天水师范学院2009届毕业论文氧离子与氖原子碰撞转移电离过程研究...

氧离子与氖原子碰撞转移电离过程研究
杨晓通
（天水师范学院物理与信息科学学院甘肃天水 741000）
摘要:采用位置灵敏探测和散射离子--反冲离子飞行时间测量技术,测量了氧离子与氖原子碰撞过程中转移电离截面与单电子俘获截面之比。

通过比较,发现测量结果与文献结果的趋势一致,并对测量结果进行了解释。

关键词:离子—原子碰撞，转移电离，单电子俘获
Transfer Ionization in Collisions
Of Oxygen Ions Incident on Neon
YANG XIAO TONG
(Deparent of physics Tianshui Normal University)
Abstract：The ross-section ratios of the transfer ionization to the single electron capture of neon induced by oxygen ions were measured by means of position-sensitive detecting and the time-of-flight of scatter ionsrecoil ions. It is found that the tendency of measurements is consistent with that of references . Inaddition, explanation of measurements is given.
Keywords：Ion-atom collision; transfer ionization; single electron capture
引言
离子与原子碰撞过程的研究涉及多体碰撞动力学,近年来,转移电离过程和它在总的电子俘获机制中的贡献受到更多关注。

直到20世纪80年代中期,转移电离过程的研究主要集中在40～400keV轻粒子(Z<4)与氦原子碰撞过程中。

后来,这方面的许多研究扩展到更高能量的重离子与氦原子碰撞的系统中,但目前转移电离过程的研究还尚不系统,尤其是多电子的靶原子系统还有待进一步研究。

文献中耦合道半经典参数模型给出了全裸离子与氦原子碰撞转移电离过程的描述,但这个理论不能解释两步电离过程和电子-电子相互作用。

这种模型尽管能对C+4、F+4、He+2与Ne原子碰撞转移电离过程做出解释,但计算结果与C+4、F+4的实验结果存在偏差,对于转移电离过程的理论描述尚有待改进为解决上述问题，特意在兰州大学2×1.7MV串列加速器上研究了0.93～5.6MeV O+2、O+3与Ne原子的碰撞过程
1实验装置和方法
图1实验装置示意图。

加速器提供的氧离子束经分析磁铁选择单一电荷态、单一能量的氧离子经过两级二维可调节光阑准直后进入碰撞靶室,在靶室的中心位置与氖气体原子碰撞。

氖气由靶室上方的进气针通至碰撞区。

为了保证入射离子在碰撞区内只发生单次碰撞,实验中控制靶室气压在1.01×102Pa。

由真空系统和阀门以及加速器分析磁铁前主扩散泵组成的差分系统对靶室进行差分抽气,以保证除碰撞区域外,管道中真空度与未进气前的基本一致。

实验中用平行板电场将不同电荷态的散射离子偏转不同角度,由微通道板位置灵敏探测器(MCP)记录。

反冲离子,即被电离的氖原子由飞行时间谱仪的引出电场引出,经加速、无场漂移后,由电子倍增器(CEM)记录并作为飞行时间谱仪的起始信号。

飞行时间的停止信号由MCP给出的时间信号经延迟后给出。

CAMAC数据获取系统用来记录在每次碰撞中固定电荷态的散射离子和反冲离子事件。

从事件的二维谱中可以鉴别出离子与原子碰撞的各个子过程。

图1离子2原子碰撞引起转移电离实验装置示意图
1———分析磁铁; 2,3———准直光阑; 4,9———阀门; 5———进气针阀; 6———碰撞靶室;
7,10———真空系统; 8———偏转电场; 11———位置灵敏散射离子探测器图2是在实验中得到的氧离子与氖原子碰撞的二维谱,其中,横坐标p表示散射离子落在位置灵敏探测器上的相对位置,即散射离子的电荷态;纵坐标t表示反冲离子的相对飞行时间,即反冲离子的电荷态。

图2 2.82MeV O离子与Ne原子碰撞的二维等高谱
2 结果与讨论
通过分析,从图2可以鉴别出氧离子与氖原子碰撞过程中的各个子过程。

在图2中,a ～p 表示的反应方程式如下:
a: O +2+ Ne-O +2+Ne ++e -;
b: O +2+ Ne- O +2+Ne +2+2e -;
c: O +2+ Ne- O +2+Ne +3+3e -
e: O +2+ Ne-O ++Ne +;
f: O +2+ Ne- O +1+Ne +2+e -;
g: O +2+ Ne- O ++Ne +3+2e -;
h: O +2+ Ne- O ++Ne +4+3e -;
i: O +2+ Ne- O +3+Ne ++2e -;
j: O +2+ Ne- O +3+Ne +2+3e -;
k: O +2+ Ne- O +3+Ne +3+4e -;
l: O +2+ Ne- O +3+Ne +4+5e -;
m: O +2+ Ne- O +4+Ne ++3e -;
n: O +2+ Ne- O +4+Ne +2+4e -;
o: O +2+ Ne- O +4+Ne +3+5e -;
p: O +2+ Ne- O +4+Ne +4+6e -;
其中,e 为单电子俘获过程,f 、g 、h 分别为伴随靶原子二重电离、三重电离和四重电离的电子俘获过程,即转移电离过程。

将f 、g 、h 过程和e 过程的截面比分别定义为21R 、31R 、41R 。

图3分别示出了+2O 、+3O 与Ne 原子碰撞中21R 、31R 随入射能量的变化曲线和统计误差。

由于散射离子在单电子俘获过程和转移电离过程的电荷态是一样的,因此,它们落在位置灵敏探测器中的位置相同,探测效率亦相同。

实验误差主要是统计误差的贡献。

图3表明,无论是+2O 离子,还是+3O 离子入射,在本实验能区(57.9～350keV/a.u),随入射离子能量的增大21R 、31R 出现极大值max ,21R 、max ,31R 。

对于+2O ,max ,21R 、max ,31R 对应的入射离子能量约为110 keV/a.u 。

对于+3O ,max ,21R 、max ,31R 对应的入射离子能量约为250 keV/a.u 。

图3O2+、O3+与Ne碰撞过程中转移电离截面与单电子俘获截面比R 与入射能量E的关系
He+2与Ne碰撞的转移电离截面和单电子俘获截面,与本实验结果的趋势一致。

对于直接单电离，基于独立粒子模型用非微扰方法计算了He+2与Ne 、单电子俘获截面,计算结果与实验结果符合很好,而与转移电离截面存在偏差。

既然这样,在此能区,转移电离不能简单理解为单电子俘获与单电离的两步过程。

对于转移电离过程的机制,有着不同的描述:在非常低的碰撞区域（≤1 eV/ a.u ）,转移电离过程的主要机制是准分子的自电离;在碰撞速度约100 eV/ a.u 能区,则把转移电离归结为入射离子双电子俘获;在碰撞速度接近100 keV/ a.u 能区, 转移电离是双电子转移的结果;在更高能区（≥1 MeV/a. u ）,转移电离主要是单电子俘获加靶原子直接电离的结果。

可见,深入理解转移电离过程的机制还需进行大量的实验和理论研究。

3结论
本工作研究了氧离子与氖原子的碰撞过程,得到了转移电离截面与单电子俘获截面比随入射离子能量的变化趋势。

实验观测到,在本实验能区,转移电离过程与入射离子动能有密切关系。

独立粒子模型的理论计算结果与实验结果的偏离由模型的固有不足所引起。

解释离子-原子碰撞过程中的转移电离现象必须超越独立粒子模型,考虑原子中电子-电子的相互作用,发展一种全相关的量子力学处理方法。

参考文献
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致谢
本文是在王文赜老师精心的指导下完成的。

从论文的选题、文章结构的构筑到最后的定稿，都得到了王文赜老师的细心指点和帮助。

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