129Xeq+激发Mo表面产生的X射线谱*

梁昌慧张小安李耀宗赵永涛肖国青

1)(咸阳师范学院物理系，咸阳712000)

2)(中国科学院近代物理研究所，兰州730000)

(2009年1月1日收到;2009年11月7日收到修改稿)

129Xeq+激发Mo表面产生的X射线谱*

梁昌慧1)†张小安2)李耀宗1)赵永涛2)肖国青2)

1)(咸阳师范学院物理系，咸阳712000)

2)(中国科学院近代物理研究所，兰州730000)

(2009年1月1日收到;2009年11月7日收到修改稿)

研究了高电荷态离子129Xeq+(q=25，26，27)入射金属Mo表面产生的特征X射线谱.实验结果表明，在束流强度小于120 nA条件下，高电荷态离子129Xeq+可以激发Mo的L壳层特征X射线谱.单离子X射线相对产额可达10－8量级，特征X射线的相对产额随入射离子的动能和电荷态(势能)的增加而增加.通过Mo原子的Lα1特征X射线谱，利用Heisenberg不确定关系对Mo原子的第M能级寿命进行了估算.

高电荷态离子，X射线，产额，能级寿命

PACC:3450D，3220R，3270J

1. 引言

根据Bohr理论，原子的特征X射线是其内壳层电子被激发产生空穴，其他电子填充该空穴时发射的.目前，产生的主要途径有多种，利用X射线管中的快速阴极电子轰击靶材料发射特征X射线是主要途径之一，但其由单电荷态、高能(动能为MeV量级)的重离子轰击(如74W靶)产生的Kα-X射线的单离子相对产额也仅在10－14量级［1］.

经典过垒模型(classical over-barrier model，COBM)表明，低速高电荷态离子(速度小于Bohr速度vBohr=2.19×106m/s)在其逼近金属表面过程中，当运动到临界距离Rc时，入射离子与金属表面间的势垒高度低于费米面，金属导带的电子会共振电离或共振转移到入射离子的高激发态，形成空心原子.空心原子通过自电离、俄歇过程等方式退激，发射大量的电子和特征X射线，并在fs时间内将几十到几百keV的能量沉积在固体表面nm空间尺度范围内，使入射离子和靶原子激发和离化.截止目前，对高电荷态离子的势能使靶原子激发的机理尚不清楚，因此，通过测量相互作用过程中空心原子发射的K，L和M的特征X射线，可以研究空心原子的运动规律和衰变过程，通过测量相互作用过程中靶原子发射的特征X射线，可以研究在高电荷态离子强场条件下电子转移、靶原子内壳层电子激发辐射的微观机理［2—4］.

本文报道在兰州重离子加速器国家实验室用低速高电荷态离子129Xeq+(q=25，26，27)轰击金属Mo表面，激发Mo原子的特征X射线谱，通过Mo原子的Lα1特征X射线谱，利用Heisenberg不确定关系对Mo原子的第M能级寿命进行了估算，发现由于入射离子的能量增加和库仑场的影响使得原子能级展宽，给能级寿命估算带来影响.

2. 实验装置和测量方法

图1是实验平台的示意图.高电荷态离子129Xeq+由兰州重离子加速器电子回旋共振离子源(the electron cyclotron resonance ion source，ECRIS)提供，束流在不同的电压下引出，利用90°偏转分析磁铁将确定电荷态的离子引入原子物理实验平台，然后经过四极透镜和光栏的聚焦准直，离子进入内部具有电磁屏蔽功能的超高真空(约10－5mPa)靶室，与样品表面相互作用.在本实验中，作用束流的束斑直径可控制在5mm范围内，束流强度为nA量级，离子以45°方向斜入射于经过表面净化处理的化学纯度为99.9%的Mo固体表面，其表面积为19mm×24mm，厚度为0.1mm.入射离子与固体表面相互作用所产生的X射线谱利用Si(Li)探测器进行观测.实验前利用标准的放射源241Am和55Fe对探测器进行了刻度，其能量探测范围为1—60 keV，当X射线能量为5.89 keV时，能量分辨为0.16 keV，相对探测效率为93%.本实验中，探测器与入射束流方向成45°角，与靶表面垂直;探测口是厚度为0.05mm的Be窗.当X射线能量为3 keV时，该Be窗的透射率约为83%.探测器口径为10mm，距离靶点80mm，探测时间选为5400 s.

图1 兰州重离子加速器国家实验室ECR源原子物理实验平台示意图

3. 实验结果与讨论

3.1. 电荷态一定、动能不同的离子激发的X射线谱

图2(a)，(b)，(c)是动能分别为400，500，600 keV的Xe27+与Mo表面相互作用产生的X射线谱，经GaussAmp拟合(拟合函数为A为曲线的峰计数，顶点的坐标为(xc，y0+A);w为曲线宽度)后的两个峰位分别为1.59 keV左右和2.32413 keV，其中峰位为2.32413 keV的为Mo的Lα1特征X射线(对于X射线谱的识别，以美国国家标准技术局光谱数据库(NIST Atomic Spectra Database)的数据为依据).而NIST Atomic Spectra Database公布的Mo的Lα1特征X射线是2.29316 keV，测量的结果与此相比略大，可能是Si(Li)探测器分辨率不高所致，但测量误差仅为1.35%，证明实验值与理论值符合较好.

图2(a)背景辐射较大，X射线峰计数为72; (b)背景辐射相对被抑制，峰计数为352;(c)峰计数增大到831，Mo-Lα1特征X射线明显.从图2可以明显看出，Mo-Lα1特征X射线幅度随着入射离子的动能的增加而增加.

根据本次实验条件和测量条件，并假定X射线发射是各向同性的，可以给出Xeq+作用于Mo表面的单离子X射线相对产额［5］

其中，C为总计数，N为总粒子数，q是入射离子的电荷态，Γ=2wGaussAmp转换系数，是半高宽(单位:keV)，A是峰计数，Ibeam是用靶电流强度表示的束流强度(单位是nA).利用(1)式，可以计算出单离子X射线相对产额，动能为350 keV的129Xe27+离子，X射线相对产额为0.19×10－8;动能为600 keV的129Xe27+离子，X射线相对产额为5.05 ×10－8.图3给出不同动能的(350—600 keV)高电荷态离子129Xe27+离子入射Mo表面激发的X射线相对产额与入射离子的动能关系图，误差为5%.从图3可以明显看出，X射线相对产额随着入射离子的动能的增加而增加，这是因为在相互作用过程中，随着入射离子动能的增加，入射离子激发靶原子内壳层电子的概率增加，所以，X射线的相对产额增加.

图3 单离子X射线相对产额与入射离子(129Xe27+)动能的关系

3.2. 动能一定、电荷态不同的离子激发的X射线谱

图4(a)，(b)，(c)是动能为600 keV的高电荷态离子129Xe25+，129Xe26+和129Xe27+入射Mo表面激发的X射线谱.峰位都为2.32413 keV，其中(a)峰计数为367;(b)峰计数为484;(c)峰计数为831.从图4可以明显看出，Mo-Lα1特征X射线幅度随着入射离子电荷态(势能)的增加而增加.

图4 动能为600 keV的129Xe25+(a)，129Xe26+(b)和129Xe27+(c)入射Mo表面激发的X射线谱

利用(1)式和图4的数值，计算出动能为600 keV、电荷态不同的Mo单离子X射线相对产额，并绘出动能为600 keV的不同的高电荷态离子129Xe25+，129Xe26+和129Xe27+入射Mo表面激发的X射线相对产额与入射离子电荷态的关系如图5所示，误差为3%.从图5可以看出，对于同一动能的高电荷态Xe离子，X射线相对产额随着入射离子电荷态(势能)的增加而增加.

我们可以从入射离子与靶原子的电子间的相互作用过程来理解图1到图5的实验结果.

图5 动能相同(600 keV)电荷态不同的离子与单离子X射线相对产额的关系

携带大量势能的低速高电荷态离子在入射金属表面过程中，当离子运动至临界距离Rc［6］，

W为金属的脱出功;q为入射离子的电荷态.离子与金属导带间形成的势垒低于金属的费米面时，金属导带电子共振转移到入射离子与导带匹配的能级，使入射离子中性化，释放其具有的势能在金属靶表面，使靶原子激发和电离.另一方面，高电荷态离子入射到金属表面，金属表面对离子产生镜像加速，引起离子能量增益ΔE［7］，即

增益的能量也沉积在靶表面，加强了靶原子的激发和电离.由于入射离子与金属表面这种瞬时(飞秒量级)强库仑相互作用释放的势能(Xe25+，856 eV; Xe26+，1493 eV;Xe27+，1570 eV)，加上离子本身的动能，足以使Mo原子L壳层的电子电离，(电离L壳层的一个2p电子，大约需要4.25 keV能量)形成空穴，M壳层的电子填充L壳层空穴，辐射Lα1特征X射线.根据电子偶极跃迁的选择定则据文献［8］可知，我们测量的Mo的Lα1特征X射线，是3d5/2→2p3/2即MⅤ→LⅢ的跃迁.

3.3. Mo原子M能级寿命估算

Mo-Lα1特征X射线是能级M的电子退激到L能级辐射的，由Heisenberg不定关系(uncertainty relation)

将图3和图4的不同离子激发X射线谱的半高宽(keV)及根据(5)式估算的Mo原子M能级寿命(s)如表1所示，由表1估算出Mo原子M能级寿命τ约为1.41×10－18s，这种估算方法对能级寿命的结果有直接影响.因为低速高电荷态离子和固体表面相互作用是强库仑场作用下的超快非线性过程(飞秒量级)，能量的沉积引起的晶格振动以及强库仑场的作用使得表面靶原子所在位置的电场对称性被破坏，引起靶原子能级展宽且随着入射离子的能量的增加而增加，致使发射谱线均匀增宽［8］.

表1 不同离子激发X射线谱的半高宽和能级寿命

4. 结论

我们观测和分析了利用兰州重离子加速器国家实验室ECR源提供的高电荷态129Xeq+(q=25，26，27)离子与Mo表面作用产生的X射线发射，实验结果表明，在束流强度小于120 nA条件下，高电荷态离子129Xeq+可以激发Mo的L壳层特征X射线谱，单离子X射线相对产额可达10－8量级，在电荷态一定的条件下，X射线相对产额随着入射离子动能的增加而增加.对于同一动能的Xe离子，X射线相对产额随着入射离子电荷态(势能)的增加而增加.并通过Mo原子Lα1的特征X射线谱，利用Heisenberg不确定关系对Mo原子的第M能级寿命进行了估算.

［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，Fu Y B 2006 Acta Phys.Sin.55 0107(in Chinese)［董晨钟、符彦飙2006物理学报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)［张小安、赵永涛、李福利、杨治虎、肖国青、詹文龙2004中国科学(G辑) 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)［杨治虎、宋张勇、陈熙萌、张小安、张艳萍、赵永涛、崔莹、张红强、徐徐、邵建雄、于得洋、蔡晓红2006物理学报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)［杨治虎、宋张勇、崔莹、张红强、阮芳芳、邵健雄、杜娟、刘玉文、朱可欣、张小安、邵曹杰、卢荣春、于得洋、陈熙萌、蔡晓红2008物理学报57 803］

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

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

*国家自然科学基金(批准号:10574132)和陕西省自然科学基金(批准号:2007A05，2010JM1012)和咸阳师范学院科研基金(批准号: 09XSYK106)资助的课题.

†E-mail:liangchanghui73@yahoo.cn