteristics,find out all the ionization path producing ions which produce ionizing X-ray at the same time,mark and study them.Combined with the nature of the level shift of atoms or ions in the weakly coupling plasma environment.Compare and calculate the method of different ionization which in the same results under the same path.We can distinguish the different ionization order with the same product.A list is given by the calculation and the corresponding characteristic X-ray spectra generated to determine the production process within 10 ～ 100 fs ions as well as mechanisms,ionization path and method of producing ionizing order.Laser-matter interaction physics study provides a detectable technology in short time (10-100 fs).

ionization order;laser;spectral analysis

2016-05-22; 修改稿日期: 2016-06-20

李鑫(1993-),男,山西人,本科,研究方向：高能量密度物理,E-mail:635815389@qq.com

呂蒙,E-mail:lvmengphys@scu.edu.cn

1004-5929(2016)04-0360-04

N34

A

10.13883/j.issn1004-5929.201604013