低能高電荷態Oq+離子與Al表面作用產生的X射線*

張秉章 宋張勇 劉璇 錢程 方興 邵曹杰 王偉 劉俊亮 徐俊奎 馮勇 朱志超 郭艷玲 陳林 孫良亭 楊治虎 于得洋

1) (中國科學院近代物理研究所,蘭州 730000)

2) (南華大學核科學技術學院,衡陽 421001)

3) (蘭州大學核科學與技術學院,蘭州 730000)

4) (中國科學院大學核科學與技術學院,北京 100049)

報道了1.5—20 keV/q 的高電荷態 O q+ (q=3—7)離子與Al 表面相互作用發射的O 原子的特征X 射線譜.分析表明,對于 O q+ (q=3—6)離子入射時發射的X 射線,是由于離子進入表面后與Al 原子發生緊密碰撞導致的;而 O 7+ 離子入射時的X 射線,主要來自于“空心原子”的衰變.在動能相等的條件下,存在K 殼層空穴的 O 7+ 離子的X 射線產額相較于 O q+ (q =3—6)離子高一個數量級,不存在K 殼層空穴的 O 6+ 離子的X 射線產額也要高于 O 3+,O 5+ 離子.總體來說,X 射線產額以及電離截面與入射離子的初始電子組態有關,且隨離子入射動能的增加而增加.根據半經典兩體碰撞模型,本文估算了入射離子與靶原子相互作用時分別產生O 和Al 的 Kα -X 射線的動能閾值.對于入射動能低于動能閾值且電子組態為 1 s2 的 O 6+ 離子與樣品表面相互作用,可能存在多電子激發使 O 6+ 離子產生K 殼層空穴.

1 引言

離子與固體表面相互作用的研究要追溯至20 世紀50 年代,但由于早期技術的原因,涉及高電荷態離子的碰撞研究主要是在相對較高的動能和較低的離子電荷態下進行的.在這種情況下,雖然產生的效應由動能和勢能共同作用,但通常以動能效應為主.Hagstrum[1]通過緩慢的單電荷和多電荷離子轟擊潔凈的金屬表面發現了Auger 電子發射.在之后的20 年里,Hagstrum 和Becker[2]首次發現亞穩態的 H e+(2s)入射Ni 表面存在自電離過程.Arifov 預測了離子與固體表面相互作用會使多個表面電子通過勢壘共振(“隧穿”)進入離子的高激發態,并產生一個壽命較短的多重激發原子.Donets[3,4]證實了離子與金屬表面相互作用除了產生電子,也會產生X 射線.直到20 世紀90 年代,Briand 等[5]以及Winter 和Aumayr[6]根據 Ar17+離子轟擊Au 表面產生的特征X 射線,首次提出了“空心原子”的概念.Burgd?rfer等[7]建立了適用于離子與表面相互作用的經典過壘模型.自此,確定了高電荷態離子與表面相互作用中電子躍遷及退激的方式,建立了大家普遍接受的物理圖像:高電荷態離子轟擊固體表面,在到達臨界距離時,入射離子與金屬表面間的勢壘高度低于費米面,金屬導帶中的大量電子會被共振俘獲到離子的里德伯態,形成空心原子.空心原子的內殼層基本保持為空穴,電子大部分處于高里德伯態,通過自電離,Auger發射電子以及X 射線進行退激[8].隨著離子源技術的發展,現在可以產生勢能遠超過其動能的離子,慢速高電荷態離子的研究在近20 年來得到了廣泛的關注并取得了飛速的進展[9,10].美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的Schuch 等[11]和Machicoane等[12]先后利用 Uq+,X eq+,H oq+和 T hq+離子分別入射金屬表面,發現了離子俘獲電子后存在內殼雙電子激發過程.蘭州大學的張紅強等[13,14]研究了低能量范圍內 X eq+(q=25—30)離子轟擊Mo 靶產生Mo 的L 殼X 射線,實驗給出了 X eq+離子入射Mo 激發其L 殼層電子電離的動能閾值.中國科學院近代物理研究所的張小安等[15?18]在低速高電荷態 A rq+(q=7—18)離子與Au,Zr 等金屬靶相互作用的實驗中發現可能存在多電子激發過程,且產生的X 射線產額與入射 A rq+(q=16—18)離子最初的電子組態有關.這些研究都進一步完善了高電荷態離子接近表面以及進入固體中離子中性化過程的動力學機理.

慢速高電荷態離子與固體表面相互作用是一個非常復雜的多體過程.通常來說,慢速是指入射離子的速度低于1 a.u.(2.16×1 06m/s).當入射離子以如此“慢”的速度接近固體表面時,離子的勢能會在短時間內(通常小于100 fs)沉積在靶表面一個 n m2區域內,使靶原子激發和電離[19],發射電子和X 射線.這個勢能等于產生這個離子所失去的所有電子的結合能之和[20].高電荷離子勢能的集中沉積導致表面特征的改變可以作為固體表面非線性特征信息的探針,廣泛運用于材料微結構分析、材料改性等方面[21].高電荷離子產生的強庫侖電場會誘導固體微結構發生變化,產生高密度的信息儲存介質,為信息存儲領域提供新思路[22].此外,研究高電荷離子與表面相互作用產生的X 射線在天體物理以及等離子體診斷等領域發揮著重要作用.太陽風以及熱核聚變實驗中存在大量高電荷態離子,這些高電荷態離子與表面相互作用產生的X 射線可以為宇宙X 射線的產生提供重要依據,也可以成為診斷等離子體參數的重要手段.

本文報道了利用中國科學院近代物理研究所的電子回旋共振離子源(electron cyclotron resonance ion resource,ECRIS)提供不同能量高電荷態 Oq+(q=3—7)離子轟擊Al 靶產生X 射線的實驗結果.相較于其他的低速高電荷態離子實驗,本文使用的 Oq+離子的最大勢能僅為526 eV,可以用來研究慢速低勢能狀態下離子與表面相互作用的動力學過程.根據半經典兩體碰撞理論[23,24],分別估算了碰撞激發入射離子(O)以及靶原子(Al)的K 殼層電離的最小動能.基于對實驗現象的分析,給出了入射離子激發內殼層電子的實驗動能閾值.結合 X e26+,U62+等離子沒有M 殼層空穴卻產生 Mα-X 射線的機理,對低于動能閾值且沒有K 殼層空穴的 O6+離子產生的 Kα-X 射線進行分析,對比兩者的差異,得出前者是由于內部雙電子激發產生,而后者可能是因為多電子激發.

2 實驗裝置

本實驗在中國科學院近代物理研究所的ECRIS 上實施,實驗裝置示意圖如圖1 所示.首先,離子源體加高壓引出混合束流,經過校正、聚焦后,利用 9 0?偏轉分析磁鐵將實驗所需電荷態的離子引出.然后,經束流輪廓系統、束流密度計、電透鏡、光欄后,最終進入超高真空靶室(約為 1.5×10?8mbar (1 bar=105Pa)) 與Al 靶發生相互作用.實驗中,束流以 4 5?方向入射于經表面凈化處理、化學純度為99.99%的Al,束斑在靶上的直徑控制在2 mm以內,束流強度為nA 量級.探測器探頭對準靶表面中心位置,距離靶140 mm.實驗產生的X 射線利用AMPTEK 公司的FAST SDD 超高性能硅漂移探測器進行探測,探測器的有效面積為 2 5 mm2,對于5.9 keV 的X 射線,該探測器的能量分辨約為135 eV.

圖1 高電荷態離子與表面相互作用實驗裝置示意圖.實驗所需束流經偏轉分析磁鐵引出,通過束流輪廓系統、束流密度計、電透鏡、光欄后,最終進入超高真空靶室Fig.1.Experimental diagram for interaction between highly charged ions and surfaces.The beam required for the experiment is led out by the deflection analysis magnet,passes through the beam profile system,the beam-current density meter,the electric lens,and the jaw slit,finally enters the ultra-high vacuum target chamber.

高電荷態離子與固體表面相互作用的實驗,不僅要測量X 射線能譜,還需要精確地測量X 射線的產額.X 射線產額的精確測量,取決于能否精確測量束流強度.以往的X 射線產額測量實驗,是通過測量靶電流獲得束流強度,導致計算出的X 射線產額不準確.因為高電荷態離子與固體作用涉及到二次電子發射,實際測量的靶電流是初始束流強度與二次電子引起的強度之和.在本實驗中,設計了一個能夠精確測量束流強度到0.1 nA 量級的束流密度計.通過測量束流密度計上的電流而非靶電流,避免了二次電子的影響,從而獲得更加精確的X 射線產額.

3 實驗結果與討論

3.1 O q+ (q =3—7)離子入射Al 表面產生的X 射線譜

圖2(a)—圖2(c)分別為5—20 keV/q的 O3+,O5+以 及1.5—20 keV/q的 O6+入射Al 表 面產生的X 射線譜.如圖2 所示,觀察到了2 個明顯的X 射線峰,峰位分別在280 和520 eV 左右,對比美國勞倫斯伯克利國家實驗室發表的X 射線數據手冊[25](標準值已標注在圖2 中),確定實驗測量到的X 射線峰分別為C 和O 的K 殼X 射線.實驗中觀察到C 原子的Kα-X 射線可能是由于一部分入射離子掃在了固定樣品的靶架上,其主要材質為304 不銹鋼.而對于O 原子的Kα-X 射線,根據原子結構理論,Oq+(q=3,5,6)離子均不存在K 殼層空穴,俘獲的電子退激只能填充有空穴的L 殼層,似乎并不會產生Kα-X 射線.基于入射離子與表面相互作用發射X 射線的相關研究[26,27],我們初步斷定為 Oq+(q=3,5,6)離子與Al 表面相互作用存在碰撞電離,使其K 殼層電子激發產生空穴,級聯退激發射O 的Kα-X 射線.

圖2 不同能量的 O q+ (q=3,5,6)離子入射Al 表面產生的X 射線譜 (a) 5—20 keV/q 的 O 3+ 離 子;(b) 5—20 keV/q 的 O 5+ 離子;(c) 1.5—20 keV/q 的 O 6+ 離子.箭頭位置分別標示了C,O,Al 的K 殼X 射線峰的標準值Fig.2.X-ray spectra induced by O q+ (q=3,5,6) ions impact on aluminum surfaces with varied energy:(a) O3+ions with incident energy of 5–20 keV/q;(b) O 5+ ions with incident energy of 5–20 keV/q;(c) O 6+ ions with incident energy of 1.5–20 keV/q.The arrow indicates the standard K-shell X-ray peak position of carbon,oxygen and aluminum,respectively.

圖3 為1.5—20 keV/q的 O7+離子入射Al 表面產生的X 射線譜.相較于圖2 可以明顯地看到:在引出電壓相同的情況下,O7+離子的X 射線強度相較于 Oq+(q=3,5,6)離子大了一個數量級.這主要是因為 O7+離子的電子組態為1s,本身存在K 殼層空穴,在其中性化過程中俘獲電子形成空心原子,俘獲的電子可以直接退激填充K 殼層空穴發射X 射線,而 Oq+(q=3,5,6)離子則需要先通過碰撞電離的方式產生K 殼層空穴,再退激輻射X 射線,以至于 O7+離子的X 射線強度遠大于 Oq+(q=3,5,6)離子.

圖3 1.5—20 keV/q 的 O 7+ 離子入 射Al 表面產生的X 射線譜.箭頭位置分別標示了C,O,Al 的K 殼X 射線峰的標準值Fig.3.X-ray spectra generated by O 7+ ions impact on aluminum surfaces with the energy ranging from 1.5–20 keV/q.The arrow indicates the Standard K-shell X-ray peak position of carbon,oxygen and aluminum,respectively.

3.2 O q+ (q=3,5,6)離子入射Al 表面輻射X 射線的機理

入射離子與靶原子碰撞激發內殼層電子需要滿足離子動能高于一個特定的動能閾值.根據張小安和梁昌慧等[26,27]計算入射離子動能閾值的方法,可計算本實驗入射 Oq+(q=3,5,6)離子產生K殼X 射線的最小動能.假定入射離子與靶原子發生正碰,根據能量與動量守恒,則

其中,是兩體碰撞過程中相互作用的最小平均距離,Z1和M1是入射離子的核電荷數和質量,Z2和M2是靶原子的核電荷數和質量,V0是入射離子的初速度,V是入射離子和靶原子碰撞后的共同速度,e是元電荷,ε0是真空介電常數.

在最小平均距離處,入射離子與靶原子之間的庫侖勢能大于等于入射離子內殼層電子的束縛能,入射離子內殼層電子才能被激發,此時滿足

同理,靶原子內殼層電子被激發,滿足

由(1)式—(4)式可得,Oq+(q=3,5,6)離子與Al 原子相互作用,激發O 和Al 的K 殼層電子的動能閾值分別為

其中,O 的K 殼層電子的束縛能(U1)為543.1 eV,Al 的K 殼層電子的束縛能(U2)為1559.6 eV,根據(5)式和(6)式可得E1≈7 keV,E2≈32 keV.

如果僅考慮入射離子與靶原子通過碰撞產生X 射線,且估算的動能閾值合理,那么實驗現象有兩處不符:1) O3+和 O5+離子的動能(5 keV/q)在大于理論閾值E1時并未觀測到O 的Kα-X 射線;2) Oq+(q=3,5,6)離子的動能在大于理論閾值E2時,也未觀察到Al 的Kα-X 射線.我們認為理論原因是計算的動能閾值是考慮入射離子與靶原子正碰,而實際發生正碰的概率極低,所以實際需要滿足的動能閾值要遠大于理論閾值.根據實驗現象,Oq+(q=3,5,6)離子與Al 表面相互作用發射O 的Kα-X 射線的實驗閾值范圍為25—30 keV,發射Al 的Kα-X 射線的實驗閾值大于120 keV.然而,O6+離子的入射能量在小于實驗閾值時仍產生了O 的Kα-X 射線,我們猜測可能存在非碰撞電離的方式來激發內殼層電子,即前文提到的內殼雙電子激發[11,12].因此,假設X 射線是由于雙電子激發引起,即1s2n ? 的電子組態轉化為1s2 ? 2 ?′的雙激發態,該中間態輻射衰變成1s22 ?′,發射Kα-X 射線.但內殼雙電子激發需要滿足高n態的一些電子躍遷到L 殼層,其能量正好對應于K 殼層和L 殼層之間的躍遷能量.根據經典過壘理論,當O6+離子與Al 表面達到臨界距離[7]

(其中,q為離子的電荷態;W為Al 的功函數,取4.28 eV),開始俘獲金屬導帶電子進入高里德伯態

形成空心原子.在本實驗中,即使處于最高激發態的電子(主量子數nc=8)躍遷到L 殼層的能量也遠小于K 殼層與L 殼層之間的能量差.顯然,內殼雙電子激發理論不能夠解釋實驗中出現的Kα-X 射線.最終,我們認為可能存在多電子激發過程[17,18],即入射離子在中性化過程中將其動能和勢能轉移給Al 靶產生快速電子,多個快速電子共同作用使 O6+離子的K 殼層電子激發,處于L 殼層的電子填充K 殼層空穴產生Kα-X 射線.

3.3 X 射線產額及電離截面的計算

根據本次實驗的測量條件,假設X 射線發射是各向同性的,可以得到每一個入射粒子產生的X 射線產額[28]

其中,NX為實驗得到O 的K 殼X 射線峰計數,Np為入射粒子數,?為探測器探測X 射線的立體角(0.004 sr),ε為探測器的探測效率,本實驗使用的SDD 探測器對于O 的K 殼X 射線的本征效率約為0.294.K 殼X 射線產額隨入射 Oq+(q=3—7)離子能量的變化如圖4 所示.X 射線產額的誤差主要來源于束流強度的測量,最大約為50%.此外,X 射線計數約為5%,探測器探測效率約為3%,立體角約為2%.

圖4 1.5—20 keV/q 的 O q+ (q=3—7)離子入射Al 靶產生O 的K 殼X 射線產額Fig.4.Bombardment of the aluminium target by O q+ (q =3–7) ions with incident energy of 1.5–20 keV/q to produce K-shell X-ray yield of oxygen.

5—20 keV/q的Oq+(q=3,5,6)離子與Al表面相互作用,主要是通過碰撞電離產生K 殼層空穴,退激發射X 射線.由X 射線產額,可以計算產生K 殼X 射線的電離截面[26]

其中,N為靶原子密度,為O 的K 殼層的平均熒光產額[29],dE/dR為阻止本領,可以使用Srim 程序計算得到,μ為靶的自吸收系數,θ為離子的入射角,φ為探測器與靶法向方向的夾角.圖5 給出了O 的K 殼X 射線電離截面隨入射 Oq+(q=3,5,6)離子能量的變化.電離截面的誤差主要取決于dY(E)/dE,經過誤差傳遞后最大為61%.

圖5 5—20 keV/q 的 O q+ (q=3,5,6)離子入射Al 靶產生O 的K 殼電離截面Fig.5.K-shell ionization cross-section of oxygen induced by Oq+ (q=3,5,6) ions impact on the aluminium target in the energy range of 5–20 keV/q.

從圖4 和圖5 可以看到,X 射線產額和電離截面與離子電子組態有關,且隨離子入射動能的增加而增加,電子組態為1s 的 O7+離子的產額比 Oq+(q=3,5,6)離子高一個量級.對于不存在K 殼層空穴的 Oq+(q=3,5,6)離子,相同動能的 O6+離子產額也要高于 O3+,O5+離子.我們推測入射 Oq+(q=3,5,6)離子與Al 原子碰撞激發內殼層電子電離的過程中,Oq+(q=3,5,6)離子的L 殼層電子對于K 殼層電子具有一定的屏蔽作用,使碰撞電離更加困難,因此電離截面更小,X 射線產額更小.

4 結論

本文測量和分析了低能高電荷態 Oq+(q=3—7)離子與Al 表面相互作用產生的X 射線譜.實驗結果表明:存在K 殼層空穴的 O7+離子入射Al 表面產生X 射線,主要是由于“空心原子”的衰變;而對于不存在K 殼層空穴的 Oq+(q=3,5,6)離子,是由于其進入表面后與Al 原子發生緊密碰撞所致.在入射動能相同的情況下,O7+離子的X 射線產額相較于 Oq+(q=3—6)離子高一個數量級.當入射 Oq+(q=3,5,6) 離子的動能大于30 keV時,通過碰撞激發出O 的Kα-X 射線;X 射線產額和電離截面與離子電子組態有關,且隨離子入射動能的增加而增加.當入射 O6+離子的動能小于30 keV時,可能存在多電子激發使其產生K 殼層空穴,級聯退激產生X 射線.