劉 璇 宋張勇張秉章 錢 程方 興 邵曹杰王 偉劉俊亮 徐俊奎 馮 勇 朱志超 陳 林 郭艷玲 孫良亭楊治虎 于得洋

1（中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州730000）2（蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蘭州730000）3（南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 衡陽421001）4（中國科學(xué)院大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京100049）

高電荷態(tài)離子與固體表面相互作用中發(fā)射的X射線是高電荷態(tài)離子與物質(zhì)相互作用過程中的重要物理問題之一。高電荷態(tài)離子與固體表面相互作用的研究在國際上歷來備受關(guān)注［1-4］，其中X射線發(fā)射研究涉及原子結(jié)構(gòu)、能級(jí)壽命、離子中性化以及能量沉積機(jī)制等。高電荷態(tài)離子與固體表面的相互作用在固體表面處理和固體結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。此外，高電荷態(tài)離子與半導(dǎo)體材料的相互作用在新材料的研究和表面改性，以及急需的新型納米材料和超小尺寸半導(dǎo)體芯片的研制［5-8］等方面發(fā)揮著重要作用。

過去的20年中，已經(jīng)有多個(gè)課題組對(duì)低速（速度小于玻爾速度VBohr=2.9×106m·s-1）高電荷態(tài)離子與固體表面的相互作用進(jìn)行了研究。Hagstrum等［9-10］研究了He1+、Ne1+、Ar1+、Xe1+、Xe5+離子入射鎢表面的Auger電子能譜；Briand等［11］研究了低速高電荷態(tài)Ar17+離子與不同的金屬表面相互作用形成的多激發(fā)態(tài)“空心原子”的性質(zhì)；Meyer等［12］報(bào)道了不同電荷態(tài)的N離子和Ar離子與Au（110）和Cu（001）表面作用過程中發(fā)射電子的能量分布；中國科學(xué)院近物所的研究小組［13］利用Xeq+（q=12～29）與Al相互作用，證明了分子軌道晉升機(jī)制是下表面“空心原子”激發(fā)的重要方式。當(dāng)?shù)退俑唠姾蓱B(tài)離子與固體表面相互碰撞時(shí)，由于它們之間存在巨大的庫侖相互作用，庫倫勢能占據(jù)主導(dǎo)地位。在入射高電荷態(tài)離子接近固體表面過程中，它能將多至幾百keV的勢能在飛秒時(shí)間內(nèi)沉積于靶表面納米尺度范圍內(nèi)，Watanabe等［14-15］發(fā)現(xiàn)高電荷態(tài)離子與金屬表面相互作用會(huì)通過發(fā)射X射線來耗散勢能。還有其他多個(gè)研究小組通過X射線發(fā)射［16-18］、可見光輻射等方法［19-22］研究低速高電荷態(tài)離子與表面相互作用過程中的能量沉積和轉(zhuǎn)移。

近年來，隨著離子源和加速器的不斷發(fā)展以及探測技術(shù)的日益成熟，高電荷態(tài)離子與固體表面相互作用的研究已經(jīng)延伸到了天體物理、原子物理、等離子體物理等領(lǐng)域。特別是高電荷態(tài)氮離子與物質(zhì)相互作用的研究對(duì)天體物理有著非常重要的研究價(jià)值，因而重新開始受到關(guān)注。在天體物理中，恒星、星系、行星狀星云等研究中均涉及等離子體原子物理過程，同時(shí)氮元素在天體中的占比較大，這是本工作選擇高電荷態(tài)氮離子的原因。本工作探測了高電荷態(tài)氮離子（Nq+，q=3，5，6）與金屬Cu表面碰撞中發(fā)射的K-X射線能譜，并研究了K-X射線產(chǎn)額、K殼層電離截面值與入射離子動(dòng)能及電荷態(tài)之間的依賴關(guān)系。這對(duì)離子與金屬表面相互作用中形成的上表面“空心原子”的退激過程、高電荷態(tài)離子在固體表面的中性化過程具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及技術(shù)

本工作在中國科學(xué)院近代物理研究所的電子回旋共振離子源（Electron Cyclotron Resonance Ion Source，ECRIS）上進(jìn)行，圖1是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖。Nq+（q=3，5，6）離子束流由14.5 GHz的ECRIS提供。ECRIS利用微波加熱等離子體，在此過程中微波會(huì)給電子傳遞能量，使其變成高能電子，而高能電子會(huì)將離子源中的原子不斷電離并形成等離子體，同時(shí)等離子體受到磁場約束，繼續(xù)被高能電子電離，逐漸形成高電荷態(tài)離子。通過改變引出電壓將所需的離子束流引出，經(jīng)校正、四極透鏡聚焦后利用90°分析磁鐵將束流引入搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，束流首先會(huì)通過束流輪廓儀，可以直觀地觀測到束斑的大小和位置，并根據(jù)需要調(diào)節(jié)束斑的大小和位置。經(jīng)過調(diào)節(jié)后的束流通過直徑10 mm的狹縫進(jìn)入長度為600 mm的束流準(zhǔn)直管道，在管道中利用自行研制的束流密度計(jì)（入射孔徑4 mm，測量孔徑2 mm）估算束流的強(qiáng)度，有關(guān)束流密度計(jì)的研制工作將在后續(xù)的文章中報(bào)道。最后，束流經(jīng)管道中的兩組偏轉(zhuǎn)板和四極透鏡的調(diào)節(jié)，通過直徑為5 mm的狹縫進(jìn)入靶室（真空度約為1.5×10-6Pa）與Cu靶相互作用，束流強(qiáng)度在3～11 nA范圍內(nèi)。金屬Cu的化學(xué)純度為99.99%，表面經(jīng)過凈化處理，靶的面積為17×17 mm2，厚度0.5 mm。本實(shí)驗(yàn)利用的X射線探測器為美國AMPTEK公司生產(chǎn)的硅漂移探測器（Silicon Drift Detector，SDD），SDD探測器的能量分辨率在5.9 keV峰為136 eV，探測器與束流方向呈45°，探測器與靶心的距離為140 mm，其幾何立體角約為0.004 sr，洪式電子槍與束流方向呈90°（電子槍是為了中和靶表面累積的正電荷）。實(shí)驗(yàn)前使用標(biāo)準(zhǔn)放射源55Fe對(duì)探測器進(jìn)行了能量刻度。

圖1 ECRIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the ECRIS experimental platform

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 N3+、N5+入射Cu表面產(chǎn)生的X射線譜

選擇10～20 keV/q的N3+以及1.5～20 keV/q的N5+離子入射Cu靶表面，激發(fā)出X射線，SDD探測器采集的X射線能譜通過束流歸一化處理，得到圖2所示的X射線譜圖。由于發(fā)射的L殼層X射線能量較低，所以SDD探測器只能測量K殼層的X射線。根據(jù)美國伯克利國家實(shí)驗(yàn)室X光與現(xiàn)代光源中心提供的數(shù)據(jù)，可知圖2中的兩個(gè)特征X射線峰從能量低到高分別對(duì)應(yīng)C的Kα-X射線和N的Kα-X射線；經(jīng)擬合，N的特征X射線峰的半高全寬（Full Width at Half Maximum，F(xiàn)WHM）約為60 eV，分辨率較好。在實(shí)驗(yàn)過程中，之所以會(huì)探測到C的特征X射線，可能是304不銹鋼所制的樣品架中含有C元素，一部分入射束流與其碰撞，誘發(fā)C原子電離輻射X射線。

圖2 不同動(dòng)能的Nq+(q=3、5)離子入射Cu表面發(fā)射的X射線譜(a)動(dòng)能為10～20 keV/q的N3+，(b)動(dòng)能為1.5～20 keV/q的N5+Fig.2 X-ray spectra in collisions of different kinetic energy Nq+(q=3,5)ions with the Cu surface(a)N3+ions with the 10～20 keV/q,(b)N5+ions with the 1.5～20 keV/q

假設(shè)X射線是各向同性發(fā)射的，則可以推導(dǎo)出本實(shí)驗(yàn)中的Nq+（q=3、5、6）離子的K-X射線產(chǎn)額：

式中：Nx是探測器測量的K-X射線總計(jì)數(shù)，可以通過計(jì)算機(jī)程序?qū)射線譜進(jìn)行積分確定；Np是入射粒子的總計(jì)數(shù)，可以根據(jù)束流密度計(jì)測量的電流計(jì)算得出。在實(shí)驗(yàn)中，SDD探測器相對(duì)樣品的立體角Ω約為0.004 sr，對(duì)N特征峰的本征效率ε為0.202。吸收系數(shù)μ可根據(jù)公式近似計(jì)算得。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，誤差主要產(chǎn)生于束流離子數(shù)的統(tǒng)計(jì)及探測器立體角，經(jīng)過誤差傳遞公式計(jì)算，誤差小于10%。依據(jù)式（1）得到N3+、N5+的K-X射線產(chǎn)額（圖3）。隨著動(dòng)能的增加，N3+、N5+的K-X射線產(chǎn)額均增大，并且K-X射線產(chǎn)額隨入射離子電荷態(tài)的增加而增大。

圖3 Nq+(q=3，5)離子入射Cu表面發(fā)射的K-X射線產(chǎn)額與入射離子動(dòng)能的關(guān)系Fig.3 The K-shell X-ray yield in collisions of Nq+(q=3,5)ions with the Cu surface vs.the kinetic energy of incident ions

對(duì)于實(shí)驗(yàn)中N3+、N5+離子入射樣品表面產(chǎn)生的K-X射線，主要是由于離子進(jìn)入表面后與靶原子進(jìn)行緊密碰撞所致。若假設(shè)N離子沿直線軌跡減速，并且忽略能損歧離，則可以用式（2）從X射線產(chǎn)額Y（E0）計(jì)算K殼電離截面：

式中：E0代表束流的初始能量；N為靶原子密度；?表示N原子的K殼平均熒光產(chǎn)額，N離子在Cu靶中的阻止本領(lǐng)dE/dR可使用SRIM程序計(jì)算得到，dY（E）/dE則先通過擬合多項(xiàng)式ln（E）和ln（Y（E）），再經(jīng)微分?jǐn)M合后獲得；θ是束流方向與靶面法線之間的夾角；φ是探測器的探測方向與束流線的夾角。式（2）中的第二項(xiàng)表示樣品對(duì)X射線的自吸收，μ是自吸收系數(shù)，對(duì)于能量為幾百keV的低能入射離子，該自吸收項(xiàng)可忽略。電離截面的誤差主要有產(chǎn)額誤差和斜率誤差的共同影響，誤差小于10%，依據(jù)式（2）得到K殼電離截面如圖4所示。對(duì)于N3+、N5+入射離子，電離截面均在10-21cm2數(shù)量級(jí)，且隨入射離子動(dòng)能的增加單調(diào)增大。

圖4 Nq+(q=3、5)離子入射Cu表面引起的K殼層電離截面隨入射離子動(dòng)能的關(guān)系(a)N3+，(b)N5+Fig.4 The K-shell ionization cross-section in collisions of Nq+(q=3,5)ions with the Cu surface vs.the kinetic energy of incident ions (a)N3+,(b)N5+

N3+離子的電子組態(tài)為1s22s2，N5+離子的電子組態(tài)為1s2，它們在K層均沒有空穴，所以進(jìn)入表面后會(huì)與Cu原子發(fā)生緊密碰撞，在此過程中直接庫倫電離起到主要作用。N3+、N5+離子進(jìn)入Cu表面內(nèi)發(fā)生碰撞，使K殼層的一個(gè)電子被電離并在K殼產(chǎn)生空穴，然后退激發(fā)射K-X射線，所以K-X射線產(chǎn)額會(huì)隨著入射離子動(dòng)能的增加而增大，而且從圖3中發(fā)現(xiàn)，N5+的K-X射線產(chǎn)額比N3+的大得多，推測可能是N3+的L層電子對(duì)K層電子產(chǎn)生了屏蔽，所以其K層電子的碰撞電離變得困難，使得K-X射線產(chǎn)額變小。此外，考慮到還可能存在多電子激發(fā)［23］作用。在高電荷態(tài)N離子接近表面的過程中，入射離子攜帶的巨大動(dòng)能和勢能會(huì)迅速沉積在Cu表面，使得Cu表面的大量電子被激發(fā)。在多個(gè)電子的共同作用下，N3+、N5+離子的一個(gè)K層電子被激發(fā)并在K層形成一個(gè)空穴，會(huì)使占據(jù)在L層的電子發(fā)生2p→1s的偶極躍遷，發(fā)出K-X射線。但是由于入射離子動(dòng)能較小，所以多電子激發(fā)作用在本次實(shí)驗(yàn)中占據(jù)的比重較少，仍然考慮直接庫倫電離作用是N3+、N5+離子與表面作用產(chǎn)生K-X射線的主要原因。

2.2 N6+入射Cu表面產(chǎn)生的X射線譜

選擇入射動(dòng)能為1.5～20 keV/q的N6+離子，通過束流歸一化處理得到X射線譜（圖5）。圖5中存在明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，與圖2一樣，雙峰從左至右分別為C的Kα-X射線峰和N的Kα-X射線峰。

圖5 1.5～20 keV/q的N6+離子與Cu表面相互作用發(fā)射的X射線譜Fig.5 X-ray spectra induced by the interaction between 1.5～20 keV/q N6+ions and the Cu surface

對(duì)于N6+離子與Cu表面相互作用的過程，可以從二體碰撞近似理論出發(fā)，根據(jù)經(jīng)典過壘模型［24］，當(dāng)入射的N6+離子接近臨界距離：

式中：q為N6+的電荷態(tài)；W為Cu的功函數(shù)，取4.65 eV。由于金屬表面對(duì)入射的高電荷態(tài)離子起著鏡像加速作用，使入射離子的動(dòng)能增加，增加的動(dòng)能滿足：

當(dāng)其撞擊表面時(shí)，高電荷態(tài)N6+離子與Cu靶表面間的勢壘高度低于費(fèi)米面，使得Cu表面的電子被共振俘獲到N6+離子的高激發(fā)空態(tài)，其主量子數(shù)如式（5），并形成“空心原子”。

處于激發(fā)態(tài)的空心N原子在飛秒（fs）［25］時(shí)間尺度上迅速衰減。在本實(shí)驗(yàn)中，探測到不同動(dòng)能的N6+離子與Cu表面作用產(chǎn)生的X射線，并且N6+離子的K-X射線產(chǎn)額誤差同樣受到束流離子數(shù)統(tǒng)計(jì)及探測器立體角的影響，經(jīng)過誤差傳遞公式計(jì)算可知，誤差小于10%。根據(jù)式（1），計(jì)算得到N6+離子的K-X射線產(chǎn)額（圖6）。對(duì)于N6+離子，其K-X射線產(chǎn)額與入射離子動(dòng)能沒有明顯依賴關(guān)系。

圖6 N6+離子入射Cu表面發(fā)射的K-X射線產(chǎn)額隨入射離子動(dòng)能的關(guān)系Fig.6 The K-shell X-ray yield in collisions of N6+ions with the Cu surface vs.the kinetic energy of incident ions

N6+離子的基本電子組態(tài)為1 s，在K層有一個(gè)空穴。當(dāng)N6+離子快速接近表面并與表面相互作用時(shí)，會(huì)俘獲表面的電子形成上表面“空心原子”，然后“空心原子”級(jí)聯(lián)退激，發(fā)出K-X射線［25］。除此之外，N6+離子進(jìn)入表面內(nèi)也會(huì)通過直接碰撞電離產(chǎn)生K-X射線。由于N3+、N5+離子主要通過直接庫倫電離作用產(chǎn)生K-X射線，于是把K-X射線產(chǎn)額近似等于N6+離子通過直接碰撞電離方式產(chǎn)生K-X射線產(chǎn)額。經(jīng)過計(jì)算得到，N6+離子上表面“空心原子”級(jí)聯(lián)退激產(chǎn)生的K-X射線產(chǎn)額約占其總K-X射線產(chǎn)額的97%，所以N6+離子主要通過上表面“空心原子”的級(jí)聯(lián)退激產(chǎn)生K-X射線。同時(shí)，N6+離子的K-X射線產(chǎn)額應(yīng)該隨著入射離子動(dòng)能的增加而下降。這是因?yàn)殡S著入射離子動(dòng)能的增加，其速度就越快，與Cu表面的作用時(shí)間變短，K-X射線產(chǎn)額也隨之變小。但是在圖6中，N6+離子的K-X射線產(chǎn)額與其動(dòng)能卻并沒有明顯的關(guān)系，于是選取N6+離子動(dòng)能最小值9 keV和最大值120 keV的兩個(gè)動(dòng)能點(diǎn)，計(jì)算得其與表面相互作用的時(shí)間分別為3.1×10-15s和8.5×10-16s，發(fā)現(xiàn)其與表面相互作用的時(shí)間差別并不是很大，所以兩個(gè)動(dòng)能點(diǎn)的K-X射線產(chǎn)額也不是很大。另一個(gè)原因可能是實(shí)驗(yàn)誤差的影響，導(dǎo)致N6+離子的K-X射線產(chǎn)額并沒有隨其動(dòng)能的增加存在明顯的下降趨勢。

3 結(jié)語

基于中國科學(xué)院近代物理研究所的ECRIS，本工作測量了入射動(dòng)能為4.5～120 keV的Nq+（q=3，5，6）離子與Cu表面相互作用發(fā)射的X射線能譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1）N3+和N5+離子進(jìn)入表面，與Cu原子發(fā)生了緊密碰撞，在此過程中的直接庫倫電離是其KX射線產(chǎn)生的主要原因，Nq+（q=3，5）的K-X射線產(chǎn)額和K殼層的電離截面均隨入射離子動(dòng)能的增加而增大，并且其K-X射線產(chǎn)額也隨入射離子的電荷態(tài)增加而增大。2）N6+離子入射Cu表面發(fā)射的K-X射線，主要是由于相互作用中形成的上表面“空心原子”的級(jí)聯(lián)退激所致，并且上表面“空心原子”級(jí)聯(lián)退激產(chǎn)生的K-X射線產(chǎn)額約占其總K-X射線產(chǎn)額的97%，所以N6+的K-X射線產(chǎn)額與其初始的K殼空穴數(shù)相關(guān)。此外，在本實(shí)驗(yàn)中N6+離子的K-X射線產(chǎn)額與入射離子動(dòng)能沒有明顯關(guān)系。