129Xeq+激發(fā)Mo表面產(chǎn)生的X射線譜*

梁昌慧張小安李耀宗趙永濤肖國青

1)(咸陽師范學(xué)院物理系，咸陽712000)

2)(中國科學(xué)院近代物理研究所，蘭州730000)

(2009年1月1日收到;2009年11月7日收到修改稿)

129Xeq+激發(fā)Mo表面產(chǎn)生的X射線譜*

梁昌慧1)?張小安2)李耀宗1)趙永濤2)肖國青2)

1)(咸陽師范學(xué)院物理系，咸陽712000)

2)(中國科學(xué)院近代物理研究所，蘭州730000)

(2009年1月1日收到;2009年11月7日收到修改稿)

研究了高電荷態(tài)離子129Xeq+(q=25，26，27)入射金屬Mo表面產(chǎn)生的特征X射線譜.實驗結(jié)果表明，在束流強度小于120 nA條件下，高電荷態(tài)離子129Xeq+可以激發(fā)Mo的L殼層特征X射線譜.單離子X射線相對產(chǎn)額可達10－8量級，特征X射線的相對產(chǎn)額隨入射離子的動能和電荷態(tài)(勢能)的增加而增加.通過Mo原子的Lα1特征X射線譜，利用Heisenberg不確定關(guān)系對Mo原子的第M能級壽命進行了估算.

高電荷態(tài)離子，X射線，產(chǎn)額，能級壽命

PACC:3450D，3220R，3270J

1. 引言

根據(jù)Bohr理論，原子的特征X射線是其內(nèi)殼層電子被激發(fā)產(chǎn)生空穴，其他電子填充該空穴時發(fā)射的.目前，產(chǎn)生的主要途徑有多種，利用X射線管中的快速陰極電子轟擊靶材料發(fā)射特征X射線是主要途徑之一，但其由單電荷態(tài)、高能(動能為MeV量級)的重離子轟擊(如74W靶)產(chǎn)生的Kα-X射線的單離子相對產(chǎn)額也僅在10－14量級［1］.

經(jīng)典過壘模型(classical over-barrier model，COBM)表明，低速高電荷態(tài)離子(速度小于Bohr速度vBohr=2.19×106m/s)在其逼近金屬表面過程中，當運動到臨界距離Rc時，入射離子與金屬表面間的勢壘高度低于費米面，金屬導(dǎo)帶的電子會共振電離或共振轉(zhuǎn)移到入射離子的高激發(fā)態(tài)，形成空心原子.空心原子通過自電離、俄歇過程等方式退激，發(fā)射大量的電子和特征X射線，并在fs時間內(nèi)將幾十到幾百keV的能量沉積在固體表面nm空間尺度范圍內(nèi)，使入射離子和靶原子激發(fā)和離化.截止目前，對高電荷態(tài)離子的勢能使靶原子激發(fā)的機理尚不清楚，因此，通過測量相互作用過程中空心原子發(fā)射的K，L和M的特征X射線，可以研究空心原子的運動規(guī)律和衰變過程，通過測量相互作用過程中靶原子發(fā)射的特征X射線，可以研究在高電荷態(tài)離子強場條件下電子轉(zhuǎn)移、靶原子內(nèi)殼層電子激發(fā)輻射的微觀機理［2—4］.

本文報道在蘭州重離子加速器國家實驗室用低速高電荷態(tài)離子129Xeq+(q=25，26，27)轟擊金屬Mo表面，激發(fā)Mo原子的特征X射線譜，通過Mo原子的Lα1特征X射線譜，利用Heisenberg不確定關(guān)系對Mo原子的第M能級壽命進行了估算，發(fā)現(xiàn)由于入射離子的能量增加和庫侖場的影響使得原子能級展寬，給能級壽命估算帶來影響.

2. 實驗裝置和測量方法

圖1是實驗平臺的示意圖.高電荷態(tài)離子129Xeq+由蘭州重離子加速器電子回旋共振離子源(the electron cyclotron resonance ion source，ECRIS)提供，束流在不同的電壓下引出，利用90°偏轉(zhuǎn)分析磁鐵將確定電荷態(tài)的離子引入原子物理實驗平臺，然后經(jīng)過四極透鏡和光欄的聚焦準直，離子進入內(nèi)部具有電磁屏蔽功能的超高真空(約10－5mPa)靶室，與樣品表面相互作用.在本實驗中，作用束流的束斑直徑可控制在5mm范圍內(nèi)，束流強度為nA量級，離子以45°方向斜入射于經(jīng)過表面凈化處理的化學(xué)純度為99.9%的Mo固體表面，其表面積為19mm×24mm，厚度為0.1mm.入射離子與固體表面相互作用所產(chǎn)生的X射線譜利用Si(Li)探測器進行觀測.實驗前利用標準的放射源241Am和55Fe對探測器進行了刻度，其能量探測范圍為1—60 keV，當X射線能量為5.89 keV時，能量分辨為0.16 keV，相對探測效率為93%.本實驗中，探測器與入射束流方向成45°角，與靶表面垂直;探測口是厚度為0.05mm的Be窗.當X射線能量為3 keV時，該Be窗的透射率約為83%.探測器口徑為10mm，距離靶點80mm，探測時間選為5400 s.

圖1 蘭州重離子加速器國家實驗室ECR源原子物理實驗平臺示意圖

3. 實驗結(jié)果與討論

3.1. 電荷態(tài)一定、動能不同的離子激發(fā)的X射線譜

圖2(a)，(b)，(c)是動能分別為400，500，600 keV的Xe27+與Mo表面相互作用產(chǎn)生的X射線譜，經(jīng)GaussAmp擬合(擬合函數(shù)為A為曲線的峰計數(shù)，頂點的坐標為(xc，y0+A);w為曲線寬度)后的兩個峰位分別為1.59 keV左右和2.32413 keV，其中峰位為2.32413 keV的為Mo的Lα1特征X射線(對于X射線譜的識別，以美國國家標準技術(shù)局光譜數(shù)據(jù)庫(NIST Atomic Spectra Database)的數(shù)據(jù)為依據(jù)).而NIST Atomic Spectra Database公布的Mo的Lα1特征X射線是2.29316 keV，測量的結(jié)果與此相比略大，可能是Si(Li)探測器分辨率不高所致，但測量誤差僅為1.35%，證明實驗值與理論值符合較好.

圖2(a)背景輻射較大，X射線峰計數(shù)為72; (b)背景輻射相對被抑制，峰計數(shù)為352;(c)峰計數(shù)增大到831，Mo-Lα1特征X射線明顯.從圖2可以明顯看出，Mo-Lα1特征X射線幅度隨著入射離子的動能的增加而增加.

根據(jù)本次實驗條件和測量條件，并假定X射線發(fā)射是各向同性的，可以給出Xeq+作用于Mo表面的單離子X射線相對產(chǎn)額［5］

其中，C為總計數(shù)，N為總粒子數(shù)，q是入射離子的電荷態(tài)，Γ=2wGaussAmp轉(zhuǎn)換系數(shù)，是半高寬(單位:keV)，A是峰計數(shù)，Ibeam是用靶電流強度表示的束流強度(單位是nA).利用(1)式，可以計算出單離子X射線相對產(chǎn)額，動能為350 keV的129Xe27+離子，X射線相對產(chǎn)額為0.19×10－8;動能為600 keV的129Xe27+離子，X射線相對產(chǎn)額為5.05 ×10－8.圖3給出不同動能的(350—600 keV)高電荷態(tài)離子129Xe27+離子入射Mo表面激發(fā)的X射線相對產(chǎn)額與入射離子的動能關(guān)系圖，誤差為5%.從圖3可以明顯看出，X射線相對產(chǎn)額隨著入射離子的動能的增加而增加，這是因為在相互作用過程中，隨著入射離子動能的增加，入射離子激發(fā)靶原子內(nèi)殼層電子的概率增加，所以，X射線的相對產(chǎn)額增加.

圖3 單離子X射線相對產(chǎn)額與入射離子(129Xe27+)動能的關(guān)系

3.2. 動能一定、電荷態(tài)不同的離子激發(fā)的X射線譜

圖4(a)，(b)，(c)是動能為600 keV的高電荷態(tài)離子129Xe25+，129Xe26+和129Xe27+入射Mo表面激發(fā)的X射線譜.峰位都為2.32413 keV，其中(a)峰計數(shù)為367;(b)峰計數(shù)為484;(c)峰計數(shù)為831.從圖4可以明顯看出，Mo-Lα1特征X射線幅度隨著入射離子電荷態(tài)(勢能)的增加而增加.

圖4 動能為600 keV的129Xe25+(a)，129Xe26+(b)和129Xe27+(c)入射Mo表面激發(fā)的X射線譜

利用(1)式和圖4的數(shù)值，計算出動能為600 keV、電荷態(tài)不同的Mo單離子X射線相對產(chǎn)額，并繪出動能為600 keV的不同的高電荷態(tài)離子129Xe25+，129Xe26+和129Xe27+入射Mo表面激發(fā)的X射線相對產(chǎn)額與入射離子電荷態(tài)的關(guān)系如圖5所示，誤差為3%.從圖5可以看出，對于同一動能的高電荷態(tài)Xe離子，X射線相對產(chǎn)額隨著入射離子電荷態(tài)(勢能)的增加而增加.

我們可以從入射離子與靶原子的電子間的相互作用過程來理解圖1到圖5的實驗結(jié)果.

圖5 動能相同(600 keV)電荷態(tài)不同的離子與單離子X射線相對產(chǎn)額的關(guān)系

攜帶大量勢能的低速高電荷態(tài)離子在入射金屬表面過程中，當離子運動至臨界距離Rc［6］，

W為金屬的脫出功;q為入射離子的電荷態(tài).離子與金屬導(dǎo)帶間形成的勢壘低于金屬的費米面時，金屬導(dǎo)帶電子共振轉(zhuǎn)移到入射離子與導(dǎo)帶匹配的能級，使入射離子中性化，釋放其具有的勢能在金屬靶表面，使靶原子激發(fā)和電離.另一方面，高電荷態(tài)離子入射到金屬表面，金屬表面對離子產(chǎn)生鏡像加速，引起離子能量增益ΔE［7］，即

增益的能量也沉積在靶表面，加強了靶原子的激發(fā)和電離.由于入射離子與金屬表面這種瞬時(飛秒量級)強庫侖相互作用釋放的勢能(Xe25+，856 eV; Xe26+，1493 eV;Xe27+，1570 eV)，加上離子本身的動能，足以使Mo原子L殼層的電子電離，(電離L殼層的一個2p電子，大約需要4.25 keV能量)形成空穴，M殼層的電子填充L殼層空穴，輻射Lα1特征X射線.根據(jù)電子偶極躍遷的選擇定則據(jù)文獻［8］可知，我們測量的Mo的Lα1特征X射線，是3d5/2→2p3/2即MⅤ→LⅢ的躍遷.

3.3. Mo原子M能級壽命估算

Mo-Lα1特征X射線是能級M的電子退激到L能級輻射的，由Heisenberg不定關(guān)系(uncertainty relation)

將圖3和圖4的不同離子激發(fā)X射線譜的半高寬(keV)及根據(jù)(5)式估算的Mo原子M能級壽命(s)如表1所示，由表1估算出Mo原子M能級壽命τ約為1.41×10－18s，這種估算方法對能級壽命的結(jié)果有直接影響.因為低速高電荷態(tài)離子和固體表面相互作用是強庫侖場作用下的超快非線性過程(飛秒量級)，能量的沉積引起的晶格振動以及強庫侖場的作用使得表面靶原子所在位置的電場對稱性被破壞，引起靶原子能級展寬且隨著入射離子的能量的增加而增加，致使發(fā)射譜線均勻增寬［8］.

表1 不同離子激發(fā)X射線譜的半高寬和能級壽命

4. 結(jié)論

我們觀測和分析了利用蘭州重離子加速器國家實驗室ECR源提供的高電荷態(tài)129Xeq+(q=25，26，27)離子與Mo表面作用產(chǎn)生的X射線發(fā)射，實驗結(jié)果表明，在束流強度小于120 nA條件下，高電荷態(tài)離子129Xeq+可以激發(fā)Mo的L殼層特征X射線譜，單離子X射線相對產(chǎn)額可達10－8量級，在電荷態(tài)一定的條件下，X射線相對產(chǎn)額隨著入射離子動能的增加而增加.對于同一動能的Xe離子，X射線相對產(chǎn)額隨著入射離子電荷態(tài)(勢能)的增加而增加.并通過Mo原子Lα1的特征X射線譜，利用Heisenberg不確定關(guān)系對Mo原子的第M能級壽命進行了估算.

［1］Winter H P，Aumayr F 1999 J.Phys.B:At.Mol.Opt.Phys. 32 R39

［2］Schenkel T，Hamza AV，Barnes AV，Schneider D H，Banks J C，Doyle B L 1998 Phys.Rev.Lett.81 2590

［3］Dong C Z，F(xiàn)u Y B 2006 Acta Phys.Sin.55 0107(in Chinese)［董晨鐘、符彥飆2006物理學(xué)報55 0107］

［4］Zhang X A，Zhao Y T，Li F L，Yang Z H，Xiao G Q，Zhan W L 2004 Science in China G 34 414(in Chinese)［張小安、趙永濤、李福利、楊治虎、肖國青、詹文龍2004中國科學(xué)(G輯) 34 414］

［5］Yang Z H，Song Z Y，Chen X M，Zhang X A，Zhang Y P，Zhao Y T，Cui Y，Zhang H Q，Xu X，Shao J X，Yu D Y，Cai X H 2006 Acta Phys.Sin.55 2221(in Chinese)［楊治虎、宋張勇、陳熙萌、張小安、張艷萍、趙永濤、崔瑩、張紅強、徐徐、邵建雄、于得洋、蔡曉紅2006物理學(xué)報55 2221］

［7］Yang Z H，Song Z Y，Cui Y，Zhang H Q，Ruan F F，Shao J X，Du J，Liu Y W，Zhu K X，Zhang X A，Shao C J，Lu R C，Yu D Y，Chen X M，Cai X H2008 Acta Phys.Sin.57 803(in Chinese)［楊治虎、宋張勇、崔瑩、張紅強、阮芳芳、邵健雄、杜娟、劉玉文、朱可欣、張小安、邵曹杰、盧榮春、于得洋、陳熙萌、蔡曉紅2008物理學(xué)報57 803］

［8］Xu K Z 1998 Advanced Physics of Atom and Molecule(Beijing: Science Press)p160(in Chinese)［徐克尊1998高等原子分子物理學(xué)(北京:科學(xué)出版社)第160頁］

PACC:3450D，3220R，3270J

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.10574132)and the Natural Science Foundation of Shaanxi Province(Grant Nos.2007A05，2010JM1012)and the Scientific Research Foundation of Xianyang Normal College(Grant No.09XSYK106).

?E-mail:liangchanghui73@yahoo.cn

X-ray spectrum emitted by the impact of129Xeq+on Mo surface*

Liang Chang-Hui1)?Zhang Xiao-An2)Li Yao-Zong1)Zhao Yong-Tao2)Xiao Guo-Qing2)
1)(Department of Physics，Xianyang Normal College，Xianyang712000，China)
2)(Institute of Modern Physics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou730000，China)
(Received 1 January 2009;revised manuscript received 7 November 2009)

We studied the characteristic X-ray spectra produced by the interaction of highly charged ions of129Xeq+(q=25，26，27)with surface of metallic Mo.The experimental result shows that highly charged ions can excite the characteristic X-ray spectra of L-shell of Mo when the beam’s intensity is not more than 120 nA.The X-ray yield of single ion reaches a quantitative level of 10－8and increases with the increment of the ion’s kinetic energy and ionic charge(potential energy). By measuring the X-ray spectra of Mo-Lα1，the M-level lifetime of Mo atom is estimated by using Heisenberg uncertainty relation.

highly charged ions，X-ray，yield，level lifetime

book=585,ebook=585

*國家自然科學(xué)基金(批準號:10574132)和陜西省自然科學(xué)基金(批準號:2007A05，2010JM1012)和咸陽師范學(xué)院科研基金(批準號: 09XSYK106)資助的課題.

?E-mail:liangchanghui73@yahoo.cn