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1、兰州大学 博士学位论文 离子-表面相互作用过程x射线产生机制的研究 姓名：杜娟 申请学位级别：博士 专业：物理学 粒子物理与原子核物理 指导教师：陈熙萌;徐进章 20080501 摘要 本工作采用能量为1 9 0 k e V - 4 5 0 k e V 的不同价态的A q + ( q = 1 5 1 8 ) 离子轰击原 子序数Z = 4 7 9 的金属靶，对心离子的X 射线发射机制进行研究。文中依次对时1 7 + 离子，甜1 6 + 离子，心1 8 + 离子和心1 5 + 离子进行了分析。主要的实验工作及结论如下： 对A r l 7 + 离子的K 壳层X 射线分支比进行分析，研究了K B 1
2、0 分支比随电荷态与 能量的变化规律以及和K B 射线的平均能量。在级联跃迁模型的框架下从理论上 分析了实验结果，得到心1 7 + 离子退激发过程中各壳层电子跃迁信息。 对于实验中观测到的心1 6 + 离子的K 壳层X 射线。本文认为心1 6 + 离子的K 壳层 空穴产生是内部多电子激发造成的，并计算了在本实验条件下多电子激发的几率。 通过对心1 6 + 离子与心1 7 + 离子X 射线发射强度的对比分析，从理论上解释了二 者强度有5 个量级差异的原因，证实了触m 离子发生多电子激发的可能性和处理问 题中采用级联跃迁模型的合理性。 对于心悸+ 离子的X 射线发射强度的研究，我们得到了K 壳层的
3、空穴数对X 射 线发射的影响规律。 文章最后对心1 5 + 离子未能观测到K 壳层X 射线的原因进行了简单分析，从各壳 层电子数随时间的演化关系出发，解释了未能观测到A r ”+ 离子发射K 壳层X 射线盼 原因。 A bs t r a c t T h eks h e l lX r a ye m i s s i o no f 时+ ( q = 1 5 ，16 ，17 ，18 ) i o n si sm e a s u r e di nt h i sw o r k T h e t a r g e t sa leB e ，A 1 ，N i ，M o ，A u , a n dt h ei n c i
4、 d e n te n e r g yr a n g e sf r o m19 0k eV t o4 5 0k eg T h em a i nr e s u l t sa n dt h e o r ye x p l a n a t i o na r ed i s c u s s e di nt h ef o l l o w i n g ： F o rA r l7 + i o n s ，t h eK 鹏a n de n e r g yo ft h ek K I sX r a yh a sb e e no b t a i n e db ya n a l y s i n g t h eX r a y
5、s p e c t r u m T h et h e o r e t i c a le x p l a n a t i o ni si nt h ef r a m e w o r ko f m u l t i s t e pc a s c a d e m o d e l Ks h e l lX r a ye m i s s i o no f A t m i o n si st h ek e yw o r ki nt h i sw o r k I ti sc o n s i d e r e dt h a tt h ek s h e l lv a c a n c yi sp r o d u c e
6、 db yt h ei n t e m a lm u l t i e l e c t r o ne x c i t a t i o n T h ed i f f e r e n c eo fX r a yi n t e n s i t yb e t w e e nt h eA r l 7 + i o n sa n dt h eA r l 6 + i o n si se x p l a i n e di n O u rm o d e T h ec o n s i s t e n c yo fe x p e r i m e n tr e s u l t sa n dt h e o r yc o n
7、 f i r mt h em u l t i - s t e p c a s c a d em o d e li ss u c c e s s f u l F o rA r l 8 + i o n s ，t h ei n t e n s i t yo ft h eks h e l lX r a yi sa b o u t2t i m e st ot h eA r l 7 + i o n s C o n s i d e r i n gt h eks h e l lv a c a n c y , w ec o n c l u d et h en u m b e ro fv a c a n c yi
8、 nks h e l li s i m p o r t a n tf o rt h ekX r a ye m i s s i o n I nt h ee n d ar e a s o n a b l ee x p l a n a t i o ni sg i v e nf o rt h a tt h eKS h e l lx r a ye m i s s i o no ft h e A r l 5 + i o n sC a nn o tb em e a s u r e d I I 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进 行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经
9、发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 社嘲 日期：捌年皇月2 舅日 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意 学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论 文被查阅舜口借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采
10、用任何复制手段保存和汇编本学位 论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文 或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。保密论文在解密后应遵守此 规定。 舣储签名：弘曲 日期：洲年右月2 9 日 导师签名： 日期：2 0 0 分q - 当月2 8 日 弟一章引言 第一章引言 1 1 原子分子物理学的发展现状 原子与分子物理学是研究原子分子结构、性质、相互作用、运动规律及其与周 围环境相互作用的一门科学。它的发展对物质科学的研究尤为重要。原子与分子物 理的不断深入研究，直接或间接导致了电子学和电子产业、光电子学和激光产业等 现代产业的诞生和发展。 目前国际上原子与分子物理学正处于发
11、展高峰时期。由于计算机、激光、同步 辐射、束技术和检测技术的发展为原子分子物理学的深入发展提供了有力的研究工 具。当今世界围绕着能源、材料、环境、信息、生命以及国家安全等方面的竞争目 趋激烈，需要大量新数据新概念新构思，而原子与分子物理学作为以上各项研究的 基础，其作用也日益突出。目前国际上主要的研究领域有以下几个方面：1 、离子、 原子、分子的囚禁、冷却、操控及在相关条件下的应用和些精密测量，如能级的 高精度测量、B E C 的实现及其应用、原子激光、离子阱频标技术和新方案等。2 、量 子计算、量子信息。实验室里相继在离子阱中的离子、光腔中的原子、核磁共振中 的核自旋等体系中演示了基本量子逻
12、辑门操作，推进了量子计算机的研究。量子力 学中的非局域性、态的纠缠等特性在量子信息的研究中得到进一步的应用。3 、极 端条件下的原子分子物理研究。主要包括在外加强电场、强磁场、强光场、高温、 高压等条件下的原子分子结构及其动力学行为的研究。4 、基于目前一些新环境下 的原子、分子与团簇的结构与碰撞动力学研究。如冷原子分子之间的碰撞，分子、 分子离子、团簇的结构与光谱，分子与电子的碰撞等。5 、高离化态原子的碰撞及 其与电子、光子等的相互作用。6 、与生命、化学、材料、信息等方面的交叉，进 行机理及其应用方面的研究。 国内开展了许多原子与分子物理学相关的研究工作，如：电子与原子分子散射 理论、磁
13、共振、多通道量子亏损理论、高精度计算及超精细结构研究、激光等离子 体理论研究等。最初原子与分子的研究大多数集中在理论方面，随着研究经验的积 王州史学博士论文 累和仪器设备的建立，科研工作者开始研究高离化态、内壳层电子激发态、原子频 标、原子分子在强电、磁场或强激光场中的行为、原子分子的电离解离和有关光谱 实验、囚禁离子特性和光谱、原子分子团簇、原子分子与固体表面碰撞以及聚变等 离子体等方面的研究。同时还积极开展与其他研究领域的交叉。主要有包括国家重 点实验室和部门开放实验室在内的5 0 多个研究团体。拥有了一些重要的实验设备， 如各类激光器及光谱探测设备、计算机服务器、核磁共振波谱仪、质谱仪、
14、离子阱、 交叉束装置、电子能谱仪、低能加速器等，同时E B I T 、同步辐射和重离子加速器的 建成为原子分子物理学研究提供了有效的新手段【1 1 。 今后原子与分子物理研究的发展方向：l 、原子分子高分辨激发态结构和动力学 过程的实验研究；2 、原子分子团簇结构及碰撞动力学；3 、特殊外界条件下( 包括： 温度、压强、电磁场等) 的原子分子结构状态和动力学过程的研究；4 、极端状态下 ( 冷原子、离子、分子，高离化态) 原子分子的物理及其应用研究；5 、原子分子领 域的新技术和新设备的研制。6 、与生物交叉：在单分子水平上研究大分子体系，复 杂体系、生命体系的结构及相互作用，研究药物与细胞、
15、抗原与抗体等的相互作用 等。7 、与信息交叉：如在量子频标，量子计算、量子信息等方面的研究。8 、与材 料交叉：借助当前计算能力的大大提高，从原子与分子层次上设计新的材料，研究 材料的特性，如强关联系统；实验上采取自下而上的制备技术制各纳米材料等。9 、 与化学交叉：研究化学反应过程中态一态反应动力学。 1 2 低速高电荷态离子与表面相互作用的研究背景及意义 高电荷态离子的研究正是原子分子物理前沿课题的一个重要分支。我们在此主 要关注的是低速的高电荷态离子( S H C I ) 。随着实验技术的不断发展，实验条件的不 断进步，低速高电荷态离子与表面相互作用的研究越来越为人们所关注【2 1 。
16、低速是指入射离子的速度小于B o h r 速度( V B 0 h r _ 2 1 9 x 1 0 6 m s ) ，因此在其与金属 表面作用过程中，所涉及到的电子的运动速度要远快于入射离子原子核的速度，并 且入射离子会在与表面相距一定距离的时候就已经与表面相互作用并且可以达到电 荷态的“平衡”。并且由于电荷态较高( 一般称得上高电荷态的离子是指电荷剥离度 第一章引言 大于6 的离子【2 】) ，入射离子具有很大的势能( 低速高电荷态离子的势能是指离子电 离能的总合，例如，X e 5 4 + 离子所携带的势能是将X e 原子核外5 4 个电子全部电离所 需要的总能量，约为2 0 2 眈矿) ，当它与金属表面相互作用时，其势能沉积于金属表面 造成的效果要比动能沉积要显著得多，会在f s 时间内将几十到几百k e V 的势能沉积 在靶表面n l T l 尺度范围，能流功率密度可达1 0 1 4 W c m 2 ，这一特点会引起金属表面什 么样的回应以及如何利用金属表面的这种反应，是我们近些年在这一领域研究的关 键问
