低能高电荷态氮离子与Cu表面相互作用致K-X射线发射的研究

刘 璇 宋张勇张秉章 钱 程方 兴 邵曹杰王 伟刘俊亮 徐俊奎 冯 勇 朱志超 陈 林 郭艳玲 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（兰州大学核科学与技术学院 兰州730000）3（南华大学核科学技术学院 衡阳421001）4（中国科学院大学核科学与技术学院 北京100049）

高电荷态离子与固体表面相互作用中发射的X射线是高电荷态离子与物质相互作用过程中的重要物理问题之一。高电荷态离子与固体表面相互作用的研究在国际上历来备受关注［1-4］，其中X射线发射研究涉及原子结构、能级寿命、离子中性化以及能量沉积机制等。高电荷态离子与固体表面的相互作用在固体表面处理和固体结构分析等领域具有广泛的应用。此外，高电荷态离子与半导体材料的相互作用在新材料的研究和表面改性，以及急需的新型纳米材料和超小尺寸半导体芯片的研制［5-8］等方面发挥着重要作用。

过去的20年中，已经有多个课题组对低速（速度小于玻尔速度VBohr=2.9×106m·s-1）高电荷态离子与固体表面的相互作用进行了研究。Hagstrum等［9-10］研究了He1+、Ne1+、Ar1+、Xe1+、Xe5+离子入射钨表面的Auger电子能谱；Briand等［11］研究了低速高电荷态Ar17+离子与不同的金属表面相互作用形成的多激发态“空心原子”的性质；Meyer等［12］报道了不同电荷态的N离子和Ar离子与Au（110）和Cu（001）表面作用过程中发射电子的能量分布；中国科学院近物所的研究小组［13］利用Xeq+（q=12～29）与Al相互作用，证明了分子轨道晋升机制是下表面“空心原子”激发的重要方式。当低速高电荷态离子与固体表面相互碰撞时，由于它们之间存在巨大的库仑相互作用，库伦势能占据主导地位。在入射高电荷态离子接近固体表面过程中，它能将多至几百keV的势能在飞秒时间内沉积于靶表面纳米尺度范围内，Watanabe等［14-15］发现高电荷态离子与金属表面相互作用会通过发射X射线来耗散势能。还有其他多个研究小组通过X射线发射［16-18］、可见光辐射等方法［19-22］研究低速高电荷态离子与表面相互作用过程中的能量沉积和转移。

近年来，随着离子源和加速器的不断发展以及探测技术的日益成熟，高电荷态离子与固体表面相互作用的研究已经延伸到了天体物理、原子物理、等离子体物理等领域。特别是高电荷态氮离子与物质相互作用的研究对天体物理有着非常重要的研究价值，因而重新开始受到关注。在天体物理中，恒星、星系、行星状星云等研究中均涉及等离子体原子物理过程，同时氮元素在天体中的占比较大，这是本工作选择高电荷态氮离子的原因。本工作探测了高电荷态氮离子（Nq+，q=3，5，6）与金属Cu表面碰撞中发射的K-X射线能谱，并研究了K-X射线产额、K壳层电离截面值与入射离子动能及电荷态之间的依赖关系。这对离子与金属表面相互作用中形成的上表面“空心原子”的退激过程、高电荷态离子在固体表面的中性化过程具有重要意义。

1 实验装置及技术

本工作在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 Source，ECRIS）上进行，图1是实验平台示意图。Nq+（q=3，5，6）离子束流由14.5 GHz的ECRIS提供。ECRIS利用微波加热等离子体，在此过程中微波会给电子传递能量，使其变成高能电子，而高能电子会将离子源中的原子不断电离并形成等离子体，同时等离子体受到磁场约束，继续被高能电子电离，逐渐形成高电荷态离子。通过改变引出电压将所需的离子束流引出，经校正、四极透镜聚焦后利用90°分析磁铁将束流引入搭建的实验平台中。进入实验平台后，束流首先会通过束流轮廓仪，可以直观地观测到束斑的大小和位置，并根据需要调节束斑的大小和位置。经过调节后的束流通过直径10 mm的狭缝进入长度为600 mm的束流准直管道，在管道中利用自行研制的束流密度计（入射孔径4 mm，测量孔径2 mm）估算束流的强度，有关束流密度计的研制工作将在后续的文章中报道。最后，束流经管道中的两组偏转板和四极透镜的调节，通过直径为5 mm的狭缝进入靶室（真空度约为1.5×10-6Pa）与Cu靶相互作用，束流强度在3～11 nA范围内。金属Cu的化学纯度为99.99%，表面经过净化处理，靶的面积为17×17 mm2，厚度0.5 mm。本实验利用的X射线探测器为美国AMPTEK公司生产的硅漂移探测器（Silicon Drift Detector，SDD），SDD探测器的能量分辨率在5.9 keV峰为136 eV，探测器与束流方向呈45°，探测器与靶心的距离为140 mm，其几何立体角约为0.004 sr，洪式电子枪与束流方向呈90°（电子枪是为了中和靶表面累积的正电荷）。实验前使用标准放射源55Fe对探测器进行了能量刻度。

图1 ECRIS实验平台示意图Fig.1 Schematic diagram of the ECRIS experimental platform

2 实验结果

2.1 N3+、N5+入射Cu表面产生的X射线谱

选择10～20 keV/q的N3+以及1.5～20 keV/q的N5+离子入射Cu靶表面，激发出X射线，SDD探测器采集的X射线能谱通过束流归一化处理，得到图2所示的X射线谱图。由于发射的L壳层X射线能量较低，所以SDD探测器只能测量K壳层的X射线。根据美国伯克利国家实验室X光与现代光源中心提供的数据，可知图2中的两个特征X射线峰从能量低到高分别对应C的Kα-X射线和N的Kα-X射线；经拟合，N的特征X射线峰的半高全宽（Full Width at Half Maximum，FWHM）约为60 eV，分辨率较好。在实验过程中，之所以会探测到C的特征X射线，可能是304不锈钢所制的样品架中含有C元素，一部分入射束流与其碰撞，诱发C原子电离辐射X射线。

图2 不同动能的Nq+(q=3、5)离子入射Cu表面发射的X射线谱(a)动能为10～20 keV/q的N3+，(b)动能为1.5～20 keV/q的N5+Fig.2 X-ray spectra in collisions of different kinetic energy Nq+(q=3,5)ions with the Cu surface(a)N3+ions with the 10～20 keV/q,(b)N5+ions with the 1.5～20 keV/q

假设X射线是各向同性发射的，则可以推导出本实验中的Nq+（q=3、5、6）离子的K-X射线产额：

式中：Nx是探测器测量的K-X射线总计数，可以通过计算机程序对X射线谱进行积分确定；Np是入射粒子的总计数，可以根据束流密度计测量的电流计算得出。在实验中，SDD探测器相对样品的立体角Ω约为0.004 sr，对N特征峰的本征效率ε为0.202。吸收系数μ可根据公式近似计算得。对于本实验，误差主要产生于束流离子数的统计及探测器立体角，经过误差传递公式计算，误差小于10%。依据式（1）得到N3+、N5+的K-X射线产额（图3）。随着动能的增加，N3+、N5+的K-X射线产额均增大，并且K-X射线产额随入射离子电荷态的增加而增大。

图3 Nq+(q=3，5)离子入射Cu表面发射的K-X射线产额与入射离子动能的关系Fig.3 The K-shell X-ray yield in collisions of Nq+(q=3,5)ions with the Cu surface vs.the kinetic energy of incident ions

对于实验中N3+、N5+离子入射样品表面产生的K-X射线，主要是由于离子进入表面后与靶原子进行紧密碰撞所致。若假设N离子沿直线轨迹减速，并且忽略能损歧离，则可以用式（2）从X射线产额Y（E0）计算K壳电离截面：

式中：E0代表束流的初始能量；N为靶原子密度；ϖ表示N原子的K壳平均荧光产额，N离子在Cu靶中的阻止本领dE/dR可使用SRIM程序计算得到，dY（E）/dE则先通过拟合多项式ln（E）和ln（Y（E）），再经微分拟合后获得；θ是束流方向与靶面法线之间的夹角；φ是探测器的探测方向与束流线的夹角。式（2）中的第二项表示样品对X射线的自吸收，μ是自吸收系数，对于能量为几百keV的低能入射离子，该自吸收项可忽略。电离截面的误差主要有产额误差和斜率误差的共同影响，误差小于10%，依据式（2）得到K壳电离截面如图4所示。对于N3+、N5+入射离子，电离截面均在10-21cm2数量级，且随入射离子动能的增加单调增大。

图4 Nq+(q=3、5)离子入射Cu表面引起的K壳层电离截面随入射离子动能的关系(a)N3+，(b)N5+Fig.4 The K-shell ionization cross-section in collisions of Nq+(q=3,5)ions with the Cu surface vs.the kinetic energy of incident ions (a)N3+,(b)N5+

N3+离子的电子组态为1s22s2，N5+离子的电子组态为1s2，它们在K层均没有空穴，所以进入表面后会与Cu原子发生紧密碰撞，在此过程中直接库伦电离起到主要作用。N3+、N5+离子进入Cu表面内发生碰撞，使K壳层的一个电子被电离并在K壳产生空穴，然后退激发射K-X射线，所以K-X射线产额会随着入射离子动能的增加而增大，而且从图3中发现，N5+的K-X射线产额比N3+的大得多，推测可能是N3+的L层电子对K层电子产生了屏蔽，所以其K层电子的碰撞电离变得困难，使得K-X射线产额变小。此外，考虑到还可能存在多电子激发［23］作用。在高电荷态N离子接近表面的过程中，入射离子携带的巨大动能和势能会迅速沉积在Cu表面，使得Cu表面的大量电子被激发。在多个电子的共同作用下，N3+、N5+离子的一个K层电子被激发并在K层形成一个空穴，会使占据在L层的电子发生2p→1s的偶极跃迁，发出K-X射线。但是由于入射离子动能较小，所以多电子激发作用在本次实验中占据的比重较少，仍然考虑直接库伦电离作用是N3+、N5+离子与表面作用产生K-X射线的主要原因。

2.2 N6+入射Cu表面产生的X射线谱

选择入射动能为1.5～20 keV/q的N6+离子，通过束流归一化处理得到X射线谱（图5）。图5中存在明显的双峰结构，与图2一样，双峰从左至右分别为C的Kα-X射线峰和N的Kα-X射线峰。

图5 1.5～20 keV/q的N6+离子与Cu表面相互作用发射的X射线谱Fig.5 X-ray spectra induced by the interaction between 1.5～20 keV/q N6+ions and the Cu surface

对于N6+离子与Cu表面相互作用的过程，可以从二体碰撞近似理论出发，根据经典过垒模型［24］，当入射的N6+离子接近临界距离：

式中：q为N6+的电荷态；W为Cu的功函数，取4.65 eV。由于金属表面对入射的高电荷态离子起着镜像加速作用，使入射离子的动能增加，增加的动能满足：

当其撞击表面时，高电荷态N6+离子与Cu靶表面间的势垒高度低于费米面，使得Cu表面的电子被共振俘获到N6+离子的高激发空态，其主量子数如式（5），并形成“空心原子”。

处于激发态的空心N原子在飞秒（fs）［25］时间尺度上迅速衰减。在本实验中，探测到不同动能的N6+离子与Cu表面作用产生的X射线，并且N6+离子的K-X射线产额误差同样受到束流离子数统计及探测器立体角的影响，经过误差传递公式计算可知，误差小于10%。根据式（1），计算得到N6+离子的K-X射线产额（图6）。对于N6+离子，其K-X射线产额与入射离子动能没有明显依赖关系。

图6 N6+离子入射Cu表面发射的K-X射线产额随入射离子动能的关系Fig.6 The K-shell X-ray yield in collisions of N6+ions with the Cu surface vs.the kinetic energy of incident ions

N6+离子的基本电子组态为1 s，在K层有一个空穴。当N6+离子快速接近表面并与表面相互作用时，会俘获表面的电子形成上表面“空心原子”，然后“空心原子”级联退激，发出K-X射线［25］。除此之外，N6+离子进入表面内也会通过直接碰撞电离产生K-X射线。由于N3+、N5+离子主要通过直接库伦电离作用产生K-X射线，于是把K-X射线产额近似等于N6+离子通过直接碰撞电离方式产生K-X射线产额。经过计算得到，N6+离子上表面“空心原子”级联退激产生的K-X射线产额约占其总K-X射线产额的97%，所以N6+离子主要通过上表面“空心原子”的级联退激产生K-X射线。同时，N6+离子的K-X射线产额应该随着入射离子动能的增加而下降。这是因为随着入射离子动能的增加，其速度就越快，与Cu表面的作用时间变短，K-X射线产额也随之变小。但是在图6中，N6+离子的K-X射线产额与其动能却并没有明显的关系，于是选取N6+离子动能最小值9 keV和最大值120 keV的两个动能点，计算得其与表面相互作用的时间分别为3.1×10-15s和8.5×10-16s，发现其与表面相互作用的时间差别并不是很大，所以两个动能点的K-X射线产额也不是很大。另一个原因可能是实验误差的影响，导致N6+离子的K-X射线产额并没有随其动能的增加存在明显的下降趋势。

3 结语

基于中国科学院近代物理研究所的ECRIS，本工作测量了入射动能为4.5～120 keV的Nq+（q=3，5，6）离子与Cu表面相互作用发射的X射线能谱。实验结果表明：1）N3+和N5+离子进入表面，与Cu原子发生了紧密碰撞，在此过程中的直接库伦电离是其KX射线产生的主要原因，Nq+（q=3，5）的K-X射线产额和K壳层的电离截面均随入射离子动能的增加而增大，并且其K-X射线产额也随入射离子的电荷态增加而增大。2）N6+离子入射Cu表面发射的K-X射线，主要是由于相互作用中形成的上表面“空心原子”的级联退激所致，并且上表面“空心原子”级联退激产生的K-X射线产额约占其总K-X射线产额的97%，所以N6+的K-X射线产额与其初始的K壳空穴数相关。此外，在本实验中N6+离子的K-X射线产额与入射离子动能没有明显关系。