高电荷离子束研究

2022-10-18

用超高真空技术生 产最高电荷状态

在我们的环境中,我们主要遇到低电荷离子,例如在蜡烛的火焰或雷雨闪 电中。但也有自然发生的高电荷离子,即在原子壳内有大量缺失电子的离 子。例如,我们在日冕等特殊情况或超新星事件中经历过这些。

出于这个原因,实验室在高电荷离子方面的研究对天体物理学起着重要作 用。然而,在实验室里产生的高电荷离子对其他领域也极为重要,比如高 电荷离子的光谱学被用来研究聚变等离子体。有关于高电荷离子与固体表 面相互作用的基础研究也提供我们有趣的前景,例如未来的量子计算机系 统。

"到目前为止,对原子半径的光谱测量只在具有单个电子的类氢系统上进行,因为只 有在这种情况下才能满足理论上的精确度。达姆施塔特工业大学核物理研究所 LaserSpHERe( 高电荷离子和外来放射性核素 的激光光谱 学)研究组组长Wilfried Nörtershäuser教授解释说:"然而, 在实验上,这些简单的原子系统有一个缺点,即要使用的波长 在光学光谱的紫外线范围内延伸甚远,因此很难用目前的激光 系统来测量。"但是,我们现在正努力实现更复杂、带两个电 子的类似氦气的系统所需的精度,这很有希望。它们的波长更 容易通过激光系统获得,因此,将来可能比当下更精准地确定 从氦到氮的原子核的半径。通过安装带有EBIS-A离子源的离 子束设施,KOALA仪器为此提供了理想的条件。

"Nörtershäuser教授和他的团队利 用专攻激光光谱学和应用科学的对撞仪 (KOALA)在原子、核和粒子物理学的前沿 领域进行精密实验,其研究重点是高电荷离子和外来短寿命同位素的激光光谱,目 的是精准确定原子核的电荷半径。

EBIS离子源
EBIS离子源

产生高电荷离子的技术

达姆施塔特使用的电子束离子源 (EBIS)只是产生高电荷离子的几种技术之一。像 激光和电子回旋共振离子源 (ECRIS)一样,EBIS被认为是高电荷离子的直接来 源。此外,低电荷离子可以通过高能加速器和气体或铝箔剥离器转化为高电荷离 子。

电离所需的能量转移是通过激光离子源的辐射实现的。所有其他技术存在共同 点——电离的驱动过程是基于电子碰撞。在高能加速器中,单电荷离子以高能量射 向准静止的电子实现冲撞。在电子回旋共振和电子束离子源中,这一过程是相反 的。最初的气态中性分子或原子处于静止状态。在电子束电离过程中,电子被加速 并与原子的壳电子碰撞。从快速电子到壳电子的动能转移使它们有足够的能量离开 原子壳的束缚。

在所有高电荷离子的直接来源中,用电子束离子源产生的电 荷状态最高,使其成为达姆施塔特KOALA的最佳选择。只 要使用的真空技术能提供足够的普通条件,该技术就能为实 现高电荷态提供理想条件。

电子束离子源的工作原理

在达姆施塔特工业大学使用的Dresden-EBIS-A型电子束离子源中,一个高发射阴极 在真空中被加热到2200K左右。这就生成了一束自由电子,这些自由电子从电子枪 中被加速到作为阳极的漂移管集合体上。在这个过程中,电子束被强磁场压缩,导 致电子电流密度达到每平方厘米数十安培。这种高密度、高速的电子束在漂移管区 域遇到热气原子,并与它们的外壳电子发生碰撞。由此产生的离子被漂移管区域的 静电场所捕获,即所谓的电子束离子阱(EBIT)。

只要电子束的能量超过了结合能,就会有更多的壳电子被持续的电子撞击电离去 除,使离子达到越来越高的电荷状态。这种情况可以继续下去,直到所有的壳电子 被移除,只剩下裸核。

在通过漂移管后,电子被斥候电压静电引导到一个冷却的电子收集器。这样一来, 高电荷的离子就可以离开离子阱,并用于各种应用。

电子束离子源
电子束离子源

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