空阴极气体放电及高电荷态空心离子的光谱研究

摘要

高电荷态离子的研究是原子物理中非常重要的领域，而与高电荷态离子研究有关的光谱实验很大一部分集中在真空紫外波段。空心阴极灯可以产生丰富的真空紫外辐射，常被用于该波段的实验研究。本文详细介绍了我们在真空紫外光谱、空阴极气体放电和高电荷态空心离子方面的研究工作。 本文分三大部分，每部分各有两章。第一部分主要介绍我们在高电荷态离子和真空紫外光谱研究方面的基础工作。真空紫外波段一般是指从2A到2000A的波长范围，这一波段的光子在空气中会被严重吸收，1040A以下的光辐射更是无法穿过任何透镜和窗口材料。因此，这一波段的光谱测量必须在真空中进行，而且对探测系统的光路设计也有特殊的要求。 在第一章中，我们首先阐述了有关高电荷态离子光谱研究的意义和方法，然后介绍了真空紫外光谱的相关概念以及真空紫外光谱仪系统的基本原理和常见配置。 第二章介绍了我们实验室的真空紫外光谱仪系统的构建情况。在实验室成立之初，我们从国外引进了两台总价值约70万美元的真空紫外光谱仪，其中一台型号为McPherson247，另一台为NikonMPC860。光谱仪本身是高度精密和复杂的科学仪器，再加上我们为其配套的一系列外围设备，整套硬件系统涵盖了光学、机械、真空和电子学等多方面的内容。我们大约用了两年半的时间，完成了McPherson247光谱仪系统的硬件构建、监控程序开发和全系统的实验调试，以及NikonMPC860光谱仪系统的基本构建。 本文第二部分介绍了我们对空阴极气体放电的研究成果。空阴极放电是真空紫外波段非常重要的光源形式之一，其在科研和商业领域都有很多重要的应用。但文献中对空阴极放电的基本性质仍缺少系统和完整的论述，尤其是对其中的激发态布居数分布规律，人们还缺乏清晰的认识。 在第三章中，我们首先介绍了空阴极放电的原理、形式和应用，然后系统地研究和归纳了空阴极放电的基本性质，并着重探讨了与激发态布居数有关的物理过程和放电成分。 在第四章中，我们用McPherson247光谱仪对氦气空阴极放电的真空紫外光谱进行了研究，从中推算出HeⅠ1snp1P系列和HeⅡnp2P系列能级的相对布居数，并作出布居数(取对数)随激发能量变化的分布曲线。我们发现，无论是在HeⅠ系列还是在HeⅡ系列中，布居数分布曲线都可以大致划分为两个区间：低n区间(对应于HeⅠ系列中的n=2～4和HeⅡ系列中的n=2～5)覆盖了相对较大的能量范围，而其中能级布居数随激发能量增大而递减的斜率则较小；高n区间(大约对应于HeⅠ和HeⅡ系列中的n＞10的范围)只覆盖很小的能量区域，但其能级布居数随激发能量增大而减小的速度却很快。我们认为，低n区间可以用日冕平衡来描述，并由此推算出空阴极内的电子温度为1.3～2.4eV；高n区间则可以用局部热力学平衡来描述，从中推算出He气体原子温度为790～910K，离子温度约为2200K。而HeⅠ的分布曲线在上述两个区间之间还出现了某种非单调的起伏结构，我们的研究表明这是由激发态原子与基态原子之间的l-changing碰撞引起的。我们对空阴极中的日冕平衡、局部热力学平衡和l-changing碰撞，都作了深入的探讨，并在此基础上总结了空阴极气体放电中激发态布居数分布的基本规律。 本文第三部分介绍了我们对高速碰撞条件下产生的高电荷态空心离子的研究成果。这项研究的数据来自我们在日本RIKEN重离子直线加速器(RILAC)上进行的碰撞实验。 空心离子是指入射离子经过与固体靶发生高速碰撞后所形成的内壳层中没有或只有很少电子的离子状态，其概念源于低速碰撞条件下所产生的空心原子。我们发现，离子与固体靶碰撞后所形成的空心原子(或空心离子)中，L壳层电子数与入射能量及K壳层电子数的关系，在低速入射和高速入射两种情况下，结果正好是相反的。在低速碰撞下形成的空心原子的L壳层电子数随入射能量和K壳层电子数的增加而增大，而高速碰撞产生的空心离子中，L壳层电子数则随着入射能量和K壳层电子数的增加而减少。这种差异来源于两种碰撞条件下入射离子与靶原子相互作用机制的不同。我们着重探讨了高速碰撞下空心离子的形成机制，及其L壳层电子数的统计分布。 在本文的最后，我们编写了三个附录。 附录A中详细介绍了我们的McPherson247光谱仪系统的硬件构成和使用方法。其中硬件信息主要涉及光谱仪的外围设备，以及一些与光谱仪本身有关但光谱仪说明书中没有提及的重要问题。使用方法中则还包括了我们在实践中了解到的各种相关知识、积累的使用经验和总结的注意事项。通过这份文档，初次使用者可以在最短时间内对这套系统有一个大致的了解并掌握一些基本的操作。因此，这份文档不同于光谱仪的说明书，它是这套系统的建设者为系统的下一任使用者提供的入门指南和重点提示，也是博士工作的重要组成部分。 附录B是我们为光谱仪系统的监控程序所写的说明文档。监控程序是我们用C语言编写的。说明文档中包括程序的设计思路、文件结构、运行流程、使用示例以及源代码等，其目的同样是为光谱仪的下一任使用者提供尽可能多的信息和帮助。 附录C是一份有关入射离子与靶物质碰撞过程的文献研究总结，是我们研究工作中的前期调研成果，对我们研究空阴极放电中的物理过程和高速碰撞下的空心离子，以及将来研究其它类型的高电荷态离子，都有一定的参考价值。

目录

论文说明：上海交通大学学位论文答辩决议书

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摘要

引言

第一篇 高电荷态离子与真空紫外光谱仪系统

第一章 高电荷态离子与真空紫外光谱

第二章 真空紫外光谱仪系统的建设与调试

2.1概述

2.2 McPherson 247型真空紫外光谱仪系统

2.3 Nikon MPC860型真空紫外光谱仪系统

2.4实验监控程序

2.5真空紫外光谱仪系统的实验调试

2.6本章小结

参考文献

第二篇 空阴极气体放电的实验研究

第三章 空阴极气体放电中的物理过程

第四章 氦气空阴极放电中的激发态布居数分布

4.1日冕平衡与局部热力学平衡

4.2 Cu-He空阴极放电中激发态布居数分布的实验测量

4.3布居趋势分析

4.4空阴极放电中激发态布居数分布的普遍规律

4.5本章小结

参考文献

第三篇 高速碰撞条件下的空心离子研究

第五章 空心原子

第六章 高速碰撞条件下的空心离子

附录A McPherson 247型真空紫外光谱仪系统的硬件建设

附录B McPherson 247型真空紫外光谱仪监控系统的软件开发

附录C 有关入射离子与靶物质碰撞问题的文献研究

致谢

攻读博士学位期间发表的论文