低能高电荷态Oq+离子与Al表面作用产生的X射线*

张秉章 宋张勇 刘璇 钱程 方兴 邵曹杰 王伟 刘俊亮 徐俊奎 冯勇 朱志超 郭艳玲 陈林 孙良亭 杨治虎 于得洋

1) (中国科学院近代物理研究所,兰州 730000)

2) (南华大学核科学技术学院,衡阳 421001)

3) (兰州大学核科学与技术学院,兰州 730000)

4) (中国科学院大学核科学与技术学院,北京 100049)

报道了1.5—20 keV/q 的高电荷态 O q+ (q=3—7)离子与Al 表面相互作用发射的O 原子的特征X 射线谱.分析表明,对于 O q+ (q=3—6)离子入射时发射的X 射线,是由于离子进入表面后与Al 原子发生紧密碰撞导致的;而 O 7+ 离子入射时的X 射线,主要来自于“空心原子”的衰变.在动能相等的条件下,存在K 壳层空穴的 O 7+ 离子的X 射线产额相较于 O q+ (q =3—6)离子高一个数量级,不存在K 壳层空穴的 O 6+ 离子的X 射线产额也要高于 O 3+,O 5+ 离子.总体来说,X 射线产额以及电离截面与入射离子的初始电子组态有关,且随离子入射动能的增加而增加.根据半经典两体碰撞模型,本文估算了入射离子与靶原子相互作用时分别产生O 和Al 的 Kα -X 射线的动能阈值.对于入射动能低于动能阈值且电子组态为 1 s2 的 O 6+ 离子与样品表面相互作用,可能存在多电子激发使 O 6+ 离子产生K 壳层空穴.

1 引言

离子与固体表面相互作用的研究要追溯至20 世纪50 年代,但由于早期技术的原因,涉及高电荷态离子的碰撞研究主要是在相对较高的动能和较低的离子电荷态下进行的.在这种情况下,虽然产生的效应由动能和势能共同作用,但通常以动能效应为主.Hagstrum[1]通过缓慢的单电荷和多电荷离子轰击洁净的金属表面发现了Auger 电子发射.在之后的20 年里,Hagstrum 和Becker[2]首次发现亚稳态的 H e+(2s)入射Ni 表面存在自电离过程.Arifov 预测了离子与固体表面相互作用会使多个表面电子通过势垒共振(“隧穿”)进入离子的高激发态,并产生一个寿命较短的多重激发原子.Donets[3,4]证实了离子与金属表面相互作用除了产生电子,也会产生X 射线.直到20 世纪90 年代,Briand 等[5]以及Winter 和Aumayr[6]根据 Ar17+离子轰击Au 表面产生的特征X 射线,首次提出了“空心原子”的概念.Burgdörfer等[7]建立了适用于离子与表面相互作用的经典过垒模型.自此,确定了高电荷态离子与表面相互作用中电子跃迁及退激的方式,建立了大家普遍接受的物理图像:高电荷态离子轰击固体表面,在到达临界距离时,入射离子与金属表面间的势垒高度低于费米面,金属导带中的大量电子会被共振俘获到离子的里德伯态,形成空心原子.空心原子的内壳层基本保持为空穴,电子大部分处于高里德伯态,通过自电离,Auger发射电子以及X 射线进行退激[8].随着离子源技术的发展,现在可以产生势能远超过其动能的离子,慢速高电荷态离子的研究在近20 年来得到了广泛的关注并取得了飞速的进展[9,10].美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Schuch 等[11]和Machicoane等[12]先后利用 Uq+,X eq+,H oq+和 T hq+离子分别入射金属表面,发现了离子俘获电子后存在内壳双电子激发过程.兰州大学的张红强等[13,14]研究了低能量范围内 X eq+(q=25—30)离子轰击Mo 靶产生Mo 的L 壳X 射线,实验给出了 X eq+离子入射Mo 激发其L 壳层电子电离的动能阈值.中国科学院近代物理研究所的张小安等[15−18]在低速高电荷态 A rq+(q=7—18)离子与Au,Zr 等金属靶相互作用的实验中发现可能存在多电子激发过程,且产生的X 射线产额与入射 A rq+(q=16—18)离子最初的电子组态有关.这些研究都进一步完善了高电荷态离子接近表面以及进入固体中离子中性化过程的动力学机理.

慢速高电荷态离子与固体表面相互作用是一个非常复杂的多体过程.通常来说,慢速是指入射离子的速度低于1 a.u.(2.16×1 06m/s).当入射离子以如此“慢”的速度接近固体表面时,离子的势能会在短时间内(通常小于100 fs)沉积在靶表面一个 n m2区域内,使靶原子激发和电离[19],发射电子和X 射线.这个势能等于产生这个离子所失去的所有电子的结合能之和[20].高电荷离子势能的集中沉积导致表面特征的改变可以作为固体表面非线性特征信息的探针,广泛运用于材料微结构分析、材料改性等方面[21].高电荷离子产生的强库仑电场会诱导固体微结构发生变化,产生高密度的信息储存介质,为信息存储领域提供新思路[22].此外,研究高电荷离子与表面相互作用产生的X 射线在天体物理以及等离子体诊断等领域发挥着重要作用.太阳风以及热核聚变实验中存在大量高电荷态离子,这些高电荷态离子与表面相互作用产生的X 射线可以为宇宙X 射线的产生提供重要依据,也可以成为诊断等离子体参数的重要手段.

本文报道了利用中国科学院近代物理研究所的电子回旋共振离子源(electron cyclotron resonance ion resource,ECRIS)提供不同能量高电荷态 Oq+(q=3—7)离子轰击Al 靶产生X 射线的实验结果.相较于其他的低速高电荷态离子实验,本文使用的 Oq+离子的最大势能仅为526 eV,可以用来研究慢速低势能状态下离子与表面相互作用的动力学过程.根据半经典两体碰撞理论[23,24],分别估算了碰撞激发入射离子(O)以及靶原子(Al)的K 壳层电离的最小动能.基于对实验现象的分析,给出了入射离子激发内壳层电子的实验动能阈值.结合 X e26+,U62+等离子没有M 壳层空穴却产生 Mα-X 射线的机理,对低于动能阈值且没有K 壳层空穴的 O6+离子产生的 Kα-X 射线进行分析,对比两者的差异,得出前者是由于内部双电子激发产生,而后者可能是因为多电子激发.

2 实验装置

本实验在中国科学院近代物理研究所的ECRIS 上实施,实验装置示意图如图1 所示.首先,离子源体加高压引出混合束流,经过校正、聚焦后,利用 9 0◦偏转分析磁铁将实验所需电荷态的离子引出.然后,经束流轮廓系统、束流密度计、电透镜、光栏后,最终进入超高真空靶室(约为 1.5×10−8mbar (1 bar=105Pa)) 与Al 靶发生相互作用.实验中,束流以 4 5◦方向入射于经表面净化处理、化学纯度为99.99%的Al,束斑在靶上的直径控制在2 mm以内,束流强度为nA 量级.探测器探头对准靶表面中心位置,距离靶140 mm.实验产生的X 射线利用AMPTEK 公司的FAST SDD 超高性能硅漂移探测器进行探测,探测器的有效面积为 2 5 mm2,对于5.9 keV 的X 射线,该探测器的能量分辨约为135 eV.

图1 高电荷态离子与表面相互作用实验装置示意图.实验所需束流经偏转分析磁铁引出,通过束流轮廓系统、束流密度计、电透镜、光栏后,最终进入超高真空靶室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.

高电荷态离子与固体表面相互作用的实验,不仅要测量X 射线能谱,还需要精确地测量X 射线的产额.X 射线产额的精确测量,取决于能否精确测量束流强度.以往的X 射线产额测量实验,是通过测量靶电流获得束流强度,导致计算出的X 射线产额不准确.因为高电荷态离子与固体作用涉及到二次电子发射,实际测量的靶电流是初始束流强度与二次电子引起的强度之和.在本实验中,设计了一个能够精确测量束流强度到0.1 nA 量级的束流密度计.通过测量束流密度计上的电流而非靶电流,避免了二次电子的影响,从而获得更加精确的X 射线产额.

3 实验结果与讨论

3.1 O q+ (q =3—7)离子入射Al 表面产生的X 射线谱

图2(a)—图2(c)分别为5—20 keV/q的 O3+,O5+以 及1.5—20 keV/q的 O6+入射Al 表 面产生的X 射线谱.如图2 所示,观察到了2 个明显的X 射线峰,峰位分别在280 和520 eV 左右,对比美国劳伦斯伯克利国家实验室发表的X 射线数据手册[25](标准值已标注在图2 中),确定实验测量到的X 射线峰分别为C 和O 的K 壳X 射线.实验中观察到C 原子的Kα-X 射线可能是由于一部分入射离子扫在了固定样品的靶架上,其主要材质为304 不锈钢.而对于O 原子的Kα-X 射线,根据原子结构理论,Oq+(q=3,5,6)离子均不存在K 壳层空穴,俘获的电子退激只能填充有空穴的L 壳层,似乎并不会产生Kα-X 射线.基于入射离子与表面相互作用发射X 射线的相关研究[26,27],我们初步断定为 Oq+(q=3,5,6)离子与Al 表面相互作用存在碰撞电离,使其K 壳层电子激发产生空穴,级联退激发射O 的Kα-X 射线.

图2 不同能量的 O q+ (q=3,5,6)离子入射Al 表面产生的X 射线谱 (a) 5—20 keV/q 的 O 3+ 离 子;(b) 5—20 keV/q 的 O 5+ 离子;(c) 1.5—20 keV/q 的 O 6+ 离子.箭头位置分别标示了C,O,Al 的K 壳X 射线峰的标准值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.

图3 为1.5—20 keV/q的 O7+离子入射Al 表面产生的X 射线谱.相较于图2 可以明显地看到:在引出电压相同的情况下,O7+离子的X 射线强度相较于 Oq+(q=3,5,6)离子大了一个数量级.这主要是因为 O7+离子的电子组态为1s,本身存在K 壳层空穴,在其中性化过程中俘获电子形成空心原子,俘获的电子可以直接退激填充K 壳层空穴发射X 射线,而 Oq+(q=3,5,6)离子则需要先通过碰撞电离的方式产生K 壳层空穴,再退激辐射X 射线,以至于 O7+离子的X 射线强度远大于 Oq+(q=3,5,6)离子.

图3 1.5—20 keV/q 的 O 7+ 离子入 射Al 表面产生的X 射线谱.箭头位置分别标示了C,O,Al 的K 壳X 射线峰的标准值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)离子入射Al 表面辐射X 射线的机理

入射离子与靶原子碰撞激发内壳层电子需要满足离子动能高于一个特定的动能阈值.根据张小安和梁昌慧等[26,27]计算入射离子动能阈值的方法,可计算本实验入射 Oq+(q=3,5,6)离子产生K壳X 射线的最小动能.假定入射离子与靶原子发生正碰,根据能量与动量守恒,则

其中,是两体碰撞过程中相互作用的最小平均距离,Z1和M1是入射离子的核电荷数和质量,Z2和M2是靶原子的核电荷数和质量,V0是入射离子的初速度,V是入射离子和靶原子碰撞后的共同速度,e是元电荷,ε0是真空介电常数.

在最小平均距离处,入射离子与靶原子之间的库仑势能大于等于入射离子内壳层电子的束缚能,入射离子内壳层电子才能被激发,此时满足

同理,靶原子内壳层电子被激发,满足

由(1)式—(4)式可得,Oq+(q=3,5,6)离子与Al 原子相互作用,激发O 和Al 的K 壳层电子的动能阈值分别为

其中,O 的K 壳层电子的束缚能(U1)为543.1 eV,Al 的K 壳层电子的束缚能(U2)为1559.6 eV,根据(5)式和(6)式可得E1≈7 keV,E2≈32 keV.

如果仅考虑入射离子与靶原子通过碰撞产生X 射线,且估算的动能阈值合理,那么实验现象有两处不符:1) O3+和 O5+离子的动能(5 keV/q)在大于理论阈值E1时并未观测到O 的Kα-X 射线;2) Oq+(q=3,5,6)离子的动能在大于理论阈值E2时,也未观察到Al 的Kα-X 射线.我们认为理论原因是计算的动能阈值是考虑入射离子与靶原子正碰,而实际发生正碰的概率极低,所以实际需要满足的动能阈值要远大于理论阈值.根据实验现象,Oq+(q=3,5,6)离子与Al 表面相互作用发射O 的Kα-X 射线的实验阈值范围为25—30 keV,发射Al 的Kα-X 射线的实验阈值大于120 keV.然而,O6+离子的入射能量在小于实验阈值时仍产生了O 的Kα-X 射线,我们猜测可能存在非碰撞电离的方式来激发内壳层电子,即前文提到的内壳双电子激发[11,12].因此,假设X 射线是由于双电子激发引起,即1s2n ℓ 的电子组态转化为1s2 ℓ 2 ℓ′的双激发态,该中间态辐射衰变成1s22 ℓ′,发射Kα-X 射线.但内壳双电子激发需要满足高n态的一些电子跃迁到L 壳层,其能量正好对应于K 壳层和L 壳层之间的跃迁能量.根据经典过垒理论,当O6+离子与Al 表面达到临界距离[7]

(其中,q为离子的电荷态;W为Al 的功函数,取4.28 eV),开始俘获金属导带电子进入高里德伯态

形成空心原子.在本实验中,即使处于最高激发态的电子(主量子数nc=8)跃迁到L 壳层的能量也远小于K 壳层与L 壳层之间的能量差.显然,内壳双电子激发理论不能够解释实验中出现的Kα-X 射线.最终,我们认为可能存在多电子激发过程[17,18],即入射离子在中性化过程中将其动能和势能转移给Al 靶产生快速电子,多个快速电子共同作用使 O6+离子的K 壳层电子激发,处于L 壳层的电子填充K 壳层空穴产生Kα-X 射线.

3.3 X 射线产额及电离截面的计算

根据本次实验的测量条件,假设X 射线发射是各向同性的,可以得到每一个入射粒子产生的X 射线产额[28]

其中,NX为实验得到O 的K 壳X 射线峰计数,Np为入射粒子数,Ω为探测器探测X 射线的立体角(0.004 sr),ε为探测器的探测效率,本实验使用的SDD 探测器对于O 的K 壳X 射线的本征效率约为0.294.K 壳X 射线产额随入射 Oq+(q=3—7)离子能量的变化如图4 所示.X 射线产额的误差主要来源于束流强度的测量,最大约为50%.此外,X 射线计数约为5%,探测器探测效率约为3%,立体角约为2%.

图4 1.5—20 keV/q 的 O q+ (q=3—7)离子入射Al 靶产生O 的K 壳X 射线产额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)离子与Al表面相互作用,主要是通过碰撞电离产生K 壳层空穴,退激发射X 射线.由X 射线产额,可以计算产生K 壳X 射线的电离截面[26]

其中,N为靶原子密度,为O 的K 壳层的平均荧光产额[29],dE/dR为阻止本领,可以使用Srim 程序计算得到,µ为靶的自吸收系数,θ为离子的入射角,φ为探测器与靶法向方向的夹角.图5 给出了O 的K 壳X 射线电离截面随入射 Oq+(q=3,5,6)离子能量的变化.电离截面的误差主要取决于dY(E)/dE,经过误差传递后最大为61%.

图5 5—20 keV/q 的 O q+ (q=3,5,6)离子入射Al 靶产生O 的K 壳电离截面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.

从图4 和图5 可以看到,X 射线产额和电离截面与离子电子组态有关,且随离子入射动能的增加而增加,电子组态为1s 的 O7+离子的产额比 Oq+(q=3,5,6)离子高一个量级.对于不存在K 壳层空穴的 Oq+(q=3,5,6)离子,相同动能的 O6+离子产额也要高于 O3+,O5+离子.我们推测入射 Oq+(q=3,5,6)离子与Al 原子碰撞激发内壳层电子电离的过程中,Oq+(q=3,5,6)离子的L 壳层电子对于K 壳层电子具有一定的屏蔽作用,使碰撞电离更加困难,因此电离截面更小,X 射线产额更小.

4 结论

本文测量和分析了低能高电荷态 Oq+(q=3—7)离子与Al 表面相互作用产生的X 射线谱.实验结果表明:存在K 壳层空穴的 O7+离子入射Al 表面产生X 射线,主要是由于“空心原子”的衰变;而对于不存在K 壳层空穴的 Oq+(q=3,5,6)离子,是由于其进入表面后与Al 原子发生紧密碰撞所致.在入射动能相同的情况下,O7+离子的X 射线产额相较于 Oq+(q=3—6)离子高一个数量级.当入射 Oq+(q=3,5,6) 离子的动能大于30 keV时,通过碰撞激发出O 的Kα-X 射线;X 射线产额和电离截面与离子电子组态有关,且随离子入射动能的增加而增加.当入射 O6+离子的动能小于30 keV时,可能存在多电子激发使其产生K 壳层空穴,级联退激产生X 射线.