碰撞电离过程中靶原子内壳层空穴态定向行为研究

In impact ionization processes, the excited atoms decay radiatively by the emission of X-rays or radiationlessly by the Auger process. The precise measurement of ionization cross sections plays an important role in many practical fields, so it is must be considered whether the emission of X-ray is isotropic in collision process. There are two predictions on the alignment for vacancy state in impact collision. One view predicts that vacancies created by ion-atom collisions in states with j > 1/2 are aligned and X-rays (or Auger electron) emission following the decay of vacancies are anisotropic and polarized; the other view, which contradicts the above view, predicts that vacancy states produced by impact collision with j ≥ 1/2 are unaligned and thus X-rays (or Auger electron) emitted are all isotropic and unpolarized. Until now, the behavior of the alignment for vacancy state in impact ionization processes is not clarified yet. Based on the systematic summary of recent research progress, this project will focus on the dependence degree of the alignment behavior for vacancy state on the incident energy, charge state and projectile atomic number. The research work is conductive to clarify the different argument. Obviously, this project research not only has a good academic significance on the exploration of the behavior for vacancy state in atomic physics, but also has important practical value in X-ray fluorescence analysis via the method of Particle Induced X-ray Emission (PIXE).

碰撞电离导致靶原子内壳层产生空穴的退激过程对应发射特征X射线或俄歇电子。目前很多领域都迫切需要精确的原子内壳层电离截面数据，而原子内壳层电离截面的测量必须考虑特征辐射（如X射线）是否是各向同性的。当前对原子空穴态的定向行为有两种论断，一种认为被电离电子的空穴态在满足总角动量量子数j>1/2时，伴随空穴衰变发射的特征辐射或俄歇电子相对于入射束方向而言是各向异性分布和激化的；另一种论断则认为碰撞电离过程中空穴退激发射X射线和俄歇电子都是各向同性的，与空穴态的总角动量量子数无关，国际上关于空穴态定向行为的实验研究仍没有定论。本项目在对当前研究进展进行系统总结的基础上，着重研究空穴态定向行为与入射离子能量、电荷态和原子序数的关联程度，完善对空穴态定向行为的论断。项目研究不仅对原子物理中空穴态定向行为的深入探索具有良好的学术意义，同时在粒子诱发X射线荧光分析方面也有重要的应用指导价值。

在碰撞电离过程中靶原子内壳层会由于电离而产生空穴，空穴退激对应发射特征X射线或俄歇电子。考虑到原子内壳层电离截面数据在诸多应用领域的重要性，必须澄清特征辐射是否是各向同性发射。目前对空穴态的定向行为有两种论断，一种认为：当被电离原子的空穴态在满足总角动量量子数j大于1/2时，伴随空穴衰变的特征辐射或俄歇电子相对于入射束方向而言是各向异性分布和激化的。而另一种论断则认为碰撞电离过程中空穴退激发射X射线或俄歇电子都是各向同性的，与空穴态的总角动量量子数无关。近年来空穴态的定向行为尚未被研究清楚。因此依托本项目的资助，课题组已开展粒子束与固体碰撞诱发特征X射线发射实验，研究了实验结果与这两种理论描述的符合程度。研究过程中通过改变入射粒子能量来考察在碰撞电离过程中入射粒子能量对特征辐射各向异性参数和定向度的影响。项目组利用X射线源、电子束与离子束分别与Ta，W，Au，Ag，Pb等金属靶作用，实验测量碰撞电离过程中不同出射角度下靶原子的特征辐射谱。（1）光电离：以W靶为例，发现Lα和Lβ2射线呈现出各向异性的角分布，而Lβ1特征射线则呈现出各向同性发射。这说明特征辐射的角分布受到被填充空穴态的定向行为所影响（2）电子碰撞电离：在10keV的电子轰击Ag靶过程中测量了Ag原子的L系特征谱，并计算得到特征辐射的强度和微分截面，实验表明Ag靶只有Lα特征辐射在空间上是各向异性的，其余特征峰都是各向同性发射的。（3）离子碰撞电离：在中国科学院近代物理研究所320kV高压平台研究了质子入射诱发Cd和In靶特征辐射的角分布，发现在该能区内，并未发现较强的角相关性，并给出了详细的物理分析。最后，实验上验证了第一种论断可以准确描述实验结果。