陳燕紅程銳 張敏3) 周賢明3) 趙永濤 王瑜玉雷瑜3)麻鵬鵬4) 王昭4) 任潔茹 馬新文肖國青

1)(中國科學(xué)院近代物理研究所,蘭州 730000)

2)(西安交通大學(xué),西安 710049)

3)(中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

4)(西北師范大學(xué),蘭州 730070)

1 引 言

利用加速器引出的離子開展離子與物質(zhì)相互作用過程的研究,是認(rèn)識世界的一種重要手段,一直是原子物理學(xué)、材料科學(xué)、生物技術(shù)等領(lǐng)域的重要研究方向.氣態(tài)作為物質(zhì)的一種基本形態(tài),具有重要的研究價值.有關(guān)離子與氣體相互作用的研究工作已經(jīng)開展了相當(dāng)長的時間,特別是離子在氣體中能量損失的研究,取得了許多重要的研究結(jié)果[1?8].目前的技術(shù)中,利用氣體放電的方式是產(chǎn)生等離子體物質(zhì)狀態(tài)的一種最常用、最有效的技術(shù)手段[9].作為物質(zhì)第四態(tài)的等離子體狀態(tài),普遍存在于天體環(huán)境中,因此離子與等離子體相互作用的研究在天體物理領(lǐng)域具有極其重要的意義.同時鑒于等離子體技術(shù)的快速發(fā)展,相關(guān)研究在材料表面工程處理、化學(xué)工程控制、新型離子源與加速器發(fā)展等應(yīng)用領(lǐng)域,也具有重要的應(yīng)用價值.離子與等離子體相互作用過程的研究能為可控核聚變、高能量密度物理、地球物理等新的學(xué)科提供重要的實驗手段與關(guān)鍵參數(shù)[10?15].而上述各項研究中,順利開展離子束與氣體和離子束與等離子體相互作用的實驗關(guān)鍵問題之一,就是精確測定氣體類靶區(qū)的有效原子密度,為相互作用過程的定量化描述提供重要的基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù).

人們通常采用氣體壓強計(或真空計)對氣體靶區(qū)密度進行測定,此種方式具有便捷、直觀的特點.但是該類壓強測量設(shè)備往往需放置在氣體靶區(qū)的邊緣位置,只能對真空計周圍一定范圍內(nèi)并已達到穩(wěn)定平衡狀態(tài)的氣體密度進行測量.由于真空計自身的設(shè)計特點,其測量范圍往往有限,如電容型真空計一般只具有4個量級的有效測量區(qū)間;熱陰極電離型真空計對氫氣、氦氣和空氣等不同種類的氣體,測量靈敏度差異巨大,測量值與真實值之間相差很大,需要進行必要的數(shù)據(jù)修正.最為關(guān)鍵的問題是:傳統(tǒng)真空計難以工作在強輻射場環(huán)境下以及高溫等離子體環(huán)境中,因為強輻射可能引起大幅度的背景噪音以及設(shè)備使用壽命的快速衰減.氣體放電產(chǎn)生等離子體的過程中,可能會產(chǎn)生上千安培的電流[16],也可能對真空計結(jié)構(gòu)造成物理性的永久損傷.因此,真空計在設(shè)計上往往會要求與實驗靶區(qū)必須保持相當(dāng)長的距離.但是對于一個非均勻密度分布的靶區(qū)(如真空差分系統(tǒng)),真空計難以準(zhǔn)確測量核心區(qū)域的有效靶原子密度,極大地影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性.傳統(tǒng)真空計設(shè)備測量的工作頻率也較低,難以實現(xiàn)實時的動態(tài)測量.因此從實驗技術(shù)發(fā)展的要求上,迫切需要發(fā)展一種能夠應(yīng)用于強輻射場以及高溫等離子體環(huán)境中,具有原位測量和快速時間響應(yīng)的氣體密度診斷新技術(shù),滿足日益發(fā)展的離子與氣體和離子與等離子體相互作用及相關(guān)極端環(huán)境條件下的實驗研究需求.

基于上述研究意義和實際需求,本文提出了一種新的測量方法:利用一定動能的質(zhì)子束穿過氣體靶區(qū),精確測量出射離子能量,得到質(zhì)子在氣體靶的高精度能損數(shù)據(jù).結(jié)合現(xiàn)有的理論并參考相關(guān)數(shù)據(jù)庫,標(biāo)定出氣體靶區(qū)內(nèi)沿離子徑跡方向的靶原子密度.采用快時間響應(yīng)的離子能量探測器系統(tǒng),實時監(jiān)測氣體靶區(qū)內(nèi)的靶原子密度變化.本文詳細(xì)介紹了該實驗裝置與測量方法,對比了實驗?zāi)軗p結(jié)果與傳統(tǒng)真空計測量結(jié)果,分析討論了該方法的準(zhǔn)確性與可靠性.

2 實驗方法

實驗研究基于中國科學(xué)院近代物理研究所320 kV高電荷態(tài)離子綜合研究平臺開展的.該實驗平臺包括一個永磁的電子回旋共振(electron cyclotron resonance,ECR)離子源、靜電離子加速器、束流傳輸系統(tǒng)和不同的實驗物理終端.可以開展包括高電荷態(tài)離子物理、原子分子物理、材料輻照效應(yīng)研究、物質(zhì)表面納米尺度改性以及離子-氣體/等離子體相互作用過程等不同方向的研究工作[17].基于此平臺上的離子-氣體/等離子體相互作用研究終端,開展了實驗測量工作,實驗裝置示意圖見圖1.

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1.The schematic diagram of the experimental setup.

實驗測量的過程可簡單描述為:從加速器引出具有一定動能的質(zhì)子束,傳輸進入到氣體靶區(qū),質(zhì)子與氣體原子相互作用而損失掉一部分能量,剩余能量保持質(zhì)子繼續(xù)向前飛行,并最終穿過氣體靶區(qū).出射的離子經(jīng)過后端特殊設(shè)計的束流光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng),進入能量測量譜儀系統(tǒng)中,在磁鐵偏轉(zhuǎn)下到達一個具有高空間分辨能力的探測器上[17].能量不同的質(zhì)子將到達探測器的不同位置,因而從質(zhì)子位置的差異得到相對應(yīng)的能損信息.結(jié)合理論與能損數(shù)據(jù)庫,精確測量出氣體靶區(qū)內(nèi)沿離子飛行路徑上的靶原子密度數(shù)值.

實驗中所需的高品質(zhì)質(zhì)子束由中國科學(xué)院近代物理研究所的全永磁的14.5 GHz ECR離子源提供.該ECR離子源能能夠提供包括質(zhì)子到Eu離子的多種類離子束,能量范圍從20q到320qkeV(q為離子電荷)連續(xù)可調(diào),流強范圍從100 enA到100 eμA.本實驗中從離子源引出的質(zhì)子經(jīng)過加速腔加速到100 keV的能量,后經(jīng)過偏轉(zhuǎn)、聚焦和準(zhǔn)直到達實驗靶區(qū).實驗靶區(qū)為一個名為氣體放電等離子體的裝置,由兩根直徑5 mm、總長度220 mm的石英管串聯(lián)構(gòu)成.實驗中為了實現(xiàn)質(zhì)子束從真空束線環(huán)境到高壓氣體靶環(huán)境的無窗式傳輸,特別設(shè)計了一套三級的真空差分系統(tǒng).該系統(tǒng)由進氣控制閥門(進氣針閥組件)、氣阻組件和大功率排氣系統(tǒng)(分子泵加機械泵組合)三個獨立單元構(gòu)成,能夠在維持離子束線真空度10?6—10?7mbar量級條件下,實現(xiàn)氣體靶區(qū)內(nèi)氣壓范圍從10?4—10 mbar的連續(xù)可調(diào),每一級差分單元內(nèi)外系統(tǒng)壓強相差100倍以上,因此外部差分系統(tǒng)的束線中殘留的氣體可作為次要因素而忽略.為保證實驗的重復(fù)性和測量的準(zhǔn)確性,我們在氣體靶室的兩端,即束流入口和出口處分別安裝了直徑為1 mm的限束光闌,準(zhǔn)直入射離子束流.實驗中的氣體靶選擇高純度氫氣(純度高于99.999%),并利用微調(diào)機械針閥與差分系統(tǒng),調(diào)整靶區(qū)氣壓到所需數(shù)值,保持長時間的穩(wěn)定.對于該系統(tǒng),還可以利用儲能電容和高壓脈沖放電開關(guān),將氣體電離為全電離的氫等離子體,進一步開展離子束與等離子體相互作用的相關(guān)實驗研究,相關(guān)內(nèi)容可參閱文獻[16].

3 實驗結(jié)果與討論

圖2展示了利用能量測量譜儀得到的實驗結(jié)果:直徑為1 mm的100 keV的質(zhì)子束穿透不同氣壓(其初始?xì)鈮褐涤蒊onIVac ITR 90測定)條件下的氫氣靶時被探測器系統(tǒng)記錄的原始結(jié)果.為了利于觀察實驗結(jié)果的差異,將不同壓強條件下的離子束斑位置結(jié)果分排顯示.從圖中可以清楚地看到氣壓逐漸升高,離子束的位置相應(yīng)地不斷左移,表明質(zhì)子束在更高氣壓氣體中損失了更多的能量,其飛行速度不斷下降,在相同強度磁場條件下,運動產(chǎn)生了更大的偏轉(zhuǎn).隨著氣壓的增加,離子束與氣體原子能發(fā)生更多次的碰撞,造成了離子動量分散和能量分散的增加,因此結(jié)果中也顯示了離子束斑直徑尺寸的不斷增大.

質(zhì)子與氣體相互作用損失能量的方式主要為以下兩種[18]:1)質(zhì)子與靶原子核外電子發(fā)生非彈性碰撞-電子能損過程,導(dǎo)致核外電子激發(fā)或電離,這種機制引起的能量損失在我們的研究中占據(jù)主要部分;2)質(zhì)子與靶原子核的彈性碰撞,即核能損過程,當(dāng)質(zhì)子能量較低(如E≤10 keV)時占主導(dǎo),在我們的實驗中可不予考慮.通常離子在氣體靶中電子能損可近似由Bethe公式描述[5],其表達式如下:

其中Z1是入射離子原子序數(shù);me和e分別是電子質(zhì)量和電荷;v是入射離子速度;I是靶原子的電離能;n是靶物質(zhì)的電子密度,n=NAZ2ρ/A,式中NA為阿伏伽德羅常數(shù),Z2是靶原子序數(shù),ρ為靶子密度,A是靶原子相對原子質(zhì)量.

圖2 100 keV的質(zhì)子束穿過不同氣壓條件的氫氣靶,經(jīng)過二極偏轉(zhuǎn)磁鐵后到達位置靈敏探測器的不同位置Fig.2.The experimental results that proton beams of 100 keV pass through the hydrogen target with different pressures and arrive at the different positions by de fl ecting of the dipole magnet.

在實驗中測量到的是質(zhì)子穿過220 mm長度氫氣靶后的能量損失,這部分的能量主要是入射質(zhì)子與氫原子核外電子碰撞多次累加產(chǎn)生的.在質(zhì)子飛行路徑上,參與能量損失過程的靶原子線密度能夠通過表達式(3)得出,并最終推導(dǎo)出氣體靶區(qū)內(nèi)的平均有效原子密度.我們將其轉(zhuǎn)化為有效壓強的數(shù)值,以便于下一步的比較分析.

在實驗中,電離型IonIVac ITR 90真空計與電容型真空計Varian CDG-500同時被用于測量氣體靶區(qū)的壓強,所得數(shù)值同質(zhì)子束能損測量得到的有效氣壓進行了比較.對于IonIVac ITR 90型真空計,在不同種類的氣體環(huán)境中,其顯示值與有效值之間存在巨大的差異,生產(chǎn)廠商已明確認(rèn)識到該問題,并在說明書中標(biāo)明了相應(yīng)的修正關(guān)系.同樣,依照該經(jīng)驗公式對IonIVac ITR 90真空計測量數(shù)值修正后的有效氣壓值一同列入進行分析比較,結(jié)果如圖3所示.為了便于討論,將橫坐標(biāo)定義為電離型真空計IonIVac ITR 90的顯示氣壓數(shù)值,縱坐標(biāo)為氣體靶區(qū)內(nèi)的有效氣壓數(shù)值.

圖3 利用IonIVac ITR 90電離型真空計(△),Varian CDG-500薄膜電容型壓強真空計(▲)和利用100 keV質(zhì)子在氫氣體中的能損測量出的氣體靶區(qū)內(nèi)壓強數(shù)值(■,◆為兩次重復(fù)的實驗),以及按照廠商經(jīng)驗公式對IonIVac ITR 90電離型真空計顯示數(shù)值修正后有效氣壓數(shù)據(jù)以實線標(biāo)識Fig.3.The comparison of the effective pressure and the indicated pressure by IonIVac ITR 90 vacuum meter. The IonIVac ITR 90 ionization type vacuum gauge results are shown by△;the Varian CDG-500 thin fi lm capacitive type vacuum gauge results are shown by▲.The results of energy losses are shown by■ and◆,which means the twice experimental measurements.The corrected effective pressure is shown by a solid line according to the recommended formula.

從圖3中可以看出,電離型真空計對于氫氣和常規(guī)空氣具有完全不同的測量敏感度.實驗中,該型真空計測量數(shù)值一度達到了1000 mbar,然而其修正后的實際有效氣壓也僅僅為3 mbar左右.通過比較能損數(shù)據(jù)結(jié)果和修正公式的有效氣壓結(jié)果,兩者間有著相同的變化趨勢,其數(shù)值大小能夠較好地符合,表明我們采用的質(zhì)子能損測量方法能夠非常準(zhǔn)確地標(biāo)定出氣體靶室內(nèi)的有效氣壓數(shù)值.兩次重復(fù)實驗測量結(jié)果也高度符合,進一步表明質(zhì)子能損測量的方法具有很好的可重復(fù)性和可靠性.

類似地,將薄膜電容型真空計測量的結(jié)果也與能損結(jié)果進行了比較.雖然該真空計對氣體種類沒有選擇性的問題,其測量有效氣壓在壓強較高的區(qū)間同能損測量結(jié)果和修正后的電離真空計結(jié)果符合良好.但是隨著靶區(qū)內(nèi)氣體量的減少,如有效氣壓2 mbar以下時,該類真空計測量的結(jié)果明顯高出了能損結(jié)果與修正后的電離真空計有效氣壓,且隨著氣壓降低,差異越來越明顯.對于所選用的Varian CDG-500真空計,其正常測量工作區(qū)間約為10?3—10 mbar.然而,當(dāng)靶腔內(nèi)氣體量在1 mbar及以下時,我們認(rèn)為其測量的準(zhǔn)確性已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的下降.相比較而言,利用質(zhì)子能損的測量方式,配合高精度的離子能損測量系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)對不同種類氣體、寬壓強范圍的有效氣壓的準(zhǔn)確測量.實驗中所用測量系統(tǒng)的能量分辨率約為0.5 keV,再考慮到計算過程中各種誤差,標(biāo)定出該能損方法檢測有效氣壓的誤差小于10%.

將電離型真空計和薄膜電容型真空計作為實驗對比組,是因為這兩類真空計使用廣泛,具有典型性.電離型真空計測量原理是在熱陰極產(chǎn)生大量電子,電子經(jīng)加速場加速獲得足夠的能量以離化周圍的氣體靶原子.被離化的正離子被收集器收集,由此產(chǎn)生離子電流,電流的大小與氣體密度成正比.該種真空計具備測量精度高、預(yù)熱時間短、測量范圍廣等優(yōu)勢.然而對工作環(huán)境要求苛刻,不適合強輻射環(huán)境,同時對不同種類的測量氣體具有不同的修正系數(shù).在我們的實驗環(huán)境中,周圍存在高頻離子源、射頻脈沖電源等設(shè)備,對該真空計的測量必然造成干擾.在離子能損實驗測量中,離子慢化的過程也將造成大量的氣體電離,也可能影響真空計的測量過程.因此,電離型真空計不能勝任輻射環(huán)境中有離子參與的相關(guān)實驗測量工作.從圖3中可以明顯看到,電離型真空計測量值與依照修正公式得到的有效氣壓值之間存在巨大差異.但此有效氣壓值與利用質(zhì)子能損直接得到的有效氣壓值高度符合,表明了質(zhì)子能損標(biāo)定氣壓具有直觀、高效與準(zhǔn)確的特點.在質(zhì)子輻射場中同樣能準(zhǔn)確快速標(biāo)定出氣體靶密度,其抗干擾能力突出.

薄膜電容型壓強真空計是依據(jù)金屬薄膜構(gòu)成的一個電容器件,氣體壓力對金屬膜作用而使其產(chǎn)生形變,利用形變導(dǎo)致的電容改變量來測量氣體壓強.其反應(yīng)速度快,靈敏度較高、不受氣體種類和成分的影響等.然而其有效測壓范圍較窄,準(zhǔn)確度也不高,同樣需要穩(wěn)定的溫度與較干凈的外場測量環(huán)境.測量開始時往往還需要較為復(fù)雜的初始化操作和一定的預(yù)熱時間.我們的實驗中,質(zhì)子束與氣體靶作用時,由于有能量的沉積,勢必引起氣體靶溫度的升高(即使很小),也可能影響真空計測量的準(zhǔn)確度.圖3的結(jié)果也顯示了在較低氣壓條件下的該型真空計測量結(jié)果明顯高于質(zhì)子能損結(jié)果與修正后的電離型真空計結(jié)果.

通過理論與實驗測量的對比發(fā)現(xiàn),電離型真空計和薄膜電容型真空計不適合高輻射環(huán)境和離子束與氣體/等離子體相互作用實驗中,無法保障其工作狀態(tài)的穩(wěn)定和測量的準(zhǔn)確度.同時受限于測量器件本身的構(gòu)造,無法對離子路徑上的靶原子密度進行原位和實時的測量,而這種測量方式對于動態(tài)變化的氣態(tài)靶是非常關(guān)鍵和重要的.利用質(zhì)子能損的方法,除了能夠得到準(zhǔn)確的高精度氣體靶原子密度和有效壓強數(shù)值外,其原位方式的測量,可工作于強輻射背景環(huán)境(等離子體中),具有實時在線監(jiān)測動態(tài)演化的靶原子密度等特性,都是現(xiàn)有的氣體類壓強測量設(shè)備根本無法做到的,在極端實驗環(huán)境的測量中具有突出的優(yōu)勢.

4 結(jié) 論

基于中國科學(xué)院近代物理研究所加速器裝置,利用實驗測量了納安量級水平的100 keV質(zhì)子穿過220 mm長度的氫氣體靶后的質(zhì)子能量損失,結(jié)合現(xiàn)有的離子能損公式,獲得了氣體靶區(qū)內(nèi)的有效靶原子密度數(shù)值.同傳統(tǒng)的氣體壓強測量設(shè)備結(jié)果進行了比較,發(fā)現(xiàn)電離型真空計測量結(jié)果對不同種類氣體是有明顯的選擇性,需要進行相應(yīng)的較復(fù)雜的數(shù)據(jù)修正,才能與實驗?zāi)軗p結(jié)果相接近.對于電容型真空計,在氣體壓強較低的條件下,明顯大于能損標(biāo)定結(jié)果.由于這兩類氣體測量設(shè)備的構(gòu)造和工作能力限制,無法滿足復(fù)雜輻射場環(huán)境下有離子束參與情況下的氣體有效靶原子密度的測量工作.相比而言,利用質(zhì)子束能損的方式能夠直觀準(zhǔn)確地標(biāo)定出離子運動徑跡方向上的有效靶原子密度,并實現(xiàn)動態(tài)實時檢測.這些優(yōu)勢對于發(fā)展和提升離子與等離子體相互作用,離子束驅(qū)動的高能量密度物理等前沿課題的研究具有重要的作用,同時在其他科研和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域具有非常大的發(fā)展?jié)摿?

感謝中國科學(xué)院近代物理研究所320 kV高電荷態(tài)離子綜合實驗平臺工作人員的辛勤工作以及所提供的高品質(zhì)束流.

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