梅策香 張小安1)? 周賢明 趙永濤2) 任潔茹2) 王興2) 雷瑜孫淵博程銳徐戈曾利霞

1)(咸陽(yáng)師范學(xué)院與中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所聯(lián)合共建離子束與光物理實(shí)驗(yàn)室,咸陽(yáng) 712000)

2)(西安交通大學(xué)理學(xué)院,西安 710049)

3)(中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所,蘭州 730000)

高能脈沖C6+離子束激發(fā)Ni靶的K殼層X(jué)射線?

梅策香1)2) 張小安1)3)? 周賢明3) 趙永濤2)3) 任潔茹2) 王興2) 雷瑜3)孫淵博3)程銳3)徐戈3)曾利霞1)2)

1)(咸陽(yáng)師范學(xué)院與中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所聯(lián)合共建離子束與光物理實(shí)驗(yàn)室,咸陽(yáng) 712000)

2)(西安交通大學(xué)理學(xué)院,西安 710049)

3)(中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所,蘭州 730000)

(2017年3月30日收到;2017年5月5日收到修改稿)

精確測(cè)量離子與原子碰撞引起的靶原子內(nèi)殼層電離截面,對(duì)研究原子內(nèi)殼層過(guò)程以及建立合適的理論模型具有重要的意義.現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論模型大都集中在中低能區(qū),高能區(qū)由于受到實(shí)驗(yàn)條件的限制,幾乎沒(méi)有相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的報(bào)道,哪種理論更適合描述高能重離子入射的靶原子內(nèi)殼層電離截面,還需要進(jìn)行深入的實(shí)驗(yàn)研究.采用電子冷卻存儲(chǔ)環(huán)提供能量分別為165,300,350,430 MeV/u的C6+離子束轟擊Ni靶,測(cè)量Ni的K殼層X(jué)射線.分析了實(shí)驗(yàn)中探測(cè)到的Ni的Kβ和Kα射線強(qiáng)度比,發(fā)現(xiàn)入射粒子能量的變化對(duì)該強(qiáng)度比影響不明顯.分別應(yīng)用兩體碰撞近似(BEA)、平面波玻恩近似(PWBA)和ECPSSR理論對(duì)Ni的K殼層X(jué)射線的產(chǎn)生截面進(jìn)行理論計(jì)算,并將理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較.

X射線,產(chǎn)生截面,高能脈沖束

1 引 言

高能荷電粒子與金屬固體靶相互作用過(guò)程中,發(fā)射電子,產(chǎn)生次級(jí)離子并輻射X射線,是一個(gè)復(fù)雜的多體問(wèn)題,含時(shí)Schr?dinger方程不能給出解析解.這種相互作用過(guò)程中出現(xiàn)的一些奇異現(xiàn)象及其潛在的應(yīng)用價(jià)值吸引了相關(guān)科研人員的興趣,在理論和實(shí)驗(yàn)研究方面都需要做很多工作.在天體物理和實(shí)驗(yàn)室天體物理領(lǐng)域,研究發(fā)現(xiàn)天體演化以及太陽(yáng)風(fēng)中高電荷態(tài)重離子的電荷交換輻射的X射線、天空中存在的X射線背景輻射以及太空中的X射線源等,顯然X射線譜是該領(lǐng)域重要的研究手段之一[1].離子轟擊靶時(shí)靶原子內(nèi)殼層電子電離,相應(yīng)的空穴退激時(shí)伴隨發(fā)射X射線或俄歇電子[2,3].精確測(cè)量離子與原子碰撞引起的靶原子內(nèi)殼層電離截面,對(duì)研究原子內(nèi)殼層過(guò)程以及建立合適的理論模型具有重要的意義[4-7].

隨著對(duì)原子的內(nèi)殼層X(jué)射線產(chǎn)生截面的研究,近似計(jì)算方法得到了深入發(fā)展.例如高能輕離子與靶原子碰撞過(guò)程中,可以用平面波玻恩近似(PWBA)[8]很好地解釋靶原子內(nèi)殼層電離截面;描述中低能輕離子與靶原子作用的內(nèi)殼層電離截面則需要用基于PWBA的模型加上對(duì)能量損失、庫(kù)侖偏轉(zhuǎn)、束縛能增加、極化和相對(duì)論效應(yīng)進(jìn)行修正后的ECPSSR模型[9-11];對(duì)于重離子入射情況下的內(nèi)殼層電離則需要用對(duì)ECPSSR理論進(jìn)行修正的ECUSAR理論[12],ECUSAR是考慮準(zhǔn)分子激發(fā)的理論,在中低能區(qū)加入聯(lián)合原子修正;對(duì)低速重離子入射系統(tǒng),靶原子內(nèi)殼層電離可以用半經(jīng)典近似(SCA)理論描述[13];中低速輕離子入射的非對(duì)稱(chēng)碰撞系統(tǒng)的內(nèi)殼層電離可用兩體碰撞近似(BEA)理論描述[14];而對(duì)于低速入射的對(duì)稱(chēng)或者近似對(duì)稱(chēng)的碰撞系統(tǒng)則需要用分子軌道(MO)模型來(lái)計(jì)算[15].描述高速入射的高電荷態(tài)重離子與固體靶相互作用的內(nèi)殼層過(guò)程比輕離子入射情況復(fù)雜得多,目前還沒(méi)有合適的理論模型.由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少,哪種理論模型更加適合,需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

早期的離子與固體靶的碰撞實(shí)驗(yàn)研究主要集中于輕質(zhì)帶電粒子入射,如質(zhì)子和氦離子等.目前開(kāi)展的高電荷態(tài)重離子與固體靶的碰撞實(shí)驗(yàn)則大多集中于低能區(qū)[2,5-7],主要測(cè)量碰撞過(guò)程中靶原子輻射X射線的內(nèi)殼層過(guò)程,而高能區(qū)高電荷態(tài)重離子與固體靶的碰撞實(shí)驗(yàn)由于受到實(shí)驗(yàn)條件的限制少有報(bào)道,要進(jìn)一步分析高能區(qū)離子與固體靶碰撞的內(nèi)殼層過(guò)程需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持.

本文采用電子冷卻存儲(chǔ)環(huán)提供的能量為165—430 MeV/u的C6+高能離子脈沖束轟擊Ni靶,測(cè)量了Ni的K殼層X(jué)射線發(fā)射譜.通過(guò)對(duì)特征譜線的分析研究了炮彈離子以不同能量入射時(shí)Ni發(fā)射的X射線的強(qiáng)度比,分別計(jì)算了X射線的產(chǎn)生截面,并將BEA,PWBA和ECPSSR理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較.

2 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)在蘭州重離子加速器國(guó)家實(shí)驗(yàn)室電子冷卻存儲(chǔ)環(huán)的深層治癌終端完成.高電荷態(tài)C6+離子由電子回旋共振離子源提供,引出的離子經(jīng)過(guò)加速、冷卻、積累等處理,最后由深層治癌實(shí)驗(yàn)終端引出,束流的脈沖寬度約為3 ns,強(qiáng)度約為108離子/脈沖.實(shí)驗(yàn)中,到達(dá)治癌終端的束流能量分別為165,300,350,430 MeV/u.考慮到束流打靶之前要穿過(guò)厚度可調(diào)的液態(tài)水膜和空氣介質(zhì),能量損失由LISE++軟件[16]計(jì)算后,得到束流打靶的實(shí)際能量為154.26,292.69,343.28,423.93 MeV/u,誤差小于0.22%.

C6+束流由終端引出后經(jīng)過(guò)限束孔,垂直入射到靶材表面,束斑大小通過(guò)CsI晶體測(cè)量得到,約為5 mm×5 mm.入射離子個(gè)數(shù)不能由終端輸出口的離子計(jì)數(shù)器直接給出,而是由束流終端法拉第筒的計(jì)數(shù)(a)與靶后端法拉第筒的計(jì)數(shù)(b)聯(lián)合給出;在打靶之前,測(cè)量束流終端的離子計(jì)數(shù)與通過(guò)限束孔后的離子計(jì)數(shù)(由后端法拉第筒給出),并確定兩者的比例(c=b/a);在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,由于靶的存在無(wú)法得到靶后端的離子計(jì)數(shù)(即真實(shí)的離子個(gè)數(shù)B),只能給出束流終端的離子計(jì)數(shù)(A),真實(shí)的入射離子個(gè)數(shù)B由比例系數(shù)c和束流終端的離子計(jì)數(shù)A給出,B=A×c.

實(shí)驗(yàn)中的X射線由Amptek公司生產(chǎn)的硅漂移X射線探測(cè)器(SDD)進(jìn)行測(cè)量,SDD的有效探頭面積為7 mm2,探頭前為厚度12.5μm的Be隔離窗,能量分辨率約為136 eV,當(dāng)增益設(shè)為100,峰化時(shí)間設(shè)為9.6μs時(shí),能量探測(cè)范圍約為0.5—14.5 keV.探測(cè)器放置于空氣中,探頭與靶面上束斑相距100 mm,與束流方向成135°夾角,探測(cè)立體角約為7×10-4sr.實(shí)驗(yàn)前用標(biāo)準(zhǔn)放射源55Fe和241Am對(duì)探測(cè)器進(jìn)行能量刻度,探測(cè)器的效率由生產(chǎn)廠家測(cè)定并給出.實(shí)驗(yàn)中所用Ni靶的厚度為0.05 mm,由稱(chēng)重法確定其誤差小于2%,純度為99.99%.

3 結(jié)果與討論

3.1 不同動(dòng)能C6+離子轟擊Ni靶產(chǎn)生的X射線

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)入射能量分別為154.26,292.69, 343.28,423.93 MeV/u的C6+離子束轟擊Ni靶表面時(shí),Ni受激輻射的特征X射線.圖1所示為不同入射能的C6+脈沖離子束轟擊Ni靶表面激發(fā)的靶原子K殼層X(jué)射線譜用OriginPro8.5軟件進(jìn)行多峰高斯擬合得到的結(jié)果.圖中xc1和xc2分別表示第一個(gè)峰和第二個(gè)峰的中心位置;w1和w2分別表示第一個(gè)峰和第二個(gè)峰值的半峰全寬.由圖可以看出譜型的結(jié)構(gòu)、譜線雙峰的中心位置隨炮彈能量的增加幾乎不變,峰的半峰全寬變化也不明顯.實(shí)驗(yàn)探測(cè)到的兩個(gè)峰是靶原子Ni的K殼層電子被C6+離子激發(fā)形成空穴,L,M,N支殼層的電子向K殼層躍遷輻射產(chǎn)生的Kα和Kβ射線.Ni的KαX射線包括Kα1(2p3/2-1s)和Kα2(2p1/2-1s),能量分別為7.478和7.461 keV,能量差為17 eV;Ni的KβX射線包括Kβ1(3p3/2-1s),Kβ3(3p1/2-1s)和Kβ5(3d5/23d3/2-1s)[17],能量分別為8.266,8.265, 8.329 keV,能量差為36 eV.實(shí)驗(yàn)中X射線探測(cè)使用的是Si漂移X射線探測(cè)器,能量分辨率約為136 eV,而Kα,Kβ分支X射線的能量差都小于探測(cè)器的能量分辨率,所以未能分辨出Kα和KβX射線的組成.實(shí)驗(yàn)中Ni的其他殼層的X射線均未探測(cè)到,主要原因是空氣介質(zhì)的自吸收和探測(cè)器的效率在低能量端較低.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)能量為154.26—423.93 MeV/u的C6+離子束入射N(xiāo)i靶激發(fā)的X射線譜Fig.1.(color online)Typical X-ray spectra of 154.26–423.93 MeV/u C6+impacting on solid Ni targets.

圖2為Ni的Kα和KβX射線相對(duì)強(qiáng)度隨入射能量的變化,相對(duì)強(qiáng)度為入射離子個(gè)數(shù)歸一情況下單粒子入射的X射線發(fā)射強(qiáng)度.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)靶原子的兩條K殼層X(jué)射線的相對(duì)強(qiáng)度隨入射離子能量的變化趨勢(shì)基本一致,均隨入射粒子能量的增加有增強(qiáng)的趨勢(shì),但變化不顯著.

圖2 C6+與Ni靶相互作用產(chǎn)生的X射線相對(duì)強(qiáng)度隨入射能量的變化Fig.2.Relative intensity of K-shell X-ray generated by C6+impacting on Ni target versus incident energy.

對(duì)實(shí)驗(yàn)中探測(cè)到的Ni的Kβ和KαX射線強(qiáng)度比進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)入射粒子C6+入射能量的變化對(duì)Ni的Kβ和KαX射線的強(qiáng)度比變化的影響無(wú)明顯規(guī)律.入射能量分別為154.26,292.69, 343.28,423.93 MeV/u時(shí),探測(cè)到的Ni的Kβ和KαX射線的相對(duì)強(qiáng)度比分別為0.23±0.02,0.28±0.02, 0.27±0.02,0.26±0.02.有關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)能量為7.5—8.2 keV的質(zhì)子入射N(xiāo)i時(shí)該比值為0.17[18].根據(jù)文獻(xiàn)[19],其他實(shí)驗(yàn)測(cè)量的K殼層的β射線和α射線的強(qiáng)度比,比基于單勢(shì)的Hartree-Slater理論計(jì)算值高10%.該理論計(jì)算的Kβ和KαX射線強(qiáng)度比是原子序數(shù)的函數(shù),對(duì)于Ni來(lái)說(shuō)該比值為0.14,而實(shí)驗(yàn)的測(cè)量值比質(zhì)子入射的實(shí)驗(yàn)值和Hartree-Slater理論計(jì)算值都大,我們初步認(rèn)為這可能是由L殼層的多電離引起的.

靶原子K殼層空穴退激過(guò)程主要有特征X射線發(fā)射和俄歇電子發(fā)射.當(dāng)2p殼層的電子被多電離時(shí),K-L的躍遷概率自然減小,KLL輻射概率也由于L殼層上電子的減少而減小,總的退激概率應(yīng)該是常數(shù)1,所以相應(yīng)的K-M 輻射概率就會(huì)增大, K-M輻射對(duì)應(yīng)KβX射線發(fā)射,K-L輻射對(duì)應(yīng)KαX射線輻射,因此實(shí)驗(yàn)測(cè)到的Kβ和KαX射線強(qiáng)度比大于單電離原子數(shù)據(jù)[20].

3.2 靶原子X(jué)射線產(chǎn)生截面

能量為154.26,292.69,343.28,423.93 MeV/u的C6+離子在厚度為0.05 mm的Ni靶中的能量損失[16]分別為0.505,0.342,0.314,0.284 MeV/u,入射離子在靶內(nèi)的能量損失不大于0.33%,可以用薄靶公式近似估算.

一般薄靶的X射線產(chǎn)生截面σX通過(guò)測(cè)量X射線計(jì)數(shù)得到,計(jì)算公式為

式中n為單位面積內(nèi)的靶原子數(shù),εd為探測(cè)器效率,NX為X射線光子數(shù),Np為入射粒子數(shù),?為探測(cè)器所張的立體角,ft為靶和探測(cè)器之間介質(zhì)的吸收系數(shù).

實(shí)驗(yàn)中所用靶材的厚度(0.05 mm)大于X射線的自吸收長(zhǎng)度(18.8μm),測(cè)量X射線的計(jì)數(shù)會(huì)受到靶厚度的影響.考慮到不同靶深處產(chǎn)生的X射線到達(dá)探測(cè)器的計(jì)數(shù)與深度有關(guān),而入射離子在靶內(nèi)的能量損失很小,尤其在自吸收長(zhǎng)度內(nèi)(能夠探測(cè)到的X射線發(fā)射范圍)能損[16]不大于0.12%,可以認(rèn)為在不同靶深處的單位厚度內(nèi)入射離子的能量相同,產(chǎn)生的X射線相同,所以我們可以從薄靶公式出發(fā),推導(dǎo)出適合實(shí)驗(yàn)的截面計(jì)算公式為[21]

式中μ為射線在靶中的衰減常數(shù),L為靶的厚度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差主要來(lái)源于X射線的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)(原始譜線多峰高斯擬合誤差小于5%)、入射離子的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)(積分電量統(tǒng)計(jì)誤差小于10%)以及立體角誤差(束斑大小和探測(cè)距離的測(cè)量誤差小于6%),考慮誤差傳遞處理后,產(chǎn)生截面的最大誤差為13%.運(yùn)用上述公式分別計(jì)算了入射能量為154.26—423.92 MeV/u的C6+激發(fā)Ni的K殼層X(jué)射線的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生截面,計(jì)算結(jié)果如圖3所示.由圖可見(jiàn)Ni的Kβ和KαX射線實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生截面隨入射能量增加均有增加的趨勢(shì),而且KαX射線產(chǎn)生截面的數(shù)值比Kβ射線的數(shù)值大兩個(gè)數(shù)量級(jí),K殼層X(jué)射線產(chǎn)生總截面的數(shù)量級(jí)為102barn.

圖3 Ni靶K殼層X(jué)射線實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生截面隨入射能的變化Fig.3.Experimental result of Ni K-shell X-ray production cross sections versus incident energy.

為比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分別應(yīng)用BEA模型、PWBA模型、ECPSSR模型計(jì)算靶原子Ni的K殼層X(jué)射線的電離截面.兩體碰撞近似理論計(jì)算電離截面的公式為[14]

式中N為對(duì)應(yīng)殼層i的電子個(gè)數(shù),Z為入射離子的電荷態(tài),σ=πe4=6.56×10-14cm2·eV2,U為電子束縛能,G(V)為約化速度的函數(shù),約化速度V=vp/vi(vp是入射離子的速度,vi是殼層i電子的平均速度),α=4V2(1+1/V),V＜0.206時(shí)[22]可近似取G(V)=4V4/15.

平面波玻恩近似理論中電離截面計(jì)算公式在質(zhì)心坐標(biāo)系中的表達(dá)式為[23]

式中a0為玻爾半徑,Z1為入射離子的原子序數(shù),Z2s為靶原子有效核電荷數(shù),對(duì)于K殼層, Z2K=Z2-0.3,θs為約化電子束縛能,ηs為約化離子能量,Fs為約化普適截面.Benka和Kropf[24]利用非微擾非相對(duì)論的屏蔽氫原子波函數(shù)給出了K殼層的Fs解析表達(dá)式.

除了創(chuàng)新的超微納米氣泡技術(shù)，東芝DGH-117X6DZ機(jī)身簡(jiǎn)白大方，宜室宜家。11公斤洗滌、7公斤大容量烘干，隱藏式的操控界面，與年輕懶癌用戶(hù)的需求完美契合，在多樣化、個(gè)性化需求涌現(xiàn)，MUJI風(fēng)方興未艾的時(shí)下，東芝DGH-117X6D不失為一款明智之選。

ECPSSR理論是基于PWBA理論的修正,其電離截面計(jì)算公式為[10]

按照原子結(jié)構(gòu)和光譜理論,Ni原子K殼層X(jué)射線的電離截面和產(chǎn)生截面有如下關(guān)系：

式中ωK為熒光產(chǎn)額,σK為電離截面,σXK為X射線的產(chǎn)生截面.一般而言,在離子原子碰撞過(guò)程中,由于L殼層的多電離,K殼層X(jué)射線的熒光產(chǎn)額與原子數(shù)據(jù)相比會(huì)發(fā)生變化.但是對(duì)于固體靶,K殼層的熒光產(chǎn)額不會(huì)有太大改變,除非L殼層電子完全電離,使用單電離熒光產(chǎn)額對(duì)X射線產(chǎn)生截面計(jì)算造成的誤差不會(huì)超過(guò)10%[25].Tawara等[26]的實(shí)驗(yàn)證明固體靶中L殼層多電離的概率很小,K殼層熒光產(chǎn)額基本上是一個(gè)常數(shù).我們使用單電離熒光產(chǎn)額來(lái)計(jì)算X射線發(fā)射截面,對(duì)于Ni,其值為0.406[18].

圖4為不同動(dòng)能的C6+粒子入射N(xiāo)i靶激發(fā)的靶原子K殼層X(jué)射線產(chǎn)生總截面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及分別應(yīng)用兩體碰撞近似模型、平面波玻恩近似模型和ECPSSR理論模型的計(jì)算結(jié)果.從圖中可以看出應(yīng)用BEA模型計(jì)算的理論值與實(shí)驗(yàn)值變化趨勢(shì)一致,靶原子Ni的K殼層X(jué)射線產(chǎn)生截面隨入射離子能量的增加而增大,但BEA模型計(jì)算的理論值明顯大于實(shí)驗(yàn)值.高能離子在和靶原子碰撞的過(guò)程中,入射離子的能量越大,傳遞給靶原子的能量也越大,靶原子外殼層電子被激發(fā)或電離的概率也就越大,碰撞過(guò)程中X射線產(chǎn)生截面也越大.BEA模型計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)趨勢(shì)一致,因?yàn)槿肷潆x子C6+為裸核,與Ni靶的碰撞可以近似為不對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)的裸核碰撞,這一點(diǎn)與理論模型相符,但BEA模型是建立在描述中低能區(qū)輕離子入射的碰撞電離過(guò)程基礎(chǔ)上的,在描述高能區(qū)重離子與原子碰撞截面時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)偏差,正如我們的分析結(jié)果,BEA模型計(jì)算的理論值比實(shí)驗(yàn)值大20倍左右.因此初步認(rèn)為使用BEA模型描述高能區(qū)重離子與原子碰撞截面時(shí)需要進(jìn)行修正,模型的修正需要后續(xù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持.另外,近來(lái)的研究表明,能量較高的離子與靶原子的相互作用過(guò)程中,由于相對(duì)論效應(yīng)的影響,2p態(tài)電子的重整化過(guò)程延遲,致使L2和L3支殼層的多電離效應(yīng)變小[27],導(dǎo)致測(cè)量到的X射線產(chǎn)生截面變小.再者,高能C6+入射固體Ni靶的過(guò)程中,入射離子的核與靶核的作用以及γ射線輻射使入射離子能量轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致靶原子中2p電子被離化或激發(fā)的概率減小,也成為X射線產(chǎn)生截面變小的原因之一.

圖4 Ni靶K殼層X(jué)射線產(chǎn)生截面隨入射離子動(dòng)能的變化曲線Fig.4.K-shell X-ray production cross section of Ni as a function of kinetic energy of incident ions.

從圖4可以看出,利用ECPSSR和PWBA計(jì)算的理論值隨入射離子動(dòng)能增加而減小,與實(shí)驗(yàn)值隨入射動(dòng)能變化趨勢(shì)相反.據(jù)分析,入射離子能量在1 MeV/u到幾十MeV/u的能區(qū)范圍內(nèi)PWBA理論可以較好地描述實(shí)驗(yàn);ECPSSR則是基于PWBA理論對(duì)入射離子的能量在較低能區(qū)(＜1 MeV/u)提出的修正.因此要直接使用ECPSSR和PWBA理論分析高能區(qū)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,還需要考慮更多因素加以修正.

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了高能區(qū)(154.26—423.92 MeV/u)的C6+離子束入射N(xiāo)i固體表面時(shí)激發(fā)的靶原子的Kα和Kβ特征X射線.發(fā)現(xiàn)Ni靶K殼層X(jué)射線產(chǎn)生截面的數(shù)量級(jí)為102barn,且截面隨入射離子能量的增加而增大.對(duì)Ni的X射線產(chǎn)生截面的實(shí)驗(yàn)值與BEA模型、PWBA模型、ECPSSR模型估算的理論值進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)截面隨入射能量增加的趨勢(shì)與BEA模型估算的趨勢(shì)一致,但實(shí)驗(yàn)值明顯低于理論值,初步認(rèn)為BEA模型在描述高能區(qū)電離過(guò)程時(shí)需要修正.另外,高能離子與靶原子相互作用的過(guò)程中相對(duì)論效應(yīng)使2p態(tài)電子的重整化過(guò)程延遲,致使L2和L3支殼層的多電離效應(yīng)變小,這與高能區(qū)γ射線的輻射都是導(dǎo)致X射線產(chǎn)生截面實(shí)驗(yàn)值變小的原因.PWBA模型和ECPSSR模型理論分析結(jié)果與中低能區(qū)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好,而高能脈沖離子束與固體靶的實(shí)驗(yàn)由于特殊實(shí)驗(yàn)條件等因素的限制開(kāi)展較少,幾乎沒(méi)有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)道.因此,無(wú)論是建立新理論模型或?qū)σ延欣碚撃Ｐ瓦M(jìn)行修正以描述高能荷離子與靶的碰撞過(guò)程,都需要我們?cè)趯?shí)驗(yàn)研究和理論推導(dǎo)方面做出更大的努力.

對(duì)中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所CSR上全體工作人員的辛勤工作表示衷心感謝.并感謝陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目以及陜西省空間材料科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持.

[2]Hu Z M,Han X Y,Li Y M,Kato D J,Tong X M,Nakamura N 2012 Phys.Rev.Lett.108 073002

[3]Zhou X M,Zhao Y T,Cheng R,Lei Y,Wang Y Y,Ren J R,Liu S D,Mei C X,Chen X M,Xiao G Q 2016 ActaPhys.Sin.65 027901(in Chinese)[周賢明,趙永濤,程銳,雷瑜,王瑜玉,任潔茹,劉世東,梅策香,陳熙萌,肖國(guó)青2016物理學(xué)報(bào)65 027901]

[4]Lapicki G,Murty G A V R,Raju G J N,Reddy B S, Reddy S B,Vijayan V 2004 Phys.Rev.A 70 062718

[5]Wang X,Zhao Y T,Chen R,Zhou X M,Xu G,Sun Y B,Lei Y,Wang Y Y,Ren J R,Yu Y,Li Y F,Zhang X A,Li Y Z,Liang C H,Xiao G Q 2012 Phys.Lett.A 376 1197

[6]Liang C H,Zhang X A,Li Y Z,Zhao Y T,Mei C X, Zhou X M,Xiao G Q 2013 Acta.Phys.Sin.62 063202 (in Chinese)[梁昌慧,張小安,李耀宗,趙永濤,梅策香,周賢明,肖國(guó)青2013物理學(xué)報(bào)62 063202]

[7]Mei C X,Zhao Y T,Zhang X A,Ren J R,Zhou X M, Wang X,Lei Y,Liang C H,Li Y Z,Xiao G Q 2012 Laser Part.Beams 30 665

[8]Merzbacher E,Lewis H W 1958 Handbuch der Physik 6 166

[9]Lapicki G,Laubert R,Brandt W 1980 Phys.Rev.A 22 1889

[10]Brandt W,Lapicki G 1981 Phys.Rev.A 23 1717

[11]Lapicki G,Zander A R 1981 Phys.Rev.A 23 2072

[12]Lapicki G 2002 Nucl.Instr.Meth.B 19 8

[13]Kocbach L,Hansteen J M,Gundersen R 1980 Nucl.Instr.Meth.B 169 281

[14]McGuire J H,Richard P 1973 Phys.Rev.A 8 1374

[15]Fano U,Lichten W 1965 Phys.Rev.Lett 14 627

[16]LISE 10.0.8.http：//lise.nscl.msu.edu/lise.html[2017-01-30]

[17]Kessler J E G,Deslatts R D,Girard D,Schwitz W,Jacobs L,Renner O 1982 Phys.Rev.A 26 2696

[18]Thompson A C,Kirz J,Attwood D T,Gullikson E M, Howells M R,Kortright J B,Robinson A L,Underwood J M 2009 X-ray Data Booklet(3rd Ed.)

[19]Sco field J H 1974 Phys.Rev.A 9 1041

[20]Slabkowska K,Polasik M 2003 Nucl.Instr.Meth.B 205 123

[21]Zhou X M,Cheng R,Lei Y,Sun Y B,Wang Y Y,Wang X,Xu G,Mei C X,Zhang X A,Chen X M,Xiao G Q, Zhao Y T 2016 Chin.Phys.B 25 023402

[22]Gryzinski M 1965 Phys.Rev.A 138 336

[23]Liu Z,Cipolla S J 1996 Comp.Phys.Comm.97 315

[24]Benka O,Kropf A 1978 Atomic Data and Nuclear Data Tables 22 219

[25]Krause M O 1979 J.Phys.Chem.Ref.8 307

[26]Tawara H,Richard P,Gray T J,Newcomb J,Jamison K A,Schmiedekamp C,Hall J M 1978 Phys.Rev.A 18 1373

[27]Czarnota M,Bana? D,Braziewicz J,Semaniak J,Pajek M 2009 Phys.Rev.A 79 032710

PACS:34.80.Dp,32.30.Rj,32.80.Aa DOI:10.7498/aps.66.143401

K-shell X-ray emission from high energy pulsed C6+ion beam impacting on Ni target?

Mei Ce-Xiang1)2)Zhang Xiao-An1)3)?Zhou Xian-Ming3)Zhao Yong-Tao2)3)Ren Jie-Ru2)Wang Xing2)Lei Yu3)Sun Yuan-Bo3)Cheng Rei3)Xu Ge3)Zeng Li-Xia1)2)
1)(Ion beam&Optical Physical Joint Laboratory of Xianyang Normal University and Institute of Modern Physics,Chinese Academy of Sciences,Xianyang 712000,China)
2)(School of Science,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China)
3)(Institute of Modern Physics,Chinese Academy of Science,Lanzhou 730000,China)

30 March 2017;revised manuscript

5 May 2017)

Accurate measurement of the ionization cross section of the target atom induced by collision between ions and atoms is of great signi fi cance for studying the atomic shell process and establishing a suitable theoretical model.The experimental data and the theoretical models mostly concentrate on the cases in the low energy region at present.Only a few experimental data of high energy region are reported due to the limitation of experimental conditions.Which theory is more suitable to describe the ionization cross section of the inner shell of the target atom caused by the high energy heavy ions,is necessarily studied experimentally.The C6+ions provided by the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou Electron Cooling Storage Ring,are used to bombard the Ni target,in which the K-shell X-ray of Ni is measured. The incident energies of C6+ions are 165,300,350 and 430 MeV/u respectively.Through analyzing the intensity ratio of Kβ/KαX-ray of Ni,it is found that the in fl uence of incident energy on the intensity ratio of Kβ/KαX-ray is not obvious.The intensity ratios of this experiment are greater than the experimental values of incident proton and the calculated values based on the Hartree-Slater theory,which may be caused by the multiple-ionization of the L shell. The production cross sections of Ni K-shell X-ray are calculated by the binary encounter approximation(BEA)model, the plane wave Born approximation(PWBA)model and the energy-loss coulomb-repulsion perturbed-stationary-state relativistic(ECPSSR)theory respectively,which are compared with the experimental results in this paper.It is found that the experimental cross section increases with the increasing incident energy,which is consistent with the trend of BEA model estimation,but the experimental value is obviously lower than the theoretical value.We think that BEA model needs to be modi fi ed when describing the ionization process in the high energy region.

X-ray,production cross section,high energy pulsed beam

:34.80.Dp,32.30.Rj,32.80.Aa

10.7498/aps.66.143401

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)：11605147,11505248)和陜西省教育廳科研計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào)：15JK1793)資助的課題.

?通信作者.E-mail：zhangxiaoan2000@126.com

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.11605147,11505248)and the Scienti fi c Research Program Funded by Shaanxi Provincial Education Department,China(Grant No.15JK1793).

?Corresponding author.E-mail：zhangxiaoan2000@126.com