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电子束离子阱(EBTT)中引出离子的演化

张伟  
【摘要】:电子束离子阱(EBIT)是一个能够产生并约束高电荷态离子的实验装置。EBIT通常被视作光谱源,通过对约束势阱中高电荷态离子所发射光谱的分析,可以研究电子与离子碰撞的物理过程,跃迁光子发射和吸收,以及离子能级结构方面的信息。另外EBIT还可以作为离子源,通过将其势阱中的离子采用一定的方法引出,则可研究高电荷态离子在实际方面的应用,如材料表面的改性。实验中将离子从EBIT势阱中引出的方法有两种,一种是连续引出法(Continuous method),另外一种是倾倒引出法(pulsed method)。连续引出法是指在离子引出的过程中保持EBIT约束势阱不变,离子通过与电子和其他离子的碰撞获得足够的能量而逃逸出约束势阱。倾倒引出是通过周期性的开关势阱,将势阱内几乎所有的离子都引出到阱区外。 本论文的主要工作是针对EBIT势阱中离子的连续引出方法建立模型,模拟了引出离子的强度分布,所得到的理论结果和实验结果相一致。在此基础上,本工作研究了实验中采用连续引出离子的方法测量双电子复合强度(DR强度)和理论计算DR强度不一致的原因。研究发现,实验测量DR强度所采用的假设是不合理的。实验中假设相邻电荷态离子引出强度的比值(Nq-1/Nq)等于其在势阱中的密度比值(nq-1/nq),而本论文研究表明,随着实验条件的不同以及离子电荷态的差异,(Nq-1/Nq)与(nq-1/nq)的值相差13%-34%。论文中引入了表征(Nq-1/Nq)与(nq-1/nq)差异的F因子(F=(Nq-1/Nq)/(nq-1/nq),通过对F因子的研究发现,F因子对电子束能量,电子束束流强度, EBIT势阱深度以及实验中所使用的元素的变化都不敏感。只有改变EBIT势阱中初始注入的中性元素的密度,F因子才会随之变化,当减小初始注入的中性元素的密度,F因子的值会减小趋近于1,此时(Nq-1/Nq)的值趋近与(nq-1/nq)的值。所以只有在注入EBIT中的中性原子的密度较低时,实验中采用连续法引出离子测量DR强度所采用的理论假设才成立。根据F因子的特性,可以采用两种方法来处理由(Nq-1/Nq)与(nq-1/nq)的差异所引起的理论计算的DR强度值和实验测量的DR强度值的差异,一方面可以通过调节初始注入EBIT势阱中的中性元素的密度,使得F因子的值趋于1,消除(Nq-1/Nq)与(nq-1/nq)的差异。另外还可以用F因子来修正实验测量的DR强度值,则可以使理论计算的DR强度值和实验测量的DR强度值在实验误差范围内吻合。


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