Bragg峰能區Xe20+與不同靶作用產生的X射線*

梁昌慧 張小安? 周賢明3) 趙永濤 肖國青

1)(咸陽師范學院與中國科學院近代物理研究所聯合共建:離子束與光物理實驗室,咸陽 712000)

2)(中國科學院近代物理研究所,蘭州 730000)

3)(西安交通大學理學院,西安 710049)

依托蘭州重離子加速器國家實驗室320 kV高電荷態離子綜合研究平臺,測量了動能為6.0 MeV的Xe20+離子與V,Fe,Ni,Cu,Zn 靶表面作用產生的特征X射線譜,分析了能量為1.60 keV的X射線的產生機制,并利用經典過壘模型計算了Xe20+與不同靶作用時第一代空心原子在上表面的存在時間.結果表明:對于沒有初始M 空穴的Xe20+離子與不同靶相互作用時,實驗中沒有觀察到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,稱此線為Xe的Mαα X射線,認為其是由Xe 在靶的上表面的雙電子單光子過程產生的.

1 引 言

高電荷態離子(highly charged ion,HCI)進入介質沿著離子徑跡在單位路程上的能量損失曲線呈現布拉格(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的能損機制研究不僅在重離子醫學輻照治療、重離子驅動的高能量密度物理、慣性約束聚變等應用方面具有重要價值.而且,其與介質原子碰撞產生的內殼層過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峰能區帶電粒子的速度在玻爾速度(v0為 2.19 × 106m/s)附近,該能區離子與固體中原子碰撞產生的內殼層過程具有特殊的復雜性.對于小于玻爾速度的低速離子,攜帶動能不足以產生內殼層電離過程,其與固體作用的主要過程是從表面原子中俘獲電子的退激和中性化過程[8,9].對于快速重離子,內殼層過程主要以直接庫侖電離為主[10?12].而在Bragg峰能區,入射離子既有足夠的能量接近靶原子,還有足夠的時間保持原有電荷態記憶,與靶原子發生相互作用形成分子軌道,因此,Bragg峰能區的內殼層過程極為復雜,除了直接庫侖電離,還可能存在多電子關聯激發、準分子電子晉升等機制.

以往的相關研究主要集中在小于玻爾速度的低能區[13,14]和中高能區[15?17],而在布拉格峰能區,受到實驗條件的限制,相關的實驗研究較少,現有理論模型的實用性也有待驗證.在該能區,由于內殼層過程的復雜性,存在一些有趣且懸而未解的問題.本文研究動能為6.0 MeV、速度為1.36v0的重離子Xe20+與不同靶表面作用產生的中心能量為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.本文將對該譜線的發射機制進行進一步的分析.

2 實驗裝置和測量方法

本實驗是在中國科學院近代物理研究所320 kV高電荷態離子綜合研究平臺1 號實驗終端上完成的,實驗平臺示意圖如圖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)通過分析磁鐵在不同的電壓下引出,再經過加速管加速、聚焦、準直后進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 實驗平臺示意圖(1,ECR離子源;2,分析磁體;3,高壓加速平臺;4,四級光闌;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,硅漂移探測器;11,X射線獲取系統;12,穿透式法拉第圓筒;13,法拉第圓筒;14,離子數獲取系統)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生的X射線利用AMP TEK 公司研制的XR100 SDD 型硅漂移探測器進行探測.探測器的有效探測面積為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).當增益為100時,探測器的有效能量測量范圍為0.5—14.3 keV,探測效率如圖2 所示,可以有效地阻止次級電子發射對X射線譜的影響.探測器探頭對準靶室中心,離靶中心32.52 mm,并與靶表面成45°夾角,探測立體角為0.0066 sr.實驗前用55Fe 和241Am 放射源對探測器進行了標定.為避免二次電子發射的影響,聯合使用了穿透式法拉第筒和常規法拉第筒對入射離子計數進行了間接的測量[21].

圖2 探測器的探測效率圖Fig.2.Efficiency values of the detector.

3 實驗結果與討論

3.1 Xe20+與不同靶表面作用產生的特征X射線譜

入射離子數目歸一化后,6.0 MeV的Xe20+離子分別與V,Fe,Ni,Cu 和Zn 靶表面相互作用產生的特征X射線譜圖(對1.60 keV 譜線進行了高斯擬合)見圖3,通過和LBNL[22]提供的數據對比后可知:圖中能量為4.11 keV,4.42 keV,4.94 keV的譜線分別對應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 個圖中都出現了能量為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 動能為6.0 MeV的Xe20+離子與不同靶相互作用產生的特征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,對此線的解釋有兩種情況:一種情況認為是高里德伯態的退激,如文獻[2,18];另一種情況認為是雙電子單光子過程(two-electron-one-photon,TEOP),如文獻[19].

這里和以前的研究情況有兩點不同:一是入射離子能量不同;二是入射離子Xe20+的電子結構為[Ar]3d104s24p4,沒有初始M 空穴.對于炮彈不存在M 殼層的初始空穴,在碰撞過程中要發射此線,需要先產生M 空穴.而M 空穴可能是由上表面的高里德伯態原子退激過程中的內部雙電子激發產生的[23,24].

對應的M 空穴的輻射退激有兩種可能:一種是高里德伯態的退激,在這種情況下,由于級聯躍遷,測量的譜線能量應該有較大的寬度,比如:利用CROWN 程序計算得出[2],由高里德伯態30f—3d的躍遷能和4f—3d的躍遷能的差值為640 eV,而實驗中測量的譜線是對稱性較好的單峰,譜線的半高全寬約為190 eV,這主要來自于探測器的展寬,此值遠小于高里德伯態躍遷能的理論值,因此,可以排除這種機制.另外一種是雙電子單光子過程,即M 殼層的兩個空穴被外殼層的兩個電子同時填充,而只放出一個光子[25].所以,認為這里的1.60 keV X射線應該是Xe 在靶的上表面的TEOP過程產生的,稱此線為Xe的Mαα X射線.當然,這種猜想還需要進一步的實驗驗證.

3.2 Mαα X射線產額與靶原子序數的關系

根據本次實驗條件,考慮到X射線發射是各向同性的,以及離子在靶中的最大穿透深度遠小于靶的厚度和探測器定標后的道寬為0.00175 keV,可以給出單離子X射線的產額為[21]

其中,C為X射線總計數,N為總離子數,A為峰面積,Q為電量值,q為入射離子的電荷態,e為電子電量,Ω為探測器的立體角(本次實驗為0.0066 sr),η為探測器的探測效率(當X射線能量為1.60 keV 時,探測效率為0.697).利用(1)式,分別計算了離子與不同靶作用時,單離子Mαα X射線的產額,圖4 為Xe的Mαα X射線產額與靶原子序數的關系圖,誤差大約為6%,主要是由X射線的計數統計誤差(5%)及入射離子計數誤差(3%)所引起的.從圖4 可以看出,當Z從23—28,即從V—Ni,相對強度在減弱;但當Z從28—30,即從Ni—Zn,相對強度在增強.

圖4 Xe的Mαα X射線產額與靶原子序數的關系Fig.4.Relation between relative yield of Xe Mαα X ray and target atomic number.

如前所述,這里認為Mαα X射線是Xe 在靶的上表面的雙電子單光子過程形成的.既然Mαα X射線產生于靶的上表面,那么X射線強度應該與第一代空心原子在靶的上表面的存在時間,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間有關.

根據經典過壘模型[14],第一代空心原子在上表面的存在時間可表示為

其中M為入射離子的質量;Rc為炮彈開始捕獲金屬導帶電子并形成空心原子時的臨界距離,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,W為金屬的功函數.

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

表1 6.0 MeV的Xe20+離子與不同靶作用產生的第一代空心原子在上表面的存在時間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間,從V 到Ni 在減弱,但是從Ni 到Zn 在增強,和圖4 中Mαα X射線相對產額隨靶原子序數的變化規律一致,進一步證明了此射線是Xe 在靶的上表面的雙電子單光子過程形成的,不是下表面第二代空心原子的退激.但對比圖5 和圖4 發現,圖5 中V 和Zn的空心原子存在時間差不多,而圖4 中兩者的X射線產額相差較多,這是因為在Bragg峰能區附近的能量范圍內,X射線輻射會受到入射離子速度和彈靶組合等參數的影響,不同的彈靶組合,炮彈與靶原子之間的X射線輻射存在競爭現象.圖1(e)圖中能量為1.01 keV的Zn的Lα1,2特征X射線的峰計數大約為700,發射此X射線消耗了較多能量,使得相應的Mαα X射線產額較低.

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

4 結 論

本文觀測和分析了動能為6.0 MeV的Xe20+離子分別與V,Fe,Ni,Cu,Zn 靶表面作用產生的1.60 keV的特征X射線譜,通過和以前對此線的兩種解釋做了比較分析.結果表明:對于沒有初始空穴的Xe20+離子,在實驗中沒有觀察到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程產生的.并利用經典過壘模型計算了Xe20+與不同靶作用時第一代空心原子在上表面的存在時間,該存在時間和Mαα X射線產額隨靶原子序數的變化規律一致,進一步證明了此射線是Xe 在靶的上表面的雙電子單光子過程形成的.

感謝蘭州重離子加速器國家實驗室320 kV高電荷態離子綜合研究平臺的老師在實驗上提供的支持和幫助.