跨玻尔速度能区Xe23＋离子与Ne原子碰撞中的电子过程

丁宝卫，于得洋，卢荣春，邵曹杰，阮芳芳，刘锦鹏，赵永龙，景 龙

（1．兰州大学核科学与技术学院，甘肃兰州 730000；2．中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州 730000）

高温存在于宇宙的诸多区域，如恒星、活动星系核、超新星的爆炸等。在非常高的温度条件下，即使重原子的电子也会被部分甚至全部剥离，所以许多物质以电离态的形式存在。但地球上很难找到这种自然的极端条件。为在实验室中开展相关的研究，人们发展了高电荷态离子源［1］，如电子回旋共振离子源、电子束离子阱以及激光离子源。近年来，高电荷态离子与多电子原子或分子的碰撞是一非常活跃的研究领域，这些研究不仅有助于理解复杂的离子－原子碰撞过程、检验相关的理论模型，且对高温等离子体［2－3］、天体物理［4］及大气科学［5］等领域的研究具有重要意义。

通常，当入射离子速度vp远小于1个玻尔速度（a．u．）时，即vp《1a．u．时，俘获是主要过程，以至于其他过程可忽略；而当入射离子速度较高（vp》1a．u．）时，电离是主要过程。在这两个能区，对高电荷态离子与原子的碰撞过程研究相对较多［6－16］。为分析高电荷态离子与原子碰撞中的物理过程，提出了若干个理论模型或经验公式，如经典过垒模型［17］、拓展的经典过垒模型［18］、分子经典过垒模型［19］、Selberg等［9］发展的半经验公式等。然而，在跨玻尔速度能区，在某种程度上，俘获和电离均较重要，不能舍此顾彼，且反应道之间还存在较强的耦合，量子力学处理难度很大。在这一能区，已有的实验主要集中于He原子［20－21］，对于较重的靶原子的研究还很缺乏。另外，多电子过程表征了多体动力学的基础问题，可用来检验当前的相关理论模型，特别是多电子过程中的电子关联效应。本文将通过实验研究跨玻尔速度能区的Xe23＋离子与Ne原子碰撞中的单电子和多电子过程。

1 实验

实验在中国科学院近代物理研究所电子回旋共振离子源高压平台上进行，实验装置在文献［21］中已描述。具有一定能量的聚焦Xe23＋离子束与自上而下的气体靶碰撞，靶室的真空度为10－6Pa量级。碰撞后，不同电荷态的散射离子在静电场中具有不同的偏转角，故打在位置灵敏微通道板探测器的不同位置上。反冲离子的初始动能很小，通过电场引出并加速，而后在一无场区域自由漂移，最后打在反冲离子微通道板探测器上。实验中，由于反冲离子探测器的电压较高，达3kV，所以对不同电荷态的反冲离子的探测效率近似相同。反冲离子的飞行时间与离子的质荷比（m／q）有关，不同电荷态的反冲离子到达探测器的飞行时间不同。据此，通过离子的飞行时间，可区分它们的电荷态。最后，将飞行时间谱与位置谱关联，就得到位置－时间二维谱。该二维谱展现了不同反应道的符合计数。图1示出了21keV／u的Xe23＋与Ne原子碰撞的反冲离子飞行时间谱和符合二维谱。

图1 Xe23＋与Ne原子碰撞的飞行时间谱（a）和符合二维谱（b）

实验的入射离子速度vp为0．65～1．32a．u．，碰撞过程可简单描述为：

其中：j为入射离子俘获的电子数；k为反冲离子的电荷态，k＝1、2、3、4、5。伴随j个电子俘获的k重电子丢失截面为。通过二维谱可得到k电子与单电子过程的截面比σk／σ1为：

σk／σ1＝N0k／N01

（2）

其中，N0k和N01分别为Nek＋和Ne＋离子的计数。同样，截面比／σk为：

（3）

实验误差主要来自反冲离子的探测效率（＜10%）、多次碰撞（＜3%）、数据处理二维谱时的计数区域选取（＜10%）以及统计误差（5%）。详细的误差分析可参考文献［21－23］。

2 分析与讨论

测量0．65～1．32a．u．速度范围的Xe23＋与Ne原子碰撞的各反应道的相对截面。图2示出了截面比σ2／σ1、σ3／σ1、σ4／σ1和σ5／σ1对入射离子速度的依赖关系。从图2可看出，随着速度的增加，这些比值并无明显的变化，即入射离子速度对各截面σk（k＝1、2、3、4、5）的影响几乎等同。这与较低能区的实验结果相似，原因可能是入射离子的强库仑势的作用的结果。截面比σ2／σ1、σ3／σ1、σ4／σ1及σ5／σ1分别约为0．4、0．2、0．13和0．1，显然单电子过程占绝对优势，其次是双电子过程，而三电子、四电子及五电子过程的总截面约等于双电子过程截面。文献［7］提出用转移激发机制描述双电子过程，两个靶电子转移到入射离子激发态，随后，靠近内壳层的电子被重新俘获到靶的激发态，这个过程贡献于单电子过程。转移激发机制对于He原子有效，但不适用于较重的靶原子。

该能区高电荷态离子与原子碰撞中，由于直接电离是一很弱的反应道，所以，可用拓展的经典过垒（ECB）模型［7，21］描述靶电子的丢失。在该模型中，当离子与靶原子之间的势垒等于或低于束缚靶电子的Stark能时，这个电子将逃离靶原子。据此，第k个电子逃离的临界核间距为：

其中，Ik为第k个靶电子的电离势，eV。k个电子逃离的截面近似为：

Selberg等［9］采用一半经验公式，描述k个靶电子逃离的绝对截面，即：

式中：Ik／Ii为第k个电子与第i个电子的电离能之比；N为外壳层电子数；q为入射离子的电荷态。将实验结果与这两种模型的计算结果对比，结果如图2所示。式（6）对截面比σ2／σ1和σ3／σ1估计过高，而过垒模型的结果与σ4／σ1和σ5／σ1更为接近。

图2 σk／σ1与入射离子速度的关系

通过二维谱，可根据下式计算获得反冲离子电荷态分支比fk：

Selberg等［9］给出了相应的经验公式：

相对截面的测量结果如图4所示。单电子过程几乎被单电子俘获过程完全占据。在双电子过程中，≈0．8，说明单电子俘获伴随单电离过程（转移电离）是最重要的反应道，而双电子俘获过程在双电子过程中的比重很小。由于在该能区直接电离反应道相对很弱，所以转移电离主要来自伴随双俘获的自电离过程。这个过程中，两个靶电子转移到入射离子的激发态，通过辐射退激和自电离衰变，即前者贡献于真的双俘获（TDC）过程，而后者则贡献于自电离双俘获（ADC）过程，这些物理过程可用下式描述：

图3 fk与k的依赖关系

从实验结果可看出，ADC应是转移电离过程中的重要机制。同样，对于更多电子参与的过程（如三电子、四电子、五电子过程），主要的过程不是纯俘获过程，而是伴随俘获的电离过程，如及等。散射离子最后的电荷态取决于多激发态的入射离子不同的退激通道，可用下式描述：

（11）

另外，Ali等［6］认为多电子靶（k≥3）的激发机制对多电子过程也有重要作用，对于本文所研究的碰撞系统，多电子过程用下式描述更好：

（12）

最后，还需说明，随着碰撞速度的增加，纯电离截面并未如所期望的有一显著增加，而是表现出对速度的独立性。造成这种现象的原因，除实验误差（反应道弱，偶然符合的影响大）外，可能还存在深层次的物理原因，这值得进一步研究。

图4 Pkj与入射离子速度的关系

3 结论

测量了0．65～1．32a．u．速度范围的Xe23＋离子与Ne原子碰撞的单电子和多电子过程的相对截面。在所研究的能区，相对截面对入射离子速度依赖性很弱。单电子过程是最主要的反应道，它几乎被单电子俘获过程完全占据。而对多电子过程的主要贡献不是来自纯俘获过程，而是来源于伴随多电子俘获的电子发射。

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