利用質子能損檢測氣體靶區有效靶原子密度的實驗研究?

陳燕紅程銳 張敏3) 周賢明3) 趙永濤 王瑜玉雷瑜3)麻鵬鵬4) 王昭4) 任潔茹 馬新文肖國青

1)(中國科學院近代物理研究所,蘭州 730000)

2)(西安交通大學,西安 710049)

3)(中國科學院大學,北京 100049)

4)(西北師范大學,蘭州 730070)

1 引 言

利用加速器引出的離子開展離子與物質相互作用過程的研究,是認識世界的一種重要手段,一直是原子物理學、材料科學、生物技術等領域的重要研究方向.氣態作為物質的一種基本形態,具有重要的研究價值.有關離子與氣體相互作用的研究工作已經開展了相當長的時間,特別是離子在氣體中能量損失的研究,取得了許多重要的研究結果[1?8].目前的技術中,利用氣體放電的方式是產生等離子體物質狀態的一種最常用、最有效的技術手段[9].作為物質第四態的等離子體狀態,普遍存在于天體環境中,因此離子與等離子體相互作用的研究在天體物理領域具有極其重要的意義.同時鑒于等離子體技術的快速發展,相關研究在材料表面工程處理、化學工程控制、新型離子源與加速器發展等應用領域,也具有重要的應用價值.離子與等離子體相互作用過程的研究能為可控核聚變、高能量密度物理、地球物理等新的學科提供重要的實驗手段與關鍵參數[10?15].而上述各項研究中,順利開展離子束與氣體和離子束與等離子體相互作用的實驗關鍵問題之一,就是精確測定氣體類靶區的有效原子密度,為相互作用過程的定量化描述提供重要的基礎實驗數據.

人們通常采用氣體壓強計(或真空計)對氣體靶區密度進行測定,此種方式具有便捷、直觀的特點.但是該類壓強測量設備往往需放置在氣體靶區的邊緣位置,只能對真空計周圍一定范圍內并已達到穩定平衡狀態的氣體密度進行測量.由于真空計自身的設計特點,其測量范圍往往有限,如電容型真空計一般只具有4個量級的有效測量區間;熱陰極電離型真空計對氫氣、氦氣和空氣等不同種類的氣體,測量靈敏度差異巨大,測量值與真實值之間相差很大,需要進行必要的數據修正.最為關鍵的問題是:傳統真空計難以工作在強輻射場環境下以及高溫等離子體環境中,因為強輻射可能引起大幅度的背景噪音以及設備使用壽命的快速衰減.氣體放電產生等離子體的過程中,可能會產生上千安培的電流[16],也可能對真空計結構造成物理性的永久損傷.因此,真空計在設計上往往會要求與實驗靶區必須保持相當長的距離.但是對于一個非均勻密度分布的靶區(如真空差分系統),真空計難以準確測量核心區域的有效靶原子密度,極大地影響實驗結果的準確性.傳統真空計設備測量的工作頻率也較低,難以實現實時的動態測量.因此從實驗技術發展的要求上,迫切需要發展一種能夠應用于強輻射場以及高溫等離子體環境中,具有原位測量和快速時間響應的氣體密度診斷新技術,滿足日益發展的離子與氣體和離子與等離子體相互作用及相關極端環境條件下的實驗研究需求.

基于上述研究意義和實際需求,本文提出了一種新的測量方法:利用一定動能的質子束穿過氣體靶區,精確測量出射離子能量,得到質子在氣體靶的高精度能損數據.結合現有的理論并參考相關數據庫,標定出氣體靶區內沿離子徑跡方向的靶原子密度.采用快時間響應的離子能量探測器系統,實時監測氣體靶區內的靶原子密度變化.本文詳細介紹了該實驗裝置與測量方法,對比了實驗能損結果與傳統真空計測量結果,分析討論了該方法的準確性與可靠性.

2 實驗方法

實驗研究基于中國科學院近代物理研究所320 kV高電荷態離子綜合研究平臺開展的.該實驗平臺包括一個永磁的電子回旋共振(electron cyclotron resonance,ECR)離子源、靜電離子加速器、束流傳輸系統和不同的實驗物理終端.可以開展包括高電荷態離子物理、原子分子物理、材料輻照效應研究、物質表面納米尺度改性以及離子-氣體/等離子體相互作用過程等不同方向的研究工作[17].基于此平臺上的離子-氣體/等離子體相互作用研究終端,開展了實驗測量工作,實驗裝置示意圖見圖1.

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1.The schematic diagram of the experimental setup.

實驗測量的過程可簡單描述為:從加速器引出具有一定動能的質子束,傳輸進入到氣體靶區,質子與氣體原子相互作用而損失掉一部分能量,剩余能量保持質子繼續向前飛行,并最終穿過氣體靶區.出射的離子經過后端特殊設計的束流光學準直系統,進入能量測量譜儀系統中,在磁鐵偏轉下到達一個具有高空間分辨能力的探測器上[17].能量不同的質子將到達探測器的不同位置,因而從質子位置的差異得到相對應的能損信息.結合理論與能損數據庫,精確測量出氣體靶區內沿離子飛行路徑上的靶原子密度數值.

實驗中所需的高品質質子束由中國科學院近代物理研究所的全永磁的14.5 GHz ECR離子源提供.該ECR離子源能能夠提供包括質子到Eu離子的多種類離子束,能量范圍從20q到320qkeV(q為離子電荷)連續可調,流強范圍從100 enA到100 eμA.本實驗中從離子源引出的質子經過加速腔加速到100 keV的能量,后經過偏轉、聚焦和準直到達實驗靶區.實驗靶區為一個名為氣體放電等離子體的裝置,由兩根直徑5 mm、總長度220 mm的石英管串聯構成.實驗中為了實現質子束從真空束線環境到高壓氣體靶環境的無窗式傳輸,特別設計了一套三級的真空差分系統.該系統由進氣控制閥門(進氣針閥組件)、氣阻組件和大功率排氣系統(分子泵加機械泵組合)三個獨立單元構成,能夠在維持離子束線真空度10?6—10?7mbar量級條件下,實現氣體靶區內氣壓范圍從10?4—10 mbar的連續可調,每一級差分單元內外系統壓強相差100倍以上,因此外部差分系統的束線中殘留的氣體可作為次要因素而忽略.為保證實驗的重復性和測量的準確性,我們在氣體靶室的兩端,即束流入口和出口處分別安裝了直徑為1 mm的限束光闌,準直入射離子束流.實驗中的氣體靶選擇高純度氫氣(純度高于99.999%),并利用微調機械針閥與差分系統,調整靶區氣壓到所需數值,保持長時間的穩定.對于該系統,還可以利用儲能電容和高壓脈沖放電開關,將氣體電離為全電離的氫等離子體,進一步開展離子束與等離子體相互作用的相關實驗研究,相關內容可參閱文獻[16].

3 實驗結果與討論

圖2展示了利用能量測量譜儀得到的實驗結果:直徑為1 mm的100 keV的質子束穿透不同氣壓(其初始氣壓值由IonIVac ITR 90測定)條件下的氫氣靶時被探測器系統記錄的原始結果.為了利于觀察實驗結果的差異,將不同壓強條件下的離子束斑位置結果分排顯示.從圖中可以清楚地看到氣壓逐漸升高,離子束的位置相應地不斷左移,表明質子束在更高氣壓氣體中損失了更多的能量,其飛行速度不斷下降,在相同強度磁場條件下,運動產生了更大的偏轉.隨著氣壓的增加,離子束與氣體原子能發生更多次的碰撞,造成了離子動量分散和能量分散的增加,因此結果中也顯示了離子束斑直徑尺寸的不斷增大.

質子與氣體相互作用損失能量的方式主要為以下兩種[18]:1)質子與靶原子核外電子發生非彈性碰撞-電子能損過程,導致核外電子激發或電離,這種機制引起的能量損失在我們的研究中占據主要部分;2)質子與靶原子核的彈性碰撞,即核能損過程,當質子能量較低(如E≤10 keV)時占主導,在我們的實驗中可不予考慮.通常離子在氣體靶中電子能損可近似由Bethe公式描述[5],其表達式如下:

其中Z1是入射離子原子序數;me和e分別是電子質量和電荷;v是入射離子速度;I是靶原子的電離能;n是靶物質的電子密度,n=NAZ2ρ/A,式中NA為阿伏伽德羅常數,Z2是靶原子序數,ρ為靶子密度,A是靶原子相對原子質量.

圖2 100 keV的質子束穿過不同氣壓條件的氫氣靶,經過二極偏轉磁鐵后到達位置靈敏探測器的不同位置Fig.2.The experimental results that proton beams of 100 keV pass through the hydrogen target with different pressures and arrive at the different positions by de fl ecting of the dipole magnet.

在實驗中測量到的是質子穿過220 mm長度氫氣靶后的能量損失,這部分的能量主要是入射質子與氫原子核外電子碰撞多次累加產生的.在質子飛行路徑上,參與能量損失過程的靶原子線密度能夠通過表達式(3)得出,并最終推導出氣體靶區內的平均有效原子密度.我們將其轉化為有效壓強的數值,以便于下一步的比較分析.

在實驗中,電離型IonIVac ITR 90真空計與電容型真空計Varian CDG-500同時被用于測量氣體靶區的壓強,所得數值同質子束能損測量得到的有效氣壓進行了比較.對于IonIVac ITR 90型真空計,在不同種類的氣體環境中,其顯示值與有效值之間存在巨大的差異,生產廠商已明確認識到該問題,并在說明書中標明了相應的修正關系.同樣,依照該經驗公式對IonIVac ITR 90真空計測量數值修正后的有效氣壓值一同列入進行分析比較,結果如圖3所示.為了便于討論,將橫坐標定義為電離型真空計IonIVac ITR 90的顯示氣壓數值,縱坐標為氣體靶區內的有效氣壓數值.

圖3 利用IonIVac ITR 90電離型真空計(△),Varian CDG-500薄膜電容型壓強真空計(▲)和利用100 keV質子在氫氣體中的能損測量出的氣體靶區內壓強數值(■,◆為兩次重復的實驗),以及按照廠商經驗公式對IonIVac ITR 90電離型真空計顯示數值修正后有效氣壓數據以實線標識Fig.3.The comparison of the effective pressure and the indicated pressure by IonIVac ITR 90 vacuum meter. The IonIVac ITR 90 ionization type vacuum gauge results are shown by△;the Varian CDG-500 thin fi lm capacitive type vacuum gauge results are shown by▲.The results of energy losses are shown by■ and◆,which means the twice experimental measurements.The corrected effective pressure is shown by a solid line according to the recommended formula.

從圖3中可以看出,電離型真空計對于氫氣和常規空氣具有完全不同的測量敏感度.實驗中,該型真空計測量數值一度達到了1000 mbar,然而其修正后的實際有效氣壓也僅僅為3 mbar左右.通過比較能損數據結果和修正公式的有效氣壓結果,兩者間有著相同的變化趨勢,其數值大小能夠較好地符合,表明我們采用的質子能損測量方法能夠非常準確地標定出氣體靶室內的有效氣壓數值.兩次重復實驗測量結果也高度符合,進一步表明質子能損測量的方法具有很好的可重復性和可靠性.

類似地,將薄膜電容型真空計測量的結果也與能損結果進行了比較.雖然該真空計對氣體種類沒有選擇性的問題,其測量有效氣壓在壓強較高的區間同能損測量結果和修正后的電離真空計結果符合良好.但是隨著靶區內氣體量的減少,如有效氣壓2 mbar以下時,該類真空計測量的結果明顯高出了能損結果與修正后的電離真空計有效氣壓,且隨著氣壓降低,差異越來越明顯.對于所選用的Varian CDG-500真空計,其正常測量工作區間約為10?3—10 mbar.然而,當靶腔內氣體量在1 mbar及以下時,我們認為其測量的準確性已經出現了明顯的下降.相比較而言,利用質子能損的測量方式,配合高精度的離子能損測量系統,能夠實現對不同種類氣體、寬壓強范圍的有效氣壓的準確測量.實驗中所用測量系統的能量分辨率約為0.5 keV,再考慮到計算過程中各種誤差,標定出該能損方法檢測有效氣壓的誤差小于10%.

將電離型真空計和薄膜電容型真空計作為實驗對比組,是因為這兩類真空計使用廣泛,具有典型性.電離型真空計測量原理是在熱陰極產生大量電子,電子經加速場加速獲得足夠的能量以離化周圍的氣體靶原子.被離化的正離子被收集器收集,由此產生離子電流,電流的大小與氣體密度成正比.該種真空計具備測量精度高、預熱時間短、測量范圍廣等優勢.然而對工作環境要求苛刻,不適合強輻射環境,同時對不同種類的測量氣體具有不同的修正系數.在我們的實驗環境中,周圍存在高頻離子源、射頻脈沖電源等設備,對該真空計的測量必然造成干擾.在離子能損實驗測量中,離子慢化的過程也將造成大量的氣體電離,也可能影響真空計的測量過程.因此,電離型真空計不能勝任輻射環境中有離子參與的相關實驗測量工作.從圖3中可以明顯看到,電離型真空計測量值與依照修正公式得到的有效氣壓值之間存在巨大差異.但此有效氣壓值與利用質子能損直接得到的有效氣壓值高度符合,表明了質子能損標定氣壓具有直觀、高效與準確的特點.在質子輻射場中同樣能準確快速標定出氣體靶密度,其抗干擾能力突出.

薄膜電容型壓強真空計是依據金屬薄膜構成的一個電容器件,氣體壓力對金屬膜作用而使其產生形變,利用形變導致的電容改變量來測量氣體壓強.其反應速度快,靈敏度較高、不受氣體種類和成分的影響等.然而其有效測壓范圍較窄,準確度也不高,同樣需要穩定的溫度與較干凈的外場測量環境.測量開始時往往還需要較為復雜的初始化操作和一定的預熱時間.我們的實驗中,質子束與氣體靶作用時,由于有能量的沉積,勢必引起氣體靶溫度的升高(即使很小),也可能影響真空計測量的準確度.圖3的結果也顯示了在較低氣壓條件下的該型真空計測量結果明顯高于質子能損結果與修正后的電離型真空計結果.

通過理論與實驗測量的對比發現,電離型真空計和薄膜電容型真空計不適合高輻射環境和離子束與氣體/等離子體相互作用實驗中,無法保障其工作狀態的穩定和測量的準確度.同時受限于測量器件本身的構造,無法對離子路徑上的靶原子密度進行原位和實時的測量,而這種測量方式對于動態變化的氣態靶是非常關鍵和重要的.利用質子能損的方法,除了能夠得到準確的高精度氣體靶原子密度和有效壓強數值外,其原位方式的測量,可工作于強輻射背景環境(等離子體中),具有實時在線監測動態演化的靶原子密度等特性,都是現有的氣體類壓強測量設備根本無法做到的,在極端實驗環境的測量中具有突出的優勢.

4 結 論

基于中國科學院近代物理研究所加速器裝置,利用實驗測量了納安量級水平的100 keV質子穿過220 mm長度的氫氣體靶后的質子能量損失,結合現有的離子能損公式,獲得了氣體靶區內的有效靶原子密度數值.同傳統的氣體壓強測量設備結果進行了比較,發現電離型真空計測量結果對不同種類氣體是有明顯的選擇性,需要進行相應的較復雜的數據修正,才能與實驗能損結果相接近.對于電容型真空計,在氣體壓強較低的條件下,明顯大于能損標定結果.由于這兩類氣體測量設備的構造和工作能力限制,無法滿足復雜輻射場環境下有離子束參與情況下的氣體有效靶原子密度的測量工作.相比而言,利用質子束能損的方式能夠直觀準確地標定出離子運動徑跡方向上的有效靶原子密度,并實現動態實時檢測.這些優勢對于發展和提升離子與等離子體相互作用,離子束驅動的高能量密度物理等前沿課題的研究具有重要的作用,同時在其他科研和工業應用領域具有非常大的發展潛力.

感謝中國科學院近代物理研究所320 kV高電荷態離子綜合實驗平臺工作人員的辛勤工作以及所提供的高品質束流.

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