氘氫混合氣體的高頻離子源中H2D+與D+2 的比例實(shí)測研究

袁學(xué)東，朱洲森，繆竟威，師免恭，廖雪花，方才進(jìn)

（1.四川大學(xué)，成都610064；2.四川師范大學(xué)，成都610066）

1 引 言

H2D+是一種重要的分子離子，在天體物理和天體化學(xué)中具有許多應(yīng)用.近10年來尤其是近兩三年，人們對H2D+又進(jìn)行了各種觀測和研究：2011年，為了對小質(zhì)量恒星的研究，E.Chapillon等人深入探測研究了原行星盤（Protoplanetary Disks）中的H2D+［1］；2006 年，C.Vastel等 人以H2D+為研究對象，在實(shí)驗(yàn)室模擬早期星際形成的演變等［2］；2010 年，Taha Sochi和Jonathan Tennyson 在很寬的能級范圍內(nèi)研究了H2D+的震動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)光譜［3］；2004年，D.Strasser等人對H2D+的DR 實(shí)驗(yàn)作了詳細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)HD+2分解時(shí)其結(jié)構(gòu)趨于線狀幾何結(jié)構(gòu)，并且氘處于中心的情形有很大的幾率［4］.這些研究對H2D+的物理特性以及在天體進(jìn)化等領(lǐng)域的作用都更進(jìn)了一步.

但有一個(gè)無法回避的事實(shí)是在實(shí)驗(yàn)室條件下研究H2D+中，離子源產(chǎn)生H2D+的同時(shí)，會不可避免的混入D+2，難以將其從H2D+中分離，從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果.我們多年利用庫倫爆炸技術(shù)研究H+3及其氘化同位素分子離子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)時(shí)候也只集中在三種離子H+3、D+3和HD+2上［5，6，7，8，9］，與其它研究的處理方式類似，對H2D+的實(shí)驗(yàn)研究采取回避的方式.但正如前文所述，H2D+恰恰是一種重要的分子離子，被認(rèn)為是第一代氘化星際分子產(chǎn)物［1，2］.

本文將報(bào)道我們專門針對H2D+與超薄固體膜相互作用的實(shí)驗(yàn)研究過程中，根據(jù)這兩種離子在離子源形成的機(jī)理出發(fā)，采取產(chǎn)物對比與分析的方法，將離子源中兩種離子的比例實(shí)際測量出來.研究先在相同實(shí)驗(yàn)條件下對D+2和相同的超薄碳膜相互作用進(jìn)行了測量和研究，并參照此結(jié)果和其它分析方式將混入H2D+束流中的D+2的影響用合成與分解的方式除去.最終得到他們在實(shí)驗(yàn)室條件下形成的相對比例.

2 H2D+與D+2 同位素分子離子的形成機(jī)理

在星際云中，一個(gè)重要的反應(yīng)是［5］：

其反映截面a=3×10-10cm3·s-1.由于這個(gè)反應(yīng)在星際條件下是不可逆的，所以H2D+具有較高的豐度，常被用來作為研究對象來探究星際空間的演變和形成等.

實(shí)驗(yàn)室條件下，高頻離子源純凈的氫氣電離會產(chǎn)生大量的H+、H+2和H+3離子，純凈的氘氣電離同樣會產(chǎn)生大量的D+、D+2和D+3離子，這些離子在高頻離子源混合后，會形成包含H2D+在內(nèi)的一系列同位素分子離子［3］.涉及形成H2D+的主要的反應(yīng)是：

當(dāng)然，還存在其它形成H2D+的反應(yīng)道，但以以上的反應(yīng)道為主.

以上反應(yīng)后，它們與電子的復(fù)合反應(yīng)生成中性的分子和中性原子的過程也同時(shí)進(jìn)行：

一般分子離子的復(fù)合反應(yīng)速率為～10-6cm3·s-1［13］，但H+3以及其同位素復(fù)合反應(yīng)在Admas和Smith的VT-FALP實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察中，在95～600K 溫度范圍，其復(fù)合反應(yīng)進(jìn)行得非常慢［14］，其上限值僅為～10-11cm3·s-1，大大低于其它分子離子的復(fù)合反應(yīng)速度.在離子源處于振動(dòng)激發(fā)態(tài)的H2D+，幾乎很少發(fā)生與電子的復(fù)合分解反應(yīng)，使得H2D+在離子源中的豐度較高，方便引出穩(wěn)定的強(qiáng)束流.Kevin G 等在1992年專門研究了通過H2和D2混合形成H+3，HD+2，H2D+，D+3的反應(yīng)［15］，得到在300K 溫度下，其產(chǎn)物比例和理論上的統(tǒng)計(jì)產(chǎn)物比例大致相當(dāng).

D+2的形成機(jī)理相對簡單，主要是由D2電離失去電子后形成.自然也有以上反應(yīng)的逆反應(yīng)形成.D+2的的豐度相對較高，因?yàn)樗瞧渌凰刈钪饕闹虚g離子之一，并以它為中心可以形成原子數(shù)更大的團(tuán)簇.

3 H2D+與固體的相互作用以及與D+2 的相對比例實(shí)際測量

“快”分子離子在進(jìn)入固體時(shí)，其束縛電子的損失截面比俘獲截面大3—4個(gè)量級，致使瞬間失去全部電子形成的裸核團(tuán)在短距庫侖力作用下爆炸式分開，由于時(shí)間極短，分子離子轉(zhuǎn)動(dòng)和震動(dòng)的影響被忽略［5，6，10-12］.這 一 過 程 稱 為“庫 侖 爆 炸”，是團(tuán)蔟與固體相互作用一個(gè)重要的領(lǐng)域，H+3、D+3和HD+2的化學(xué)結(jié)構(gòu)就是由庫侖爆炸技術(shù)首先確定的［5，6，14-16］.

圖1是1.5232 MeV 的H2D+離子束經(jīng)超薄碳膜后在00方向出射的質(zhì)子能譜，能量由高分辨靜電分析器測量.如圖所示，這是典型的庫侖爆炸產(chǎn)物能譜.對H2D+中的質(zhì)子，圖中能譜的兩個(gè)譜峰分別對應(yīng)在質(zhì)心系裂開時(shí)沿束流方向的朝前與朝后的質(zhì)子.需要指出的是雖然H2D+的束流中含有D+2，但對于質(zhì)子能譜不會產(chǎn)生任何影響，圖1是純粹的H2D+的庫侖爆炸能譜.

圖1 1.5232 MeV 能量入射的H2D+的質(zhì)子的庫侖爆炸能譜Fig.1 The H+energy spectrum of H2D+at energy of 1.5232 MeV during coulomb explosion

結(jié)果中，兩個(gè)峰值間的能量差ΔEHmax=10.23 keV，能量峰的半高寬（FWHM）為2.2KeV.實(shí)驗(yàn)中最高計(jì)數(shù)為9987.質(zhì)子能譜和氘子的能量峰間距以及譜峰形狀一起決定H2D+的結(jié)構(gòu)，將在后節(jié)討論分析.

圖2是相同條件下，H2D+的D+的爆炸能譜分布.D+裂開速度較H+為小，造成零度方向以及附近更多的D+進(jìn)入靜電分析器.雖然D+的能譜分辨比H+的能譜分辨差，但所得到的能譜分辨仍足以對兩個(gè)峰位做清楚地辨別和定位.

這個(gè)直接測量的能譜是H2D+和D+2的混合庫侖爆炸能譜，ΔEDmax=8.68keV，能量峰的半高寬（FWHM）為2.9 KeV.測量中最高計(jì)數(shù)為88605.為了獲取H2D+的結(jié)合能和幾何結(jié)構(gòu)，就必須將兩部分分離開來.

根據(jù)早期同條件下的實(shí)驗(yàn)，D+2與固體相互作用后的D+能譜是個(gè)簡單的庫侖爆炸能譜，兩個(gè)峰值間的能量差ΔEmax=8.15keV，依此得到D+2的核間距為1.32?.

圖2 1.5232 MeV 能量入射的H2D+的氘子的庫侖爆炸混合能譜，包含D+2 的氘子能譜Fig.2 The mixed D+energy spectrum of H2D+ with D+2 at energ y of 1.5232 MeV during Coulomb Explosion

由此看出，在H2D+的混合D+能譜中，D+2與固體相互作用后的能譜峰位比混合D+峰位內(nèi)移（8.68-8.15）／2=0.26keV.這個(gè)因素會對H2D+的D+內(nèi)移產(chǎn)生多大的偏差，就應(yīng)該獲得這兩個(gè)計(jì)數(shù)的相對比例.這里先指出，這個(gè)偏差相對是比較小的，因?yàn)樵跍y量中，每個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)的測量間距為0.3keV，這個(gè)偏差小于一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn).但為了準(zhǔn)確獲得真正的H2D+的D+譜圖峰間距，這個(gè)偏差需要推算出來.

為了獲得測量結(jié)果中D+的能譜峰的產(chǎn)物中H2D+的D+數(shù)量，我們用相似的微團(tuán)簇HD+2的爆炸產(chǎn)物碎片做比較.這是由于在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，裝置對D+和H+的分辨本領(lǐng)保持不變，而實(shí)測和理論都說明，在庫侖爆炸中，由于在質(zhì)心系爆炸產(chǎn)物的各向的均勻分布，加上實(shí)驗(yàn)裝置對某種離子的分辨本領(lǐng)是固定的，使得在實(shí)驗(yàn)測量的張角一定的情況下，對異構(gòu)分子離子（H2D+，HD+2）測量時(shí)，各產(chǎn)物的相對比例總是一定的.具體在H2D+或者HD+2上，就是說，對一種分子離子而言，對應(yīng)于一定數(shù)量的H+，總會探測到固定比例的D+產(chǎn)物.而在結(jié)構(gòu)類似的不同的分子離子中，這個(gè)比例相對于分子離子中某種離子的含量也是成正比例的.這就使我們可以通過H2D+庫侖爆炸中H+的計(jì)數(shù)和HD+2爆炸能譜中H+和D+的比例以及H2D+與HD+2中兩種產(chǎn)物的含量比例，能比較準(zhǔn)確的獲取D+的混合能譜中H2D+的D+所占的比例及數(shù)量.

在HD+2的庫侖爆炸能譜測量中，中心峰的最高計(jì)數(shù)比CDmax／CHmax=168027／49763=3.38.在H2D+爆炸譜的H+的中心最高計(jì)數(shù)為9987，考慮到以上的幾個(gè)因素以及比例，以此推算得到的H2D+的D+的能譜峰的中心計(jì)數(shù)應(yīng)為16878.由此看來，在實(shí)驗(yàn)所測的混合的D+的能譜中，D+2的貢獻(xiàn)要占大多數(shù).這也符合離子源中離子種類分布的實(shí)際情況.因?yàn)殡x子源中形成H2D+時(shí)，由氫氣和氘氣混合后電離，然后經(jīng)過分子反應(yīng)形成的，如文章的第2節(jié)所示.而電離氘氣會產(chǎn)生數(shù)量較多的D+2離子.這樣，根據(jù)實(shí)際測量的能譜使用高斯擬合先擬合出混合D+能譜，然后根據(jù)實(shí)際測量的D+2離子的爆炸能譜擬合出D+2爆炸后貢獻(xiàn)部分的能譜，參照實(shí)測的能譜計(jì)數(shù)分布以及產(chǎn)物的相對比例，最終采用高斯擬合分解的方法得到的H2D+的D+能譜峰如圖3所示.這個(gè)能譜相對于直接測量獲取的能譜，其峰位偏移了0.29keV，這是移除了D+2的影響得到的.依次H2D+的結(jié)果中，D+的能譜的兩個(gè)峰位的能量差ΔEDmax=9.26keV.D+能量峰的半高寬（FWHM）為2.9keV.

圖3 實(shí)測H2D+的D+能譜經(jīng)過高斯擬合去除D+2 的D+能譜后得到的1.5232 MeV 能量入射的H2 D+的氘子的庫侖爆炸高斯擬合能譜Fig.3 The measured D+ spectrum of H2 D+ after Gauss fitting to remove the D+ spectrum of D+2 at the energy of 1.5232 MeV during Coulomb Explosion

至此，我們完成了對兩種離子相對比例的實(shí)際測量：對于相同的探測條件和設(shè)備參數(shù)，兩種離子的對應(yīng)計(jì)數(shù)比例如前文所述為：

這意味著，相對于束流中100個(gè)H2D+離子，在高頻離子源會同時(shí)伴隨425個(gè)D+2離子產(chǎn)生并引出.這一結(jié)論和測量分析中所采用的方法對類似研究有一定的借鑒作用.

致 謝 整個(gè)實(shí)驗(yàn)工作得到了四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所靜電加速器老師的積極配合與支持，在此表示敬意與感謝.文章的部分計(jì)算工作得到研究生方才進(jìn)同學(xué)的協(xié)助和驗(yàn)證，一并表示感謝.

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