低速Xeq+(4 6 q 6 20)离子与Ni表面碰撞中的光辐射∗

徐秋梅杨治虎郭义盼刘会平陈燕红赵红赟

1)(中国科学院近代物理研究所,兰州 730000)

2)(中国科学院大学,北京 100049)

3)(南京航空航天大学航天学院,南京 210016)

(2017年12月2日收到;2018年2月13日收到修改稿)

1 引 言

由于低速高电荷态的特性,低速高电荷态离子与固体表面相互作用是一个非常复杂的多体过程[1,2].低速是指入射离子的速度低于第一玻尔速度(VBohr=2.16×106m/s),靶原子核外电子来得及对入射离子做出响应;高电荷态离子携带大量的势能,其势能等于所有剥离掉的电子电离能之和,例如类氢Xe离子的势能为161 keV;其空间激发很强的电场,例如类氢U离子,电子所感受的电场为1016V/cm,在宏观条件下这是任何一个实验室都难以达到的静电场.入射离子大部分势能在飞秒时间内,沉积在纳米尺度范围的靶内,沉积能量密度可高达1014W/cm2,从而使靶原子激发,受激靶原子退激将发出不同波段的光辐射[3,4].在入射离子电荷态不太高时,光辐射的跃迁速率比自电离和俄歇过程的速率小6个数量级[5],因此光辐射退激过程可以忽略.光辐射速率随入射离子电荷数的4次方增加[6],随着入射离子电荷态增高,光辐射退激成为入射离子释放势能的一个重要过程[7].目前光辐射研究较多集中在X射线发射,关于紫外、可见和红外光辐射的研究较少.另外,低速高电荷态离子与固体表面相互作用过程中,入射离子中性化是一种多电子俘获过程,中性化原子形成中以及形成后的运动过程中,通过自电离、俄歇过程和光辐射等方式退激[8−10].低速高电荷态离子与固体表面相互作用过程中的光辐射研究,对势能转移机制、势能激发靶原子的机理,以及光谱性质与固体结构的关系十分重要,而且也为原子复杂光谱线的研究提供了新的手段.本文报道了低速高电荷态离子轰击金属Ni表面可见光发射的实验结果.

2 测量装置与方法

实验是在中国科学院近代物理研究所320 kV高电荷态离子综合研究平台上进行的.平台上的电子回旋共振离子源[11]提供实验所需的Xeq+离子,利用高压引出和加速,经过四极磁铁输运到5号实验终端.终端的测量装置布局如图1所示.离子束经直径5 mm的光栏限束和准直后进入靶室,利用靶后法拉第筒测量入射离子束流强度.靶室真空度保持5.5×10−9mbar(1 mbar=100 Pa),以使得离子与表面干净的固体相互作用.离子束进入高真空靶室,以45◦角(相对靶表面法线方向)入射到高纯Ni(99.995%)靶表面.离子与固体表面作用产生的可见光经过焦距27 mm的光学透镜组聚焦到光谱仪的入射狭缝.在与束流垂直的方向,利用Acton SP-2558光栅光谱仪进行测量.光谱仪采用1200 L/mm光栅,其闪耀波长在500 nm.光谱仪放置在三维可调的高精度支架上,以便于精确调整光谱仪的位置,提高光子收集效率.实验前,利用标准汞灯对谱仪进行了刻度和校准.为了降低实验中的本底噪声,实验在暗室中进行.为了降低光电倍增管的热噪声,将其放在冷却室中,冷却室的温度保持在−25◦C.为了对谱线强度进行归一,设计和加工了同步计数器[12−14].在光谱仪测量光谱时,计数器与数字电流积分器(ORTEC model 439)连接,可以同步记录靶上束流强度.实验中入射离子束流强度为200 nA,光子产额定义为每入射一个离子发射的光子个数[15−18],公式如下:

式中Yλ和Nλ分别表示波长λ数据点处的光子产额和光子个数,It是波长λ数据点处的靶上束流强度,q是入射离子电荷数,e是电子电量,系数分别表示相同条件下靶上束流强度的平均值和入射离子束流强度的平均值.

图1 高电荷态离子轰击固体表面发射光谱的测量装置示意图Fig.1.Schematic diagram of measurement apparatus for light emission from the solid surface bombarded by highly charged ion.

3 结果与讨论

本文是低速高电荷态离子与金属表面相互作用的可见光发射研究,区别于单电荷态离子与固体作用的光发射.对于低速单电荷态离子入射,主要是入射离子与靶原子的直接碰撞;如果是快离子(能量量级为MeV/amu,1 amu=1.66×10−27kg),离子与固体碰撞的电子能量损失起主导作用,可导致电子激发和电离.对于低速高电荷态离子,除了入射离子的动能外,其还携带大量势能,在与固体表面作用过程中势能在很短的时间内沉积在纳米尺度范围,诱发靶表面原子激发和溅射.激发态原子辐射退激发射可见光.随着入射离子电荷态增高,发射光谱的光子产额增加,并且伴随入射离子中性化原子(离子)的形成.根据经典过垒模型[8,10],入射离子俘获电子进入高里德堡态,随后通过光辐射等方式退激发.低速高电荷态离子与金属表面碰撞导致光辐射的过程可以表示为:

这里 Xeq+为入射离子,B表示靶原子,Xe(q−m)+∗为激发态的Xe离子(m6q,当q=m时为原子),B∗表示激发态的靶原子,上标*表示激发态,h为普朗克常量,ν为光子频率.高电荷态Xeq+离子入射到金属表面,与靶原子发生碰撞,通过能量转移使靶原子激发,然后退激辐射光子.同时,高电荷态离子在俘获靶电子形成低价态的离子或原子过程中,会释放自身所携带的势能,这些势能沉积在金属靶表面,也会使靶原子激发,然后退激辐射光子.本实验中,高电荷态Xeq+(4 6q6 20)离子轰击Ni表面,在动能和势能共同作用下由靶表面溅射出大量的处于激发态的Ni原子,它们通过辐射光子退激,这一过程可表示为

高电荷态离子实现单电子俘获的同时,还有多电子俘获过程.在这些过程中,电子转移越多,激发的靶原子的特征光谱线越复杂,而且其强度越强.另一方面,高电荷态离子入射到金属表面,金属表面对离子产生镜像加速,引起能量增益∆E[10],

增益的能量也沉积在靶表面,加强了靶原子的激发(W为Ni的功函数),靶原子的特征谱线的强度表现为增强趋势.因此,入射离子的电荷态越高,俘获靶表面电子的本领越强,沉积在固体表面的能量会越高,靶原子发射光谱强度越强.也就是说,低速高电荷态离子与金属表面相互作用过程中,靶原子辐射光子产额与入射离子电荷态、以及入射离子势能沉积密切相关.

图2给出0.38VBohrXe20+与金属Ni表面相互作用发射的在400—510 nm范围的光谱分布图,包括动能和势能共同作用导致溅射Ni原子和Ni离子发射的谱线,以及入射离子中性化形成的Xe原子或离子发射的谱线.在实验中,束流面密度约为1µA/cm2,这足以通过溅射使得靶表面清洁,同时,靶室真空为5.5×10−9mbar,这样的真空条件足以维持靶表面的干净[19,20].因此,入射离子与靶表面吸附气体相互作用可以被忽略. 在图2中,溅射Ni原子和离子发射的谱线与White等[21−27]的结果一致,也与NIST[28]上报道的结果相符合.Ni原子的基态为3d8(3F)4s2,本实验中形成的Ni原子激发态,既包括了单电子激发形成的组态3d8(3F)4s(4F)5s,也包括两个电子激发形成的组态3d9(2D3/2,5/2)4d,3d9(2D5/2)5s,3d9(2D5/2)5d和3d9(2D5/2)6s.大多数谱线属于Ni I 3d8(3F)4s4p—3d84s(4F)5s和Ni I 3d9(2D)4p—3d9(2D3/2)4d跃迁.对于Ni II 402.329,Ni II 429.102和Ni II 462.983的谱线,属于3p63d9—3p63d8(3P)4s跃迁. 二级谱线Ni II 217.495,属于3p63d8(3F)4s—3p63d8(3F)4p跃迁.激发态Ni II的形成是个双电子过程,一个电子被电离,同时另一个电子被激发.与单电子激发过程相比,这样的双电子过程发生的概率较小,所以实验中仅测到4条Ni II谱线,而测到丰富的Ni I谱线.本文着重讨论低速高电荷态离子与金属Ni表面相互作用中溅射原子光谱和入射离子中性化光谱与电荷态(势能)的关联性.选择图2中Xe II 410.419 nm,Xe III 430.444 nm,Xe II 434.200 nm,Xe II 486.254 nm,Ni I 498.245 nm,Ni I 501.697 nm,Ni I 503.502 nm,Ni I 505.061 nm和Ni I 508.293 nm谱线,测量不同电荷态离子入射产生的光子产额.

图2 0.38VBohrXe20+与Ni表面相互作用发射的光谱图Fig.2.Optical emission from the interaction of 0.38VBohrXe20+ions with nickel surface.

利用单电荷态离子入射[21,22],几乎没有关于入射离子发射可见光波段的报道.在高电荷态离子与金属作用过程中,入射离子在可见光波段发射谱线的报道也很少[29].图2包含了入射离子中性化发射的Xe I,Xe II和Xe III谱线.根据Xe离子和Ni原子的质量比,这些谱线不能来自于背散射的Xe离子.根据经典过垒模型[8,29,30],当高电荷态Xeq+离子与金属Ni表面的距离达到关键值时,靶表面的电子会被共振俘获进入到入射离子的轨道(q≫1),形成高激发态.这里的q是入射离子的电荷数.对于0.38VBohrXe20+离子入射Ni表面 (WNi≈5 eV),dc和nc分别为34 a.u.和21.根据公式t=dc/v,入射离子在距离d=dc和d=0的飞行时间间隔大约为1 fs.对于相同速度的Xe4+,6+,15+,17+离子入射,其飞行时间间隔均小于1 fs.对于研究的Xe I—III谱线对应能级的辐射寿命从几个飞秒到几百个飞秒[31−35].因此,入射离子辐射可见光不能发生在离子与靶碰撞之前,可以推测入射离子辐射可见光主要发生在靶的上表面.另外,电子被俘获进入第21壳层,形成高激发态,其向低能级级联退激的过程中,可以形成电荷态q6 19,壳层n6 21的多种跃迁,由于受探测范围的限制,实验仅测量400—510 nm波段范围内的谱线,在这一波段范围主要是Xe原子和低价态Xe+和Xe2+离子发射的谱线.为了研究入射离子发射谱线与电荷态(势能)的依赖关系,利用相同速度、不同电荷态的Xe4+,6+,15+,17+,20+离子分别与Ni表面作用,研究谱线的光子产额随电荷态的变化.图3—图6分别给出了谱线Xe II 410.419 nm,Xe III 430.444 nm,Xe II 434.200 nm和Xe II 486.254 nm的光子产额随入射离子电荷态的变化结果.

图3 谱线410.419 nm光子产额和势能随电荷态的变化Fig.3.Photon yield at 410.419 nm and potential energy vs.charge state of incident ion.

图4 谱线430.444 nm光子产额和势能随电荷态的变化Fig.4.Photon yield at 430.444 nm and potential energy vs.charge state of incident ion.

图5 谱线434.200 nm光子产额和势能随电荷态的变化Fig.5.Photon yield at 434.200 nm and potential energy vs.charge state of incident ion.

图6 谱线486.254 nm光子产额和势能随电荷态的变化Fig.6.Photon yield at 486.254 nm and potential energy vs.charge state of incident ion.

从图3—图6看出,入射离子中性化发射谱线的光子产额随着入射离子电荷态的增加而增加,与势能增加趋势基本一致.根据经典过垒模型[29,30],相同速度的Xe4+,6+,15+,17+,20+离子与金属Ni作用,入射离子电荷态越高,其作用距离越大,在作用距离d=dc和 d=0之间飞行的时间越长,这会增加入射离子中性化辐射光的强度.另外,Xe4+,6+,15+,17+,20+离子俘获Ni表面的电子分别进入nc为5,7,15,17和21高激发态,较高电荷态的入射离子俘获电子进入较高的激发态,俘获较多的电子,这也会导致辐射光子数较多.所以,入射离子发射谱线的光子产额随着入射离子电荷态的增加而增加.在图3中,谱线Xe II 410.419 nm对应跃迁5p4(3P2)5d2[1]3/2—5p4(1D2)6p2[1]3/2,在电荷态4+时,入射离子俘获的第一个电子进入nc为5的壳层,进一步俘获的电子进入更低的壳层,无法形成Xe+5p4(1D2)6p态,所以没有测量到谱线Xe II 410.419 nm;随着电荷态的增加,当电荷态6+时,谱线出现;随着电荷态进一步增加,光子产额增加.在图4中,谱线Xe III 430.444 nm对应跃迁5s25p3(2D)5d3D3—5s25p3(4S)4f5F3,在电荷态4 6 q 6 20的范围,都可以形成Xe2+5p3(4S)4f态,均测量到此谱线,其光子产额随着电荷态增加而增加.在图5和图6中,在电荷态(q 6 4)较低时,由于Xe4+俘获的电子进入nc=5的壳层,谱线Xe II 434.200 nm(5p4(3P1)6p2[1]3/2—5p4(3P2)8s2[2]5/2)和Xe II 486.254 nm(5p4(3P2)6p2[2]5/2—5p4(3P2)7s2[2]5/2)都没有观测到,当电荷态增加到6+时(nc=7),较低激发态(Xe+7s)产生的谱线Xe II 486.254 nm出现,依然没有观测到谱线Xe II 434.200 nm;随着电荷态进一步增加,当电荷态增加到15+时,谱线Xe II 434.200 nm出现,两条谱线均随电荷态的增加而增加.以上分析与经典过垒模型描述的电子俘获过程符合.

在Xeq+离子靠近和进入Ni表面俘获电子的过程中,伴随着各种能量传递过程,这会导致Ni原子的激发和溅射,处于激发态的Ni原子退激辐射出可见光[36].Tribble等[37]认为靶原子发射的光子是包括了溅射靶原子和靶表面两个部分发射的.Postawa等[38]通过电子和离子轰击碱金属卤化物靶的研究表明,重离子轰击固体发射的光子是由溅射原子发射的.如果Ni原子还在靶内,其辐射的光子的频率和离开靶的自由原子发射的光频率是不同的,这与实验观测不符[39].由于激发态原子较大,不能长时间存在于靶内,靶内激发态原子退激时,即使有光子发射出来,也会很快被临近的粒子吸收.所以,在Xeq+离子与Ni表面作用过程中,靶原子发射的光子只能来源于溅射原子.当入射离子与靶表面作用时,其动能通过与靶核间的静电相互作用传给靶原子,引起靶原子的溅射,这一过程是动能溅射过程.在入射离子初动能为几百keV时,主要发生的是线性级联碰撞过程[2].同时,高电荷态离子携带的势能沉积在金属表面,也会引起溅射.另外,研究表明当溅射原子离开靶表面较大距离时,发生电子隧穿(electron tunneling)过程形成靶原子激发态[40−42],所以,高电荷态离子与金属表面作用过程中,靶原子激发态形成,是动能和势能协同作用的结果.

图2包括了丰富的Ni原子谱线.为了研究势能对溅射原子可见光发射的影响,利用相同速度,不同电荷态的Xe4+,6+,15+,17+,20+离子分别与Ni表面作用,研究了溅射原子光子产额随入射离子电荷态的变化,图7—图11分别给出了谱线Ni I 498.245 nm,Ni I 501.697 nm,Ni I 503.502 nm,Ni I 505.061 nm和Ni I 508.293 nm的光子产额随入射离子电荷态变化的结果.

从图7—图11可见,溅射靶原子发射谱线的光子产额随着入射离子电荷态的增加而增加,与入射离子势能增加趋势一致.0.38 VBohrXe4+,6+,15+,17+,20+离子与Ni作用,入射Xeq+离子的势能和动能都会导致靶原子的溅射和激发.在本次实验中,入射离子动能不变,入射离子势能从104 eV(对于Xe4+)增加到4561 eV(对于Xe20+),所以光子产额的增加是势能增加造成的[43,44].在图3—图11中,不同电荷态的离子入射时,谱线的光子产额偏离势能曲线,这是由于入射离子能量一定,炮弹与靶材之间能量竞争,以及靶材各个过程,包括形成不同激发态、靶原子溅射、二次离子发射、电子发射、X射线辐射等各个过程之间存在能量竞争导致的.例如在电荷态20+时,形成较少的激发态Ni I 5s,导致谱线Ni I 501.697 nm(Ni I 3d8(3F)4s4p—3d84s(4F)5s)的光子产额低于势能曲线;同时形成较多的激发态Ni I 4d,导致谱线Ni I 503.502 nm(Ni I 3d9(2D)4p—3d9(2D3/2)4d)的光子产额高于势能曲线.关于高电荷态Xeq+离子与金属Ni表面之间复杂相互作用更加详尽的描述,有待于进一步的研究.

图7 谱线498.245 nm光子产额和势能随电荷态的变化Fig.7.Photon yield at 498.245 nm and potential energy vs.charge state of incident ion.

图8 谱线501.697 nm光子产额和势能随电荷态的变化Fig.8.Photon yield at 501.697 nm and potential energy vs.charge state of incident ion.

图9 谱线503.502 nm光子产额和势能随电荷态的变化Fig.9.Photon yield at 503.502 nm and potential energy vs.charge state of incident ion.

图10 谱线505.061 nm光子产额和势能随电荷态的变化Fig.10.Photon yield at 505.061 nm and potential energy vs.charge state of incident ion.

图11 谱线508.293 nm光子产额和势能随电荷态的变化Fig.11.Photon yield at 508.293 nm and potential energy vs.charge state of incident ion.

4 结 论

利用0.38VBohr高电荷态Xe4+,6+,15+,17+,20+离子与金属Ni表面相互作用,研究了作用过程中溅射靶原子和离子谱线,以及入射离子中性化后发射的谱线.结果表明,光子产额随着入射离子电荷态的增加而增加,与势能增加趋势一致.此结果有助于探究高电荷态离子在金属表面的电子俘获和势能沉积过程,以及金属靶材对高电荷态离子入射的响应机制.

感谢中国科学院近代物理研究所320 kV高电荷态离子综合研究平台的运行人员提供束流.

[1]Schneider D H G,Briere M A 1996Phys.Scr.53 228

[2]Wang G H 1988Physics of Particle Interactions with Solids(Part 1)(Beijing:Scientific Press)pp267–346(in Chinese)[王广厚1988粒子同固体相互作用物理学(上册)(北京:科学出版社)第267—346页]

[3]Burgdorfer J,Morgenstern R,Niehaus A 1986J.Phys.B:At.Mol.Phys.19 L507

[4]Burgdorfer J,Reinhold C,Hagg L,Meyer F 1996Aust.J.Phys.49 527

[5]Winter H,Aumayr F 1999J.Phys.B32 R39

[6]Bethe H A,Salpeter E E 1957Encyclopedia of Physics(Handbuch der Physik)(Berlin,Heidelberg:Springer)pp334–409

[7]Schenkel T,Barnes A V,Niedermayr T R,Hattass M,Newman M W,Machicoane G A,McDonald J W,Hamza A V,Schneider D H 1999Phys.Rev.Lett.83 4273

[8]Burgdorfer J,Lerner P,Meyer F W 1991Phys.Rev.A44 5674

[9]Schenkel T,Hamza A V,Barnes A V,Schneider D H 1999Prog.Surf.Sci.61 23

[10]Lemell C,Winter H P,Aumayr F,Burgdorfer J,Meyer F 1996Phys.Rev.A53 880

[11]Sun L T,Zhao H W,Li J Y,Wang H,Ma B H,Zhang Z M,Zhang X Z,Guo X H,Shang Y,Li X X,Feng Y C,Zhu Y H,Wang P Z,Liu H P,Song M T,Ma X W,Zhan W L 2007Nucl.Instrum.Methods B263 503

[12]Zhao H,Su H,Xu Q,Guo Y,Kong J,Qian Y,Yang Z 2014J.Phys.:Conf.Ser.488 142012

[13]Roger K,Kerkdijk C B 1974Surf.Sci.46 537

[14]Wright R B,Gruen D M 1980Nucl.Instrum.Methods170 577

[15]Delaunay M,Fehringer M,Geller R,Hitz D,Varga P,Winter H 1987Phys.Rev.B35 4232

[16]Della-Negra S,Depauw J,Joret H,Le Beyec Y,Schweikert E A 1988Phys.Rev.Lett.60 948

[17]Aumayr F,Kurz H,Schneider D,Briere M,Mcdonald J,Cunningham C,Winter H P 1993Phys.Rev.Lett.71 1943

[18]Krása J,Láska L,Stöckli M P,Fehrenbach C W 2002Nucl.Instrum.Methods B196 61

[19]Andersen N,Andersen B,Veje E 1982Radiat.Ef f.60 119

[20]Braun M 1979Phys.Scr.19 33

[21]White C W,Tolk N H 1971Phys.Rev.Lett.26 486

[22]Ryabchikova T A,Landstreet J D,Gelbmann M J,Bolgova G T,Tsymbal V V,Weiss W W 1997Astron.Astrophys.327 1137

[23]Cowley C R,Mathys G 1998Astron.Astrophys.339 165

[24]Cowley C R,Hubrig S 2012Astron.Nachr.AN333 34

[25]Yong D,Brito A A,Costa G S D,Alonso-García J,Karakas A I,Pignatari M,Roederer I U,Aoki W,Fishlock C K,Grundahl F,Norris J E 2014Mon.Not.R.Astron.Soc.439 2638

[26]Carraro G,Villanova S,Monaco L,Beccari G,Ahumada J A,Boffin H M J 2014Astron.Astrophys.562 A39

[27]Fuhr J R,Martin G A,Wlese W L,Younger S M 1981J.Phys.Chem.Ref.10 305

[28]http://physics.nist.gov/cgi-bin/ASD/lines1.pl.[2018-1-20]

[29]Morishita Y,Kanai Y,Ando K,Hutton R,Brage T,Torii H A,Komaki K,Masuda H,Ishii K,Rosmej F B,Yamazaki Y 2003Nucl.Instrum.Methods B205 758

[30]Lake R E,Pomeroy J M,Sosolik C E 2011Nucl.Instrum.Methods B269 1199

[31]Miller M H,Roig R A,Bengtson R D 1973Phys.Rev.A8 480

[32]Jimenez E,Campos J,Sanchezdel R C 1974J.Opt.Soc.Am.64 1009

[33]Coetzer F J,Westhuizen P 1980Z.Physik A294 199

[34]Pegg D J,Gaillard M L,Bingham C R,Carter H K,Mlekodaj R L 1982Nucl.Instrum.Methods202 153

[35]Das M B,Karmakar S 2005Eur.Phys.J.D32 285

[36]Suchanska M 1997Prog.Surf.Sci.54 165

[37]Tribble R E,Prior M H,Stokstad R G 1990Nucl.Instrum.Methods B44 412

[38]Postawa Z,Rutkowski J,Poradzisz A,Czuba P,Szymonski M 1986Nucl.Instrum.Methods B18 574

[39]Assad C,Liu W,Tribble R E 1991Nucl.Instrum.Methods B62 201

[40]Veje E 1983Phys.Rev.B28 88

[41]Veje E 1983Phys.Rev.B28 5029

[42]Veje E 1988Z.Phys.B:Condens.Matter70 55

[43]Takahashi S,Nagata K,Tona M,Sakurai M,Naka-mura N,Yamada C,Ohtani S 2005Surf.Sci.593 318

[44]Makoto S,Kouji S,Takahiro M 2016J.Surf.Sci.Nanotechnol.14 1