梁昌慧 張小安? 周賢明3) 趙永濤 肖國(guó)青

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)(中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所,蘭州 730000)

3)(西安交通大學(xué)理學(xué)院,西安 710049)

依托蘭州重離子加速器國(guó)家實(shí)驗(yàn)室320 kV高電荷態(tài)離子綜合研究平臺(tái),測(cè)量了動(dòng)能為6.0 MeV的Xe20+離子與V,Fe,Ni,Cu,Zn 靶表面作用產(chǎn)生的特征X射線譜,分析了能量為1.60 keV的X射線的產(chǎn)生機(jī)制,并利用經(jīng)典過(guò)壘模型計(jì)算了Xe20+與不同靶作用時(shí)第一代空心原子在上表面的存在時(shí)間.結(jié)果表明:對(duì)于沒(méi)有初始M 空穴的Xe20+離子與不同靶相互作用時(shí),實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有觀察到Xe的Mα X射線,而觀察到了能量為Xe的Mα X射線的兩倍的X射線,稱(chēng)此線為Xe的Mαα X射線,認(rèn)為其是由Xe 在靶的上表面的雙電子單光子過(guò)程產(chǎn)生的.

1 引 言

高電荷態(tài)離子(highly charged ion,HCI)進(jìn)入介質(zhì)沿著離子徑跡在單位路程上的能量損失曲線呈現(xiàn)布拉格(Bragg)曲線形狀,在接近射程末端的Bragg峰值附近釋放其大部分能量.在Bragg峰附近,HCI的能損機(jī)制研究不僅在重離子醫(yī)學(xué)輻照治療、重離子驅(qū)動(dòng)的高能量密度物理、慣性約束聚變等應(yīng)用方面具有重要價(jià)值.而且,其與介質(zhì)原子碰撞產(chǎn)生的內(nèi)殼層過(guò)程研究是天體等離子體、受控核聚變等離子體等極端條件下原子物理的重要前沿課題[1?7].

Bragg峰能區(qū)帶電粒子的速度在玻爾速度(v0為 2.19 × 106m/s)附近,該能區(qū)離子與固體中原子碰撞產(chǎn)生的內(nèi)殼層過(guò)程具有特殊的復(fù)雜性.對(duì)于小于玻爾速度的低速離子,攜帶動(dòng)能不足以產(chǎn)生內(nèi)殼層電離過(guò)程,其與固體作用的主要過(guò)程是從表面原子中俘獲電子的退激和中性化過(guò)程[8,9].對(duì)于快速重離子,內(nèi)殼層過(guò)程主要以直接庫(kù)侖電離為主[10?12].而在Bragg峰能區(qū),入射離子既有足夠的能量接近靶原子,還有足夠的時(shí)間保持原有電荷態(tài)記憶,與靶原子發(fā)生相互作用形成分子軌道,因此,Bragg峰能區(qū)的內(nèi)殼層過(guò)程極為復(fù)雜,除了直接庫(kù)侖電離,還可能存在多電子關(guān)聯(lián)激發(fā)、準(zhǔn)分子電子晉升等機(jī)制.

以往的相關(guān)研究主要集中在小于玻爾速度的低能區(qū)[13,14]和中高能區(qū)[15?17],而在布拉格峰能區(qū),受到實(shí)驗(yàn)條件的限制,相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究較少,現(xiàn)有理論模型的實(shí)用性也有待驗(yàn)證.在該能區(qū),由于內(nèi)殼層過(guò)程的復(fù)雜性,存在一些有趣且懸而未解的問(wèn)題.本文研究動(dòng)能為6.0 MeV、速度為1.36v0的重離子X(jué)e20+與不同靶表面作用產(chǎn)生的中心能量為1.60 keV的特征X射線譜,其值等于Xe的特征M X射線(0.80 keV)的兩倍,是既不屬于靶原子也不屬于炮彈離子的特征X射線.Song 等[2]研究了能量為350—600 keV的Xeq+(q=27—30)離子與Al,Mo 和Be 表面相互作用過(guò)程中的X射線輻射,Zhang 等[18]研究了能量為350—600 keV的Xe30+離子與Au 表面相互作用過(guò)程中的X射線輻射,Zhao 等[19]研究了能量為 350 keV的Xeq+(q=27—30)離子與Be 表面相互作用過(guò)程中的X射線輻射,都觀察到了此線,并給出了不同的解釋.本文將對(duì)該譜線的發(fā)射機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步的分析.

2 實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法

本實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)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(tái)1 號(hào)實(shí)驗(yàn)終端上完成的,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖1 所示.束流Xe20+由14.5 GHz 電子回旋共振離子源(electron cyclotron resonance ion source,ECRIS)通過(guò)分析磁鐵在不同的電壓下引出,再經(jīng)過(guò)加速管加速、聚焦、準(zhǔn)直后進(jìn)入具有電磁屏蔽的超高真空(約10–10Pa)球形靶室,垂直轟擊靶表面中心.靶的面積約為15 mm × 15 mm,厚度為0.1 mm[20,21].

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖(1,ECR離子源;2,分析磁體;3,高壓加速平臺(tái);4,四級(jí)光闌;5,90°分析磁體;6,四極透鏡;7,60°分析磁體;8,超高真空球形靶室;9,靶;10,硅漂移探測(cè)器;11,X射線獲取系統(tǒng);12,穿透式法拉第圓筒;13,法拉第圓筒;14,離子數(shù)獲取系統(tǒng))Fig.1.Schematic drawing of experiment setup.1,ECR ion source;2,analyzing magnet;3,high volt accelerate platform;4,four-stage aperture;5,90° deflection magnet;6,magnetic quadrupled lens;7,60° deflection magnet;8,ultrahigh vacuum target chamber;9,target;10,silicon drift detector;11,X-ray recording system;12,penetrable faraday cup;13,common faraday cup;14,projectile number recording system.

離子與靶相互作用所產(chǎn)生的X射線利用AMP TEK 公司研制的XR100 SDD 型硅漂移探測(cè)器進(jìn)行探測(cè).探測(cè)器的有效探測(cè)面積為7 mm2,探頭前的鈹窗厚度為12.5 μm,在5.9 keV峰位處的能量分辨為139 eV(半高寬/FWHM).當(dāng)增益為100時(shí),探測(cè)器的有效能量測(cè)量范圍為0.5—14.3 keV,探測(cè)效率如圖2 所示,可以有效地阻止次級(jí)電子發(fā)射對(duì)X射線譜的影響.探測(cè)器探頭對(duì)準(zhǔn)靶室中心,離靶中心32.52 mm,并與靶表面成45°夾角,探測(cè)立體角為0.0066 sr.實(shí)驗(yàn)前用55Fe 和241Am 放射源對(duì)探測(cè)器進(jìn)行了標(biāo)定.為避免二次電子發(fā)射的影響,聯(lián)合使用了穿透式法拉第筒和常規(guī)法拉第筒對(duì)入射離子計(jì)數(shù)進(jìn)行了間接的測(cè)量[21].

圖2 探測(cè)器的探測(cè)效率圖Fig.2.Efficiency values of the detector.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 Xe20+與不同靶表面作用產(chǎn)生的特征X射線譜

入射離子數(shù)目歸一化后,6.0 MeV的Xe20+離子分別與V,Fe,Ni,Cu 和Zn 靶表面相互作用產(chǎn)生的特征X射線譜圖(對(duì)1.60 keV 譜線進(jìn)行了高斯擬合)見(jiàn)圖3,通過(guò)和LBNL[22]提供的數(shù)據(jù)對(duì)比后可知:圖中能量為4.11 keV,4.42 keV,4.94 keV的譜線分別對(duì)應(yīng)Xe的Lα1,2,Lβ1,4,Lβ2,15特征X射線;圖3(c)中能量為0.87 keV的為Ni的Lβ1特征X射線;圖3(d)中能量為0.93 keV的為Cu的Lα1,2特征X射線;圖3(e)中能量為1.01 keV的為Zn的Lα1,2特征X射線.另外,5 個(gè)圖中都出現(xiàn)了能量為1.60 keV的特征X射線,其既不是靶原子的特征X射線,也不是Xe 離子的特征X射線,其值等于Xe的特征M X射線(0.80 keV)的兩倍.

圖3 動(dòng)能為6.0 MeV的Xe20+離子與不同靶相互作用產(chǎn)生的特征X射線譜 (a) V;(b) Fe;(c) Ni;(d) Cu;(e) ZnFig.3.Characteristic of X-ray spectra induced by the impact of Xe20 ion with 6.0 MeV kinetic energy on different target surface:(a) V;(b) Fe;(c) Ni;(d) Cu;(e) Zn.

以前的研究中也觀察到了1.60 keV的X射線,對(duì)此線的解釋有兩種情況:一種情況認(rèn)為是高里德伯態(tài)的退激,如文獻(xiàn)[2,18];另一種情況認(rèn)為是雙電子單光子過(guò)程(two-electron-one-photon,TEOP),如文獻(xiàn)[19].

這里和以前的研究情況有兩點(diǎn)不同:一是入射離子能量不同;二是入射離子X(jué)e20+的電子結(jié)構(gòu)為[Ar]3d104s24p4,沒(méi)有初始M 空穴.對(duì)于炮彈不存在M 殼層的初始空穴,在碰撞過(guò)程中要發(fā)射此線,需要先產(chǎn)生M 空穴.而M 空穴可能是由上表面的高里德伯態(tài)原子退激過(guò)程中的內(nèi)部雙電子激發(fā)產(chǎn)生的[23,24].

對(duì)應(yīng)的M 空穴的輻射退激有兩種可能:一種是高里德伯態(tài)的退激,在這種情況下,由于級(jí)聯(lián)躍遷,測(cè)量的譜線能量應(yīng)該有較大的寬度,比如:利用CROWN 程序計(jì)算得出[2],由高里德伯態(tài)30f—3d的躍遷能和4f—3d的躍遷能的差值為640 eV,而實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的譜線是對(duì)稱(chēng)性較好的單峰,譜線的半高全寬約為190 eV,這主要來(lái)自于探測(cè)器的展寬,此值遠(yuǎn)小于高里德伯態(tài)躍遷能的理論值,因此,可以排除這種機(jī)制.另外一種是雙電子單光子過(guò)程,即M 殼層的兩個(gè)空穴被外殼層的兩個(gè)電子同時(shí)填充,而只放出一個(gè)光子[25].所以,認(rèn)為這里的1.60 keV X射線應(yīng)該是Xe 在靶的上表面的TEOP過(guò)程產(chǎn)生的,稱(chēng)此線為Xe的Mαα X射線.當(dāng)然,這種猜想還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

3.2 Mαα X射線產(chǎn)額與靶原子序數(shù)的關(guān)系

根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)條件,考慮到X射線發(fā)射是各向同性的,以及離子在靶中的最大穿透深度遠(yuǎn)小于靶的厚度和探測(cè)器定標(biāo)后的道寬為0.00175 keV,可以給出單離子X(jué)射線的產(chǎn)額為[21]

其中,C為X射線總計(jì)數(shù),N為總離子數(shù),A為峰面積,Q為電量值,q為入射離子的電荷態(tài),e為電子電量,Ω為探測(cè)器的立體角(本次實(shí)驗(yàn)為0.0066 sr),η為探測(cè)器的探測(cè)效率(當(dāng)X射線能量為1.60 keV 時(shí),探測(cè)效率為0.697).利用(1)式,分別計(jì)算了離子與不同靶作用時(shí),單離子Mαα X射線的產(chǎn)額,圖4 為Xe的Mαα X射線產(chǎn)額與靶原子序數(shù)的關(guān)系圖,誤差大約為6%,主要是由X射線的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差(5%)及入射離子計(jì)數(shù)誤差(3%)所引起的.從圖4 可以看出,當(dāng)Z從23—28,即從V—Ni,相對(duì)強(qiáng)度在減弱;但當(dāng)Z從28—30,即從Ni—Zn,相對(duì)強(qiáng)度在增強(qiáng).

圖4 Xe的Mαα X射線產(chǎn)額與靶原子序數(shù)的關(guān)系Fig.4.Relation between relative yield of Xe Mαα X ray and target atomic number.

如前所述,這里認(rèn)為Mαα X射線是Xe 在靶的上表面的雙電子單光子過(guò)程形成的.既然Mαα X射線產(chǎn)生于靶的上表面,那么X射線強(qiáng)度應(yīng)該與第一代空心原子在靶的上表面的存在時(shí)間,即Xe 離子在靶表面形成第一代空心原子到碰到表面被剝離之前的時(shí)間有關(guān).

根據(jù)經(jīng)典過(guò)壘模型[14],第一代空心原子在上表面的存在時(shí)間可表示為

其中M為入射離子的質(zhì)量;Rc為炮彈開(kāi)始捕獲金屬導(dǎo)帶電子并形成空心原子時(shí)的臨界距離,可表示為

E為入射離子能量;ΔE為離子的能量增益,可表示為

(3)式和(4)式中的q為入射離子的電荷態(tài),W為金屬的功函數(shù).

由(2)—(4)式計(jì)算得到的動(dòng)能為6.0 MeV的Xe20+離子與不同靶作用時(shí),第一代空心原子在上表面的存在時(shí)間如表1 所列.圖5 為第一代空心原子在上表面的存在時(shí)間和原子序數(shù)之間的關(guān)系圖,誤差為2%.

表1 6.0 MeV的Xe20+離子與不同靶作用產(chǎn)生的第一代空心原子在上表面的存在時(shí)間Table 1. Flight time of the first hollow atoms from 6.0 MeV Xe20+ ions above the different target.

從圖5 可以看出,第一代空心原子在上表面的存在時(shí)間,從V 到Ni 在減弱,但是從Ni 到Zn 在增強(qiáng),和圖4 中Mαα X射線相對(duì)產(chǎn)額隨靶原子序數(shù)的變化規(guī)律一致,進(jìn)一步證明了此射線是Xe 在靶的上表面的雙電子單光子過(guò)程形成的,不是下表面第二代空心原子的退激.但對(duì)比圖5 和圖4 發(fā)現(xiàn),圖5 中V 和Zn的空心原子存在時(shí)間差不多,而圖4 中兩者的X射線產(chǎn)額相差較多,這是因?yàn)樵贐ragg峰能區(qū)附近的能量范圍內(nèi),X射線輻射會(huì)受到入射離子速度和彈靶組合等參數(shù)的影響,不同的彈靶組合,炮彈與靶原子之間的X射線輻射存在競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象.圖1(e)圖中能量為1.01 keV的Zn的Lα1,2特征X射線的峰計(jì)數(shù)大約為700,發(fā)射此X射線消耗了較多能量,使得相應(yīng)的Mαα X射線產(chǎn)額較低.

圖5 第一代空心原子在上表面的存在時(shí)間與靶原子序數(shù)的關(guān)系Fig.5.Relation between flight time of the first hollow atoms and target atomic number.

4 結(jié) 論

本文觀測(cè)和分析了動(dòng)能為6.0 MeV的Xe20+離子分別與V,Fe,Ni,Cu,Zn 靶表面作用產(chǎn)生的1.60 keV的特征X射線譜,通過(guò)和以前對(duì)此線的兩種解釋做了比較分析.結(jié)果表明:對(duì)于沒(méi)有初始空穴的Xe20+離子,在實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有觀察到Xe的Mα X射線,而觀察到了能量為Xe的Mα X射線的兩倍的X射線,稱(chēng)此線為Xe的Mαα X射線,是由Xe 在靶的上表面的雙電子單光子過(guò)程產(chǎn)生的.并利用經(jīng)典過(guò)壘模型計(jì)算了Xe20+與不同靶作用時(shí)第一代空心原子在上表面的存在時(shí)間,該存在時(shí)間和Mαα X射線產(chǎn)額隨靶原子序數(shù)的變化規(guī)律一致,進(jìn)一步證明了此射線是Xe 在靶的上表面的雙電子單光子過(guò)程形成的.

感謝蘭州重離子加速器國(guó)家實(shí)驗(yàn)室320 kV高電荷態(tài)離子綜合研究平臺(tái)的老師在實(shí)驗(yàn)上提供的支持和幫助.