（粒子物理与原子核物理专业论文）高电荷态离子和中性原子光谱研究.pdf

摘要 本论文包括高电荷态离子禁戒跃迁的实验和理论研究，以及荧光灯管内中性 原子的光谱实验研究。 高电荷态离子相关物理的研究是一门颏的学科，关系到许多学科。它对原子 结构、核结构、相对论、量子电动力学、基本相互作用的研究和检验，以及对天 体、聚变等各类等离子体的研究和诊断都很重要。例如，基于好的原子波函数不 但应该准确预言允许跃迁几率，同时也应该准确预言禁戒跃迁几率，所以通过对 禁戒跃迁的研究，可以更严格的检验原子结构理论。而许多禁戒跃迁谱线的相对 强度又受等离子体温度和电子密度的影响，允许跃迁与禁戒跃迁谱线的强度比值 可以作为局部等离子环境的标示。一个有效的等离子诊断，需要对禁戒跃迁有充 分的掌握。所以禁戒跃迁的实验研究不但为原子结构的理论研究提供必不可少的 实验依据，同时也为等离子体物理，天体物理和核物理等研究领域提供必要的数 据，对可控核聚变发展研究以及高功率短波长激光器研制更有着极其重要的意 义。 本文主要是研究n = 3 ，a n = 0 的禁戒跃迁谱线，特别是类硅离子从五重态 跃迁到三重态产生的谱线。因为类硅离子外层有4 个价电子，要考虑的情况较复 杂，目前无论是理论上还是实验上给出的这类离子的数据还不够多。据我们所知， 近期主要有两篇关于3 j 2 3 p 23 只：一3 s 3 p ”最禁戒跃迁等电子系列趋势研究的文章 发表，它们用的都是束箔光谱学( b f s ) 方法，但给出了截然不同的等电子趋势。 在理论方面，目前主要的两个相关等电子系列理论计算，给出的结果和实验也存 在不相符的地方。在这种背景下，我们从实验和理论两方面展开了工作。 在实验方面，我们在国际上用束箔光谱方法首次对类硅r h ( z = 4 5 ) 离子的 3 j1 3 p 23 鼻：一3 s 3 p ”s ，这两个禁戒跃迁谱线进行了研究。之所以选r h 离子，是 冈为已做的研究基本集中在z 5 0 区域已研究的元素只有x e ( z = 5 4 ) 和a u ( z = 7 9 ) ，r h 位于这两者 之间，可以成为联系这两部分的研究的桥梁，这对判断等电子系列趋势在z ，5 0 的行为是很关键的。在理论方面，我们采用m c d f ( m u l t i c o n f i g u r a t i o nd i r a c f o c k ) 的g r a s p ( g e n e r a lp u r p o s er e l a t i v i s t i ca t o m i cs t r u c t u r ep a c k a g e ) 程序包对类硅z n ， k r z l n b ，m o ，r h ，x e ，a u 离子的3 s2 3 p 23 只2 3 s 3 p ”s 2 跃迁能级进行了计算计 算中聚用逐次基矢展开方法，从而较好的考虑了4 个价电子之间的关联作用，得 到了缀好的收敛结果。通过我们实验和理论两方蕊的研究，指出错误的等电予系 弼趋势，基本支持了勇一个等电予系列趋势。 本论文包括的男一项工作是荧光灯内中性原予光谱学的研究。这项研究是本 人作为交换学生在瑞热完成的，项掰由欧共体资助，目标为寻求照适合人类健膝， 吏萤辘靛照明瑁磊。强蘸雳豹都蹩禽h g 懿荧光灯，疫弃熬汀鬻对嚣境造藏了污 染，同时现在居家和办公室用的荧光灯无论是盥色指数还是色温都较高，不刹予 眼睛的保护和人们在紧张的生活厝的放松。对荧光灯的研究就照为了寻求更好的 照嚼毙源，鞋爨护环壤，节謇毫麓，诖太弱基耄黧活雯豁适，鸯着强大豹应掰赞 值。 谯该部分工作中，我们主要研究在不同h g 禽爨条件下，灯管内各惰性气体 孛瞧蒙予谱线强度弱交位，蒡显瓣荧毙灯骛不嗣绽霍蕊谱线送行7 毙较。 关键溺：毫电芬态褰予，禁残跃迁，m c d f ，类疆离子，等龟予系爨，c c d ，撩 入射光谱仪，寿命测艇，荧光 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n c l u d e st h r e ep a r t s ：t h ee x p e r i m e n t a la n dt h et h e o r e t i c a ls t u d i e sf o r i n t e r c o m b i n a t i o nl i n e si nh i 曲l yc h a r g e di o n s ( h c t ) ，a n dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo n s p e c t r ao f n e u t r a la t o m si nf l o r e s c e n tl i g h tt u b e t h es t u d yo nt h er e l e v a n tp h y s i c so fh c ii san e ws u b j e c t 。i ti sn o to n l yv e r y i m p o r t a n tf o rt h es t u d ya n dt e s to fa t o m i cs t r u c t u r e ，n u c l e a rs t r u c t u r e ，t h e o r yo f r e l a t i v i t y , q u a n t u me l e c t r o d y n a m i c s ( q e ma n de l e m e n t a r yi n t e r a c t i o nb u ta l s ov e r y cr u c i a lf o rt h e s t u d y o f a s t r o n o m y a n d p l a s m ad i a g n o s t i c s 。s i n c e a n i n c e r c o m b i n a t i o nl i n ei sd i r e c t l yc a u s e db yt h em i x i n go fs t a t e sa n dt h e o r e t i c a l t r a n s i t i o np r o b a b i l i t i e sa r ev e r ys e n s i t i v et ot h eq u a l i t yo ft h ew a v ef u n c t i o n su s e d ， t h ee n e r g ys e p a r a t i o nb e t w e e nt h ei n t e r a c t i n gs t a t e sm u s tb ea c c u r a t e l yr e p r e s e n t e d ， c a l c u l a t i o n so ft h e s er a t e sb ya bi n i t i om e t h o d sr e q u i r ec a r e f u lt r e a t m e n to fs e v e r a l f a c t o r s ，i n c l u d i n ge l e c t r o n c o r r e l a t i o na n ds p i n o r b i ti n t e r a c t i o n s e x p e r i m e n t a l s t u d i e so fi n t e r c o m b i a n t i o nr a t e st h u sp r o v i d ev e r ys t r i n g e n tt e s t so fa t o m i cs t r u c t u r e c a l c u l a t i o n s a n dt h er e l a t i v es t r e n g t ho fm a n yf o r b i d d e nl i n e sa r ee f f e c t e db yt h e p l a s m at e m p e r a t u r ea n de l e c t r o nd e n s i t y s ot h ee n e r g i e so fi n t e r c o m b i n a t i o n t r a n s i t i o n sa l en e e d e df o r t h ed i a g n o s i n ga s t r o p h y s l c a a n dl a b o r a t o r yp l a s m a s t h ef i r s tt w o p a r t s c o n c e n t r a t eo nt h e w a v e l e n g t h f o rn = 3 ，a n = o i n t e r c o m b i n a t i o nl i n e s i nt w or e c e n t p u b l i c a t i o n sf o rt h e 3 s 23 p 23 只2 3 s 3 p ”s 2 t r a n s i t i o n si ns iis e q u e n c e ，q u i t ed i f f e r e n ti s o - e l e c t r o n i cd e v e l o p m e n t sw e r er e p o r t e d f o rt h e s et w ot r a n s i t i o n s b o t ho ft h e s et r e n d sw e r es u p p o r t e db yd a t ao b t a i n e du s i n g s i m i l a rm e t h o d s ，i e b e a m f o i ls p e c t r o s c o p y ( b f s ) a n dt h et w or e p o r t e dt r e n d s i n d i c a t eq u i t ed i f f e r e n tw a v e l e n g t h sf o rt h ea b o v et r a n s i t i o n sa n db o t ho f t h e mc l e a r l y d i f f e rf r o mt h en e w e rc a l c u l a t i o n sb yi s h i k a w a 。o nt h i sb a c k g r o u n dw ep u to u r i n t e r e s ti nt h es i - l i k er h x x x i ii o n f i r s t l yw ea l s ou s e dt h em e t h o d so fb f st o o b t a i n e dt h ew a v e l e n g t h so ff h e 孙2 3 p 23 只2 - 3 s 3 p ”s 2i n t e r c o m b i n a t i o nl i n e s ， h o w e v e r , w eh a v eu s e dac c dd e t e c t o rs y s t e mt og r e a t l yi m p r o v es i g n a l n o i s er a t i o s ， s e c o n d l y w eu s e dt h eg r a s p ( g e n e r a lp u r p o s er e l a t i v i s t i ca t o m i cs t r u c t u r ep a c k a g e ) o f m c d f m e t h o d t od os o m ec a l c u l a t i o n so n t h e3 s 2 3 p ”鼻，2 3 s 3 p ”岛t r a n t s i t i o n s 1 i ns i l i k ei o n sz n ，k r , z n h ，m o ，r h ，x e , a u a tl a s tw ef i n do u tt h ec o r r e c tt r e n d w h i c hh a sb e e np o i n t e do u ti nt h ea b o v et w op a p e r s ， t h el a s tp a r to f t h i st h e s i si st h es p e c t r a ls t u d i e so f n e u t r a la t o m s 融t h ef l o r e s c e n t l i g h tt u b e t h i sw o r kw a sd o n ed u r i n gt h ep e r i o dw h e nt h ea u t h o rs t a y e di nl u n di n s w e d e n 嚣sa ne x c h a n g es t u d e n tu n d e rt h es w e d i s hl i n n a u s p a t m ep r o g r a ms u p p o r t e d b ys w e d i s hg o v e r n m e n t g l a s st u b e sp a r t l ye v a c u a t e da n ds p a r s e l yf i l l e dw i t har a r eg a s ，s u c ha sa r g o no r k r y p t o n ，a n d s p i c e d w i t hal i t t l em e r c u r yh a v eb e e nk n o wt ob eu s e f u lp r o d u c e r so f l i g h tf o ra r o u n d2 6 0y e a r s 。h o w e v e r , o n l ya b o u t5 0 6 0y e a r sa g oi tw a sr e c o g n i z e d t h a tt h i sk i n do fl i g h ts o u r c ew o u l db e c o m eo n eo ft h em o s te f f i c i e n tw a yt ol i g h t h o m e sa n do f f i c e sa r o u n dt h ew o r l d a l t h o u g ht h e r ei sa no v e r a l lp i c t u r eo fh o wt h i s r a t h e rs i m p l el i g h ts o u r c ew o r k s t h ee x a c td e t a i l sa r es t i l ln o tf u l l yu n d e r s t o o d t h i si s o f c o u r s e ，p a r t l yd u et ot h ev a s ta m o u n to f a t o m i cd a t an e e d e dt od e s c r i b et h ed e t a i l e d e x c i t a t i o n d e - e x c i t a t i o np r o c e s s e so c c u r r i n gi nt h el a m pp l a s m a m o s t ，i fn o ta l l ，o f t h i sd a t ai s r e q u i r e d i nt h em o s td i f f i c u l tr e g i o n st oo b t a i nb o t hf r o mt h e o r yo r e x p e r i m e n t ，i e t h et h r e s h o l dr e g i o n so f e l e c t r o ni m p a c te x c i t a t i o ne t c 。t h em a i ng o a t h e r ew a st os t u d yt h eo p e r a t i o no ff l o r e s c e n tt u b e sa saf u n c t i o no ft h ec o n t e n to f m e r c u r y t h es u b j e c to ft h i sw o r ki st os t u d yt h eb e h a v i o rf o rt h es p e c t r a li n t e n s i t i e s a saf u n c t i o no f h gc o n t e n ta n dm e a s u r e m e n tp o s i t i o ni nf l o r e s c e n tl i g h tt u b e s 。 k e ) w o r d s ：h c i ，i n t e r e o m b i n a t i o nl i n e s , m c d f , s i - l i k ei o n s , i s o e l e c t r o n i cs y s t e m ， c c d ，g r a z i n gi n c i d e n c es p e c t r o m e t e r , l i f e t i m em e a s u r e m e n t , f l o r e s c e n ts p e c t r a 4 第一章引言 本工作主要磷究内容包括麴下三个帮分：第一部分是类穗离子禁戒跃迁 的实验研究，第二部分是类硅离予禁戒跃迁能级结构和波长的理论研究，第 三部分是灯管荧光光避实验研究。其中第一、= 两部分研究对象是离电旖态 离子，第三帮分工髂豹对象是孛瞧原子。 1 1 背景和意义 在遴常实验室条件下，人们用物理和化学方法来获得离予，从原子上剥离 的电子一般是少量的价电子，所以得到的都是较低电荷态的离子。但是，在 星球弼秘宇蛮中，袋蠹是在实验塞藩滠等裹予体中，蒙子审豹电子虿以竣大 量剥离，不仅价电予，内部深层的电子也可以被电离，使原予成为高电衙态 的离子。过去产生简电荷态离子的手段很有限，电荷态高于2 - 3 价的离子就 已经皱称俸囊电荧悫离子。夔罄炭验手段嚣发鼹，入韬在实验室中麓够产燕 和研究的离子电荷悫越来越高。随着对高电荷态离子的逐渐了解，人们对自 然界及宇宙的认识也在不断加深。例如，过去一直认为日冕( s o l a rc o r o n a ) 温 度靼太鞭表嚣温度接近，犬绞6 0 0 0 。c ，遥过辩f e 蘸电蘅态寒予禁戒跃迂的礤 究，人们才发现，醋冕中的未知谱线并不是源予地球上未知的元素，而是”+ 离子的谱线，而要产生1 2 价的f e 离子，6 0 0 0 。c 是不够的，由此知道目冕的 温度高迭几百万度【2 l ，远远高子太阳表蟊的温度。 不同禁戒跃迁对应着不同的物理辊割。磁如自旋禁藏数逐来自于穗对论 效应引起的不同自旋轨道项的混合；宇称不守恒跃迁则来自原子核中核子与 电子鲍弱援互作用所导致的不同字称波函数的混合。通过对禁戒跃迁的硪究 可以避一步裣验簸予结鞠理论，可敬瑟裰对谂及基本耱互 警蠲遂行检验。通 过同组态超精细能缀之间的禁戒跃迁研究又能够对核结构进行研究。同时， 这些研究又为某些麓额科技提供羹要数据p j 。 在过去魏a 卡年中，太钠露窳篷光谱方法对大量元素熬务释袄迂避行了 研究，通过对等电子系列的研究，研究了不同物理机制沿鬻蒋电子系列体现 出的0 i 同贡献。对低激发态自旋黎戚跃迁的研究，类钠离子游电子系和类镁 离子等电子系列的数据较为完整，类铝系列数据相对少了许彩，只有一贱零 星搬警，如p i i t 和s i r 最重到m o x x x 4 】的3 j 2 3 2 p 一3 s 3 p 24 p 的禁戒跃迁的磅 究，然而除了x e 稻a u 【5 l 努，凡擎没有眈m o 燹鬟翡离子的数据。两在类黢离 子中，关于3 s 2 3 p 23 以，一3 s 3 p ”s ，的禁戒跃迁的研究更少。翻际上近年来主臻 有两篇 6 , 7 1 摄导，但给蹬了截然不闻的等电子系列趋势。这两个不同趋势变化 是觚z 。4 0 5 0 之麓拜始懿，所驻我识选择磁究r h ( z = 4 5 ) 蓠子，这对翔鞭等 电子系列趋势的行为是很关键的。本文在实验上首次对其 3 s 2 3 p ”只，一3 s 3 p ”s ，禁戒跃迁进行了研究，包括谱线测量、识别和较刻。在 瑗论方程，我靛采瓣多缝态d i r a c * f o e k ( m c d f ) 方法，对类硅z n ，k r , z r , n b ，m o ， r h ，x e ，a u 离子的3 s 2 3 p 23 只：一3 s 3 p 3 5 e 跃迁能毅结构和跃迁波长进行了系统 计算，计算中采用谖次基矢展开的方法，获得了很好的收敛缡果。通过实验 蟊莲沧涎方矗熬曩跨究，获露基搴支持了上述文漱【司孛绘塞豹等迤子系磷趋势。 第三部分工作是灯管荧光光谱的研究，其背景和意义在第四章中介绍。 l 。2 麓毫麓态离予源及离子浇源篾奔 长期以来，在实验室中产生可控制的高电荷态离子是非常困难的事情， 需要经过衰大于被壤枣电子靛束缚髓豹履心系磁撞能量戆多次碰撞电离。暹 常有鼹种方法：一感通过高速运动离子产生，= 怒通过高速逡动电子产生。 1 通过高速运动离子产生 这种方法，主要是通过加速嚣产生赢能离子( g e v 量级) ，然后用高娩遂予 轰击凿体或气体靶，使得离子串的电子旋剥离产生高电荷态。离子能重越黼， 则碰撞中被剥离电子越多，产生的离子电荷态越商。 在这种方法中趱动的是离子，两离子很重，所以碰撞中离子能量很大一 部分黉弼来维持覆心运动，醵髹捧麓藿帮动萋谨速，灵畜强，j 、一部分糍豢是 留给碰撼电离的。离子能量越高，碰撞能量所占份额越小。 这一途径产生的高电荷态离子通常是在商滤运动当中的，它们辐射的光 子麓萋蠢绞大豹多营赣效痉。 2 通过高速运动电子产生 这种方法主要用于e c r l 8 1 和e b i s e b i t l 9 1 装鬣中，通过各种途径对电予加 6 速，如往e c r 中通过无线电波使电子产生共振并对电子加速，丽在e b i s e b i t 中则通过静电方法对电子加速。然后，高速运动的电子与离子( 原子) 多次碰 撞，将离子翡束缚嘏子莉离，产爱商电蕊态离子。这释方法辘量翻用率赢， 同时产生的离子运动速度很低，发射的谱线的多普勒展宽比加速器产生的情 况要小很多。 黉努，还弯整 ；肇嚣产生不w 控翻靛离毫耱恋离子，宝鬻是各类蔫瀣麓 离子体，比如激光等离子体，核聚变等离子体【10 】辞。 对于商电荷态离子光源，并不都要求离子w 控，所以备炎高温等离子体 翅霉俸为竞潺。壤舞骚究痰容豹舞要，霹鞋逸择不目竞源。跑懿激竞等篱子 体，磁约束等离子体都是很好的简电荷态离子光源，它们的优点是光强度商， 缺点怒肖卫星线的干扰，且这种干扰是无法摆脱的，使得对谱线的形状，位 置熬磺究难鞋擞彝缀薅确。 而基于加速器的光源，如本文的禁戒跃迁实验研究采用的束箔光源【1 i 】( 柬 箔光谱举的发展历史、研究现状和实验原理将襁第二章里介绍) ，就是以高速 运动藏予产生豹离子滚秀光源。来嫠是源专著鞋下见个优点：( 1 ) 离子电稼态 可通过选择入射离子柬的能量来选择；( 2 ) 由予加速器上都醚裔磁分析释，因 此获得的离子都是同位素纯的。( 3 ) 由于束箔激发是瞬时的( 1 0 。1 5 s ) ，存在一 个豺淘零点，可方便溅量能级寿命。曩兹，寒戆光谱方法是测羹高电赞态离 子在l p s 到l o o n s 藏国内能级寿命的准一方法。它的弱点燕谱线一般有较大 的多酱勒展宽，且光强较弱，这些会影响到谱线的识别。但慰，结合能级寿命 的测赣以及谱线能爨的测量，可以对未知谱线谯行很好的识别，这是它的独 鬟之熊。 e b i t 是目前国际上主要用于商电荷态离子研究的装置，它是以高速运动 电子产生的离子源为光源。e b i t 也属于弱光源，但由于其产生的高电荷态离 予运动速度校 曼，搿l 薹多普勒鼹赛缀夺，蠢对宅不含青翌蘩线，鼗菲鬻邋舍 通过离精度谱学方法进行的物理槲f 究。在e b i t 中，电子束缀电子枪发射，进 入离子阱，离子阱由中间三个漂移管组成，外加超导磁线圈。低电荷态离子 赘约絮、热熟帮剥凌主要发生程裹予辫蠢，瓣瘵予熬径自终寐靠电子素豹空 间电荷效应及磁场的约束作用，轴向约束由漂移管间的静电瓣垒提供，低电 荷态籀予被约束在阱内，通过电子束不断碰撞电离。通过选择电子束的能爨 7 和密度可以选择离子的电荷态。目前本所也正谯建造一台高麓e b i t ，为将来 通过赢精度谱学方法进行物理学研究提供了很好的契机。 1 3 联论方法概述 凝予结构弱量子力学理论蓑琴可戮建溯劐鞭原子的b o h r 搂鍪8 1 ，鹣羲 非相对论框架下的s c h r s d i n g e r 方糨和相对论d i r a c 方程的提出以及量子电动 力学的发展，人们对h 原子或类h 离子的原予结构有了非常渍楚的了解，这 主要褥薤予霹班精确浓解箕毫子泼灏数。毽是瓣予多电子孤予离子) 来说，灵 能采敬近似方法来研究，同时各种研究领域( 如可控聚变、天体物理学等) 需鼹 各种离精度的原子参数，因此离精度的原子结构理论研究仍然是原子物理学 镶域貉一个主要方羯。在磊子缝搀鹣理瓷磅究孛，彩嘀诗舅精度懿一令主要 因素遐组态相互俸用绒电子关联效应。根据组悫相互作用舆体处理的方式， 目前围际上通用的原子结构理论方法可以分成多组态( m c ，m u l t i - c o n f i g u r a t i o n ) 震野耱多体徽撬理论( m b p t , m a n y b o d yp e r t u r b a t i o nt h e o r y ) 嚣 大娄。 基于m c 的理论方法也可分成两类，一菸是在h f ( h a r t r e e f o c k ) 戏 o f ( d i r a c f o c k ) 单缎态叁洽场逐戳诗算鲍基础上毅单缝态的波露数作兔蕊矢 来考虑缀态相互作粥，如非相对论c i ( c o n f i g u r a t i o n i n t e r a c t i o n ) 、褶辩论 r c i ( r e l a t i v is t i cc o n f i g u r a t i o n - i n t e r a c t i o n ) 。国际上通用的有非相对沧 框架下的c o w a n 原予缝梅程序包i t 3 1 鞍相对论框浆下酶r e l c i 程序。由于这 类方法荔于实现，缝快速褥虱较为准确静结巢，因此我稍雀第二章豹实验研 究中采用了c o w a n 原予结构程序包作初步的计算和分析。另一类方法是雀包 含组态相互作用的情况下进幸亍自治场计簿，如非糨对论的m c h f ( 弧i t i c o n f i g u r a t i o nh a r t r e ef o c k ) 移耱对汝酾m c d f 等方法。嚣蘸謦黼上 通用的基于m c h f 或m c d f 方法的原予结构程序包分别由c f r o e s ef i s c h e r 和 ip g r a n t 以及他们的合作者经过长达三十余年的工作发展起来的。最早的 m c h f 疆痔包笈表在1 9 7 0 年泌1 ，2 0 0 0 年发表了宅豹最薪叛本。另并，逡可 从1 叫页h t t p ：w w w v u s e v a n d e r b i l t e d u c f f m c h f c o l l e c t i o n 了解剿其 最新的进艘。最早安现m c d f 方法的计算程序是出j p d e s c l a u x 于1 9 7 5 年 g 发表的m 】，其后g r a n t 于1 9 8 0 年发表了另一套m c d f 的计算程序”1 。目前国 际上通用的m c d f 程序包是由g r a n t 和其合作者于1 9 9 6 年发表的g r a s p 9 2 1 9 1 。 本文理沦研究中的离子核电荷数较高，需要在相对论框架下进行计算。同时， m c d f 适合用于高精度原子结构的计算，故我们在第三章的理论计算中采用 m c d f 方法，使用的程序包是g r a s p 9 2 的最新版本g r a s p v u 2 。 多体微扰理论( m b p t ) 是用一个局域的单电子有心模型势取代了电子间排 斥势，求解单电子的s c h r s d i n g e r 方程( 非相对论框架) 或d i r a c 方程( 相对论 框架) 来得到单电子能量和波函数，将电子关联和其它相互作用( 如b r e i t 相 互作用) 作为微扰项来考虑 2 ”。在第三章理论分析中我们对本工作进行的m c d f 计算结果与最近发表的i s h i k a w a 2 2 1 的m b p t 计算的结果进行了比较。 1 4 本博士论文的内容 论文第二章描写了类硅r h n - y3 s 2 3 p 23 只2 3 s 3 p ”s 2 禁戒跃迁的实验研究 方法、数据处理和实验结果的分析讨论。其创新点在于，我们利用束箔光谱 方法，在国际上首次对类硅r h 离子的3 s 2 3 p 23 只：- 3 s 3 p ”s ：禁戒跃迁谱线进行 了研究；此前的两篇1 6 , 7 1 关于类硅离子3 s 2 3 p 23 鼻：一3 s 3 p ”是禁戒跃迁研究的报 导里，给出的等电子系列趋势的分歧正是从z = 4 0 5 0 间开始，本工作通过对 类硅r h 离子的实验研究，说明其中b e n g t s s o n 6 给出的等电子系列趋势是错 误的。该研究结果己于2 0 0 3 年在n u c l e a ri n s t r u m e n ta n dm e t h o d si np h y s i c s r e s e a c hb 上发表。 第三章描写了理论方法，与类硅离子3 s 2 3 p ”e 1 ：一3 s 3 p ”s ：禁戒跃迁理论 计算结果和讨论。在这部分里，用的是m c d f 方法，对类硅的z n ，k lz l n b ，m o p d l ，x e ，a u 离子的孙2 3 p 23 只2 3 s 3 p ”s ：跃迁能级结构和跃迁波长进行了系统 计算，并将理论计算结果和此前i s h i k a w a t 2 2 1 用m b p t 计算得到的结果进行了 比较。发现i s h i k a w a 的结果在高z ( z = 5 4 ，7 9 ) 情况，与仅有的实验结果不符， 而我们的结果则与实验相符。这部分的理论计算结果和讨论已整理成文，并 已投递到j o u r n a lo fp h y s i c sb 。 通过上述实验利理论两方面的研究，说明了b e n g t s s o n 6 1 给出的类硅等电 子系列趋势是错误的，基本上支持了t r a b e r t t t l 给出的等电子系列趋势。 第四章是有关中性原子光谱的研究，描述了实验背景，实验研究内容及 结果讨论。通过物联方法改变灯铃内h g 蒸汽隧，研究这一改变过程中，。睫性 气毒搴谱线强度的变纯，证实了此静b a k k e r 文章1 2 ”中提到豹，可敬通过改炱灯 管中h g 的比例来改变电子平均能鬣的理论预言是正确的。同时将靠近灯煞处 的罄线釉灯管中部的漕线进行了比较，并对它们之间的差异避行了分析讨论， 这是过去的实验中帮忽略鳆迪方，过去天稍熬注意力都集中在汀警翡中郝。 研究的结果和讨论也已整理成文，并投递到j o u r n a lo fa d d l l e dp h y s i c s 。 第二章类硅离子禁戒跃迁的实验研究 本章主要介绍束箔光谱方法对类硅r h 离子的3 s2 3 p 23 # ：- 3 s 3 p ”s 2 的禁 戒跃迁进行的实验研究。 2 1 束箔光谱学简要原理、发展历史和现状 通过重离子加速器产生一束快离子，直接穿过一个薄箔( 通常是碳箔， b e 窗或氮气) ，离子和箔内原子碰撞，外层电子进一步被剥离，剩下的电子有 的被激发，随后退激而发光，就是束箔光源。 快速飞行的离子在穿过箔后会产生各种电荷态，它们的几率分布是能量 的函数，一般能量越高，产生的电荷态就越高。可以通过改变入射离子束的 能量，来改变不同电荷态离子的比重 2 4 】，从而有利于光谱分析。例如本文r h 离子束入射能量为2 m e v u ，类硅离子占的百分比为1 3 ，占的比重较大。束箔 相互作用的瞬间，在1 0 “5 秒数量级，这可以看作时间零点。束箔光谱方法， 是测量原子和离子激发态寿命的简单而又直接的方法。由于束箔光源是基于 加速器的，可以获得元素纯的光谱，这也是束箔光谱学的一大优点。而束箔 激发是“非选择性”的，易产生较多的能级，甚至于产生双电子激发，但多 普勒展宽和光源相对较弱，这是束箔光谱不利的地方。从另一角度看，光源 弱则无内场作用，可以探测到禁戒跃迁，这一点又是个优点。 束箔光谱学是最近几十年国际上发展起来的基于加速器的原子物理的主 要实验研究手段。在上个世纪6 0 年代早期由k a y f 2 5 1 和b a s h k i n 2 6 】提出。随后 发展成同时代原于物理研究的标准技术，提供了许多有价值的实验数据，如 波长，激发和电离能，精细和超精细结构，朗德因子，能级寿命和跃迁几率， 自电离率，以及l a m b 位移。已经用束箔光谱方法，对超过7 0 种的不同化学 元素进行了研究。 大部分的束箔实验是在大型加速器上进行，其中有代表性的工作是在美 剖的a r g o n n e 国家实验室，日本的理化研究所和德国d a r m s t a d t 的g s i 2 7 1 这 魑实验窜的大型加速器上完成的。在我国，复旦大学现代物理研究所曾于上 世纪八r 年代，在束箔光谱方面开展过研究。近年来，则是中国科学院兰州 近代物理研究所和中国原子能科学研究院在束箔光谱方面做的工作较多，特 别是中国原子能科学研究院。那里基于端压为1 3 m e v 的串列加速器和2 2 米 掠入射的真空紫外到软x 射线潜段的光谱仪，测量了s 、b r 、n i 、c u 、g e 、t i 等元素的高电荷态离子光谱，给出一批新的结果，其中一些谱线和能级，是 首次给出的实验值 2 8 - 3 5 】。 2 2 实验装置 图( 2 2 1 ) 是束箔光谱方法的实验装置简图【” ，图( 2 2 2 ) 是电子学仪器 方框图p ”。该实验装置是由靶室，谱仪两部分组成。 靶室是一真空室，其结构内有一靶轮可原地转动，也可沿柬的方向平移。 原地转动以更换靶片。靶片是很薄的碳膜或b e 窗，它们固定在带孔的片状支 撑架上，而这支撑架固定在靶轮上。靶轮的平移，改变光谱仪的入射缝和箔 的距离，以测量寿命。 谱仪是由主体和探测器构成，按需要选择适当类型。而作为重要组成部 分的探测器，可采用无窗的通道电子倍增管( c h a n n e l t r a n ) ，或采用光电倍 增管( 但窗前需要有水杨酸钠涂层作波长转换，由短波长转换成可见光) ，现 在多选用适当的c c d 探测器。 本文中实验用的是r h 离子，能量为2 m e v u ，由日本理化所( r i k e n ) 的 r i l a c 重离子加速器产生。这些快离子( 速度大约2 0 m m n s ) 穿过一个碳箔 ( 4 0 # g c m 2 ) ，离子退激产生的紫外波段光谱用n i k o n 生产的m c p h e r s o n 2 4 7 ， 即2 2 米掠入射光谱仪”1 来分析，用的是6 0 0 线m m 的凹面光栅。光探测用 的是直接安装在罗兰圆上的背景噪声非常低的c c d 探测器【j 。这里箔和光学 系统中入射狭缝的距离是l 一7 m m ( 对应5 0 一3 5 0 p s ) 。 v a a , u m 殚n 口 图( 2 2 1 ) ：掠入射光谱仪和束箔靶室 图( 2 2 2 ) ：束箔光谱学实验电子学仪器方框图 l 掠入射光谱仪 奉文的测量光潜在真空紫外波段，由于在真空紫外波段，光子能量易被 空气u 及收，所以光路要求密封在真空室内；同时，采用掠入射方式代替通常 的正入射，也是为了减少光强损失。这里采用了凹面光栅，其刻线刻划在凹 面( 通常在球面) 反射镜表面上。这种光栅既能起色散系统的作用，又能起 聚焦系统的作用，可以不必再用入射和出射准直镜或反射镜，从而大大减少 了光强的损失。 从l o o o a 到软x 射线区域( * l o a ) 的范围内，采用凹面光栅的原因，首 先是没有适合用于制造透镜光学系统的透明材料；其次是对于波长 1 0 0 0 h ， 在不大的入射角条件下，金属反射镜的反射系数显著的减小，因此将平面衍 射光栅与普通反射光学系统一起应用，会导致仪器光强的显著减小。众所周 知，反射系数可以由增加入射角而增大( 光线掠入射) ，但是利用平面光栅和 两块凹面反射镜在掠入射角下导致轴外像差的显著增长，同样的也使仪器光 强降低。在采用凹面光栅的情况中，只利用一个反射表面，虽然在光线掠入 射到光栅时，轴外像差较大，但在且 4 0 后的曲线变化很平缀，可认为外推 出来的德是可靠的。 褥戮如下的弱| 三i 较刻豹波长德： 0 五： t h ，：。1 6 4 8 9 a 2 ) r h 类钠离子3 s2 s 。一3 p2 只，2 跃迁用以较刻的波长值的获得 袭( 2 。4 3 ) 列蹬了已有的类镳罐子的3 52 曩，：一3 p2 置，：跃迂实验波长镳， 图( 2 。4 4 ) 是类铺离子的跃迂谱线波长徨陡核电祷交纯曲线圈。 表( 2 4 3 ) ：粪镄离子的3 s 2 s ；n - 3 p 2 p m 跃迂实验波长 轰 z 。( ) 2 2 9 2 2 2 2 0 ，0 6 1 9 6 2 2 1 8 9 2 8 1 8 2 。7 8 1 7 6 6 l 1 5o _ 7 8 强f 2 4 4 ) ：类镶离子醵3 s t n 一3 p 2 p ，n 跃迂谱绞波长谴随孩壤藉变毽蓥线凿 得别拟合曲线鳓数是 y = 7 1 9 8 4 8 + 2 0 3 3 9 6 x + 0 1 6 6 7 5 1 x 2 + 7 1 2 9 4 e 一( x - 3 6 ) 7 3 1 58 6 5 翳 勰 妁 娃 螅 盯 实验值和拟合曲线吻台的相当好，由此通过内插得到的结果也是非常可靠的a 褥到豹掰以较剿的波长值为； o 丑，：h ，：2 1 5 9 8 4 a 3 ) 较刻 我们同样使用跃旋的平均寿命为辅助判据，嗣时将本工作的光谱和类铝、 类链裹予舞占貔重大蕊能量下测褥鲢光谱进行魄较，分辑谱绒强度戆改变蜷 况，来识别上述用以较刻的谱线。在表( 2 4 4 ) 中列出四条谱线用咀较刻的波 长值，殷相应的识捌德。圈( 2 ，4 5 ) 以识剐出来豹谱线波长值为x 值，对应的 嬲以较刻熬波长毽力y 傻搀爨，搬仑，绘惑撩合赭线。 表( 2 + 4 4 ) ：第二判魁本工 彗得到的谱线识剐僵。第三翔剜出了用鞋较剡的灌线波长 馕，其中类镁离子的3 s “s o - 3 s 3 p 3 p ，跃迸波长值是实验镶。类锅3 s 2 3 p 2 p i s = - 3 s 3 p ”p t n 3 s 。3 p = p 。- 3 s 3 p p m ：和类钠的3 矿s i 2 - - 3 p 7 p 跃迁波长值怒推荐值。 o u rw o r k ( a n g s t r o m ) 图( 245 ) ：四条谱线用以较刻的波长值和在光谱中识别出的波长值关系图 得到拟合曲线函数是 y = 9 4 8 3 2 3 + 0 9 5 6 8 6 7 x 由图中看出，拟合结果还是很好的，因此以它作为较刻函数。 这里发现类镁离子的3 s 2 1 s o 一3 s 3 p3 只和类铝离子的 3 j 2 3 p2 只，：一3 s 3 p 24 只，：谱线，由于间隔太小，无法把它们区别开。同时，类 铝离子的3 j2 3 p2 鼻，：一3 s 3 p 2 4 只，：，和其中一条可能是类硅离子 3 j 2 3 p 23 只一3 s 3 p ”s ：跃迁，波长为1 6 2 3 a 的谱线也是无法区别的。也正是由 于谱线的混合，和缺乏用以较刻谱线的精确的实验波长值，通过表( 2 4 4 ) 中 谱线用以较刻的波长值和表( 2 4 5 ) 中相同谱线较刻后得到的波长值的比较， 得到本实验结果大约有0 ，3 a 的误差。 将其中3 s 2 3 p 23 只一3 s 3 p ”是的识别谱线分别代入前面得到的较刻函数， 将得到的实验值分别放到此前发表的文章中给出的3 j 23 p 23 只一3 s3 p ”s ， 跃迁的( e ，。一e 。) 等电子趋势图里( 见图( 2 5 1 ) ) ，发现第一组的结果和根 据n b 4 i 实验值外推得到值之间偏差较第二组大，从而排除了第一组。 表( 2 4 5 ) 列出了所有谱线的识别值和本工作实验值，图( 2 4 6 ) 则在 光谱上标出了所有的谱线。 表( 2 4 5 ) ：所有相关谱线的识别值和较刻值 3 s 2 3 p 2 p ，j z 3 s 3 p 2 4 p 1 月( h l l i k e ) 1 6 2 3 1 6 4 5 3 s2