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1、离子-原子(分子)碰撞的实验技术1.1实验原理离子一原子碰撞的产物携带着碰撞过程的动力学信息，通过测量碰撞产物的 状态，可以研究碰撞过程的动力学。早期的离子一原子碰撞实验只能对某一种碰 撞产物进行单独测量，如分别测量碰撞中产生的反冲离子或者散射离子的电荷态, 研究碰撞过程中靶原子失去电子或入射离子俘获电子的情况；测量X射线的能量, 研究靶原子的内壳电离过程等。随着实验技术的发展，实验可以对不同碰撞产物进行符合关联测量，以得到 碰撞过程的更为详细的信息。根据具体的实验条件，本工作对散射离子电荷态和 反冲离子电荷态进行了符合测量，得到了每一次碰撞事件中靶原子失去的电子个 数和入射离子得到(或失去)
2、的电子个数。本实验采用的是由中科院近代物理研究所ECR源(electron cyclotron resonant ion sources)提供Xeq+离子束。ECR源的引出端电压在1025kV之间可调，离 子能量相应为10q25q ( keV )，微波频率为14.5GHz。从ECR离子源引出的离子束，经过分析磁铁选择所需的离子电荷态，然后 再经过两个双维可调的光阑准直、限束。束流离子进入靶室与气体原子分子发生 碰撞后，反冲的离子在平行板静电场的作用下被引出并加速，经过一个无场漂移 区后被电子倍增器探测；散射离子经过一个平行板静电场进行偏转，最后到达位 置灵敏微探测器(PSD)。实验装置如图1.
3、1所示：ECR Ion I SourceAnalyzing Magnet Accelerating tubeMagnetBendingGaugeParallelPosition ZX-Sensitive Detector1.2 ECR离子源工作原理ECR离子源：电子回旋共振离子源，是微波能量通过微波输入窗，经波导或 天线耦合进入放电室内，在窗上表面的永磁系统产生高强磁场作用下，放电室内 气体分子外层电子做回旋运动，其回旋角频率为：w e = eB/m(2)当e和外施微波角频率相等的情况下，为共振状态，运动电子能从微波中不断、有效地接受能量提高电子的温度，使气体发生电离。在低气压的情况下， 电子
4、在与气体分子或和原子相邻两次的碰撞之间回旋次数可能会更多，而每回旋 一次能量就增加，因此也就可以获得较高密度的等离子体。电子从微波里的能量 来自与外磁场的方向成右手极化的波中获得的。外磁场还有利于电子和离子的约 束，以及离子的引出。微波输入窗是ECR关键部件,它不仅用于真空密封，防止 反向电子轰击，而且在微波的输入与等离子体之间起着非常重要的阻抗匹配作 用。1.3 PSD工作原理PSD位置灵敏探测器是一种基于非均匀半导体横向光电效应的、对入射光或 者粒子位置敏感的光电器件。它的P-N结的结构、工作状态、光电转换原理等 与普通的光敏二极管类似，但是它的工作原理与普通光敏二极管又完全不同。普 通光
5、敏二极管是基于P-N结或者肖特基结的纵向光电效应，而PSD位置灵敏探 测器是基于P-N结或者肖特基结的横向光电效应，事实上是纵向光电效应和横 向光电效应的综合。普通的光敏二极管通过光电流的大小反应入射光的强弱，是 光电转换器件和控制器件。而PSD位置敏感探测器不仅是光电转换器，更重要 的是光电流分配器件，通过合理设置分流层和收集电流的电极，根据各电极上收 集到电流信号的比例确定入射光位置。从这个意义上说，PSD位置灵敏探测器是 普通光敏二极管进一步细化的产品。位置灵敏探测器PSD （Position Sensitive Device），具有高灵敏度、高分辨率、 响应速度快和配置电路简单等优点。
6、作为新型器件,PSD已经被广泛应用在位置 坐标的精确测量上，如:兵器制导和跟踪、工业自动控制、或位置变化等技术领域 上PSD位置灵敏探测器可以分为线型（一维）PSD和面型（二维）PSD，线型 可以检测光点在一维线上的位置，面型可以检测光点在平面上的位置坐标。线型 PSD位置灵敏探测器在敏感面的两端设有电极，而面型PSD位置灵敏探测器的 四边均设有电极。当PSD的敏感面受到光斑局部的非均匀照射时，在其敏感面 上将建立起与光斑位置相关的平行于敏感面的横向电压，如果光斑持续照射，并 在PSD位置灵敏探测器的电极上外接电路，将形成向两极流动的电流，两极电 流的大小与光斑的位置有关。因此，根据电极电流的
7、大小即可算出光斑的位置。1.4气室设计方案表1.1离子截面与自由程之间的关系真空度原子(分子)密度/cm3截面/cm2自由程/mm1*105 Pa1.7*101910-153.7*10-41*102 Pa1.7*101610-153.7*10-11*10-1 Pa1.7*101310-153.71*10-2 Pa1.7*101210-15371*10-3 Pa1.7*101110-153701*10-4 Pa1.7*101010-153700如上表所示离子截面与自由程之间的关系，当获得相同截面情况下，随着真 空度的减小，原子(分子)密度减小，所需要的自由程增大，所以本实验实验需 要合适的真空度
8、。自由程入满足如下关系式：入 P。1(3)经计算得，适合的真空度P10-iPa,本实验取10-2Pa。当气室两端存在压强差(P1-P2)时，气室内便出现气体流动。在稳定流动时， 通过气室的流量，有Q=C(P-P)。式中C称为气室的流导。流导的只有在稳定流12动下才有意义。当气室由一根管道连接到泵进行抽气时，管道将降低泵在气室处的抽速。气 室处的有效抽速与泵抽速间的依赖关系，可依据流量恒定关系求出。设气室中压强以P1表示，气室出口处抽速以Se表示；外界压强以P2表示，抽速 以Se表示；管道流导用C表示。在气室入口处，流入的流量为PSe；在气室中1通过的流量为：Q=C(P -P )(4)12在稳定流动时，这三者应相等，故得：P1Se=C 孔(PP2)(5)本实验测得所需气室孔径与气室内气压关系如下图1.2所示：不同直径下的气室压强0.00100.00160 00140.00120.00100 000&-0.00060.00040 00020 0000-0.0002 -10152025 3Q 35小孔直径(mm)图1.2气室孔径与气室内气压关系本实验，气室外P2=1*10-5pa，根据 公式计算的，小孔的直径12mm.气室长 度 L=6.9mm。实验装置如下图1.3所示:图1.3气室实验装置示意图Ay=0.25cm y=5cm狭缝直径l-2mm圆孑L
离子-原子碰撞的实验技术
