【doc】亚稳态离子的电子碰撞电离截面

【doc】亚稳态离子的电子碰撞电离截面 亚稳态离子的电子碰撞电离截面 第35巷第1期 1996年2月 复(自然科学版) ]~ournalofFudanUniversitylNaturalScience VOJ35NO Feb1996 c3一『] 亚稳态离子的电子碰撞电离截面 墨丛喳重堕原畏方渡飞 t复旦大学车玫道物理学实验室.匣子梭科学系) ' 』一 日提要利用扭曲波玻恩交换(DwBE)近似方法计算了类氖si抖离子的基态(2p6)和亚稳态 (2p3s)的电子碰撞直接电离截面和激发自电离截面.通过比较,指出了亚稳态离子电离贡献 的重要性}在考虑亚稳态离子贡献的情况下,对最近首次给出的Si?离子的电子碰撞电离实 验结果给出r合理的解释 关键词皇王堡堡垩璺查皇三:扭曲波;电!苎亘 中囝法分类号O53;O414.22 电子与离子的碰撞是原子物理研究中非常重要的基本过程,在可控热核聚变,x射线 激光和天体物理等研究领域中,电子碰撞电离截面是模似和渗断高温等离子体的必不可 少的原子数据:. 近年来,在x射线激光研究中,高剥离态的类氖,类钠等离子的电子碰撞电离截面数 据更显得重要.这一类多电子离子的电离有个重要特点:激发自电离可能比直接电离更 重要像类钠离子.它的基态电子组态为22p3s,最外层只有一个电子,而内壳层(n一2) 有8个电子.这样,内壳层电子的激发自电离贡献很大,可是直接电离截面几倍,即在 总电离截面中占主要贡献口].对于类氖离子来说,基态电子组态是2s2p,它的激发自电 离对总截面的贡献不大.但是当它处于亚稳态(2s2p3s)时,类似类钠离子(仅少一个P电 子),其激发自电离截面将比直接电离截面大得多.Pindzola等人0利用扭曲渡方法计算 rAr,Ti一,Fe"一,Zn和se等5种类氖离子的基态和亚稳态的电离截面,并讨论 了组态相互作用对激发自电离截面的影响.但是由于实验数据的缺乏,没有能和实验进 行比较.最近(1994年),Thompson等人利用交叉束实验首次对si"离子的电离截面作 丁测量],并发现在入射电子能量低于基态电离阈能时也存在电离过程,由此推论可能部 分离子处于亚稳态(2p3s).该文中还用半经验Lotz公式作了粗糙的理论估|十,指出呵能 有5的离子处于亚稳态.但是由此估计得到的总的电离截面比实验值小2O. 本文利用扭曲渡玻恩交换(DWBE)近似方法,在单组态及自电离分支比为1的近似 下(根据文献E33的讨论.对核电荷较小的si"离子,这些近似是合理的),对si一离子的基 收稿日期1995—12—05 第作者王炎森.教授,博士生导师;复旦走学原子核科学系,上海200433 *国家自然科学基金及中国原于分子数据联合体资助课 复旦(自然科学版)第3s卷 态及亚稳态的直接电离和激发自电离截面作了较精确的量子理论计算;利用计算结果分 析实验数据,认为有15的离子处于亚稳态,这时理论计算和实验值在测量误差内能很 好符合. 1基本理论方法 在忽略共振俘获双电离以及假定直接电离和激发自电离是两个相互独立的过程的情 况下,总电离截面一般可以写成 一 ?.(一,)+?(—j)B"z,(1) 其中d(一,)是初态能级i(N个电子)到末态f(N一1个电子)的直接电离截面.(— J)是从初能级到自电离能级的激发截面,B;是能级J的自电离分支比,本文假定为1一 本文利用组态平均计算直接电离截面,(一,)可以写成(单位为;,.是玻尔半 径) al(一,)一fa(E,E.)dE.(2) 式中E.,E和五分别是入射,出射和散射电子的能量(能里均采用量德伯单位: 13.60eV);E是末态出射电子和散射电子的能量和;a(E,E.)是能量微分截面 啦 . .L+1)(,? 其中q是初态的电子占有数,fb,z.z和^分别是束缚,入射,出射和散射电子的轨道角动 量,L是整个系统的角动量,而 ^i.so,q"c=J,J+JgJ一oJfJ{gJ,(4) ,和g分别为直接和交换散射振幅,n是一个相位困子,取最大干涉近似:,即a一1.散射 振幅为 f一?^(,Ii,,.L)(Pb,P,I1/r.2IPPf),(5) g一?^(fb.2,ff.2,L)(,P.-l/2IPfP)^.(6) 其中是一个角度困子,(PP1/r.lP.P)是标准的Slater积分.P是束缚电子的波 函数,用Cowan的原子结构程序包计算嘲.P.,和P分别是入射,出射和散射自由电 子的扭曲波波函数,扭曲渡以及Slater积分的计算在我们以前的工作[7]和[8]中有详细 讨论. (1)式中的激发截面也可以利用组态平均扭曲波方法计算.对于一般两组态间的跃 迁 (lb)~o(n2屯)2+e(E.z.)?(bzb)一(2z2)2+(EdO,(7) 其中q为占有数,为主量子数,z为轨道角动量,激发截面为(单位为a5) 第l期王炎森等:亚稳态离子的电子碰撞电离截面 ? 力一驹毒cz工^一,? 式中^々L(E.)的形式同(4),(6)式一样.只是其中的出射电子的和P由处于激发态 的束缚电子的z,尸z(P:是末态束缚电子的渡函数)所代替. 基于上述所给的一系列公式,我们计算了Si一离子基态和亚稳态的直接和激发自电 离截面. 2计算结果与讨论 图1给出rSi"离子基态的直接电离截面(短虚线)和总截面(长虚线).在直接电离 中包括了外层2p态和内层2s态电子的电离.总截面中计入了激发电离截面.在激发自 电离截面计算中,考虑了下面9种激发跃迁过程:2sz2p一2s2p63/(f一1,2),2s22p一 2s2p4f(0,1,2,3),2s2p~2s2p5/(1,2,3).由图可见,激发自电离截面约为总截 面的1O%. 在图1中还给出了亚稳态(2pj3s)的直接电离截面(点线)和总截面(实线).其中直接 电离截面包括2s,2p和3s态电子的电离.总截面中包括了激发自电离截面,其中考虑了 下面18种跃迁的贡献:2p53s一2p'3s31(I=0,1,2),2p3s~2p'3s4l(f一0,1,2,3),2p53s 一 2p'3s5/(/=1,2,3,4),2s2pj3s~2s2p3s3l(1—0,1,2),以及2s2p3s~2s2p3s4/(/=0.1. 图1si'十基态和亚稳态的电子碰揞电离截面 短虚线为基态的直接电离截面,长虚线为基志总电离截面,点绒为亚稳态(2)的直接电离截面.实线为亚稳态 的总截面 复旦(自然科学版)第35卷 2,3).由图可见,亚稳态的激发自电离主要来自2p3s~2p3s3l(/=0,1,2)三种跃迁的贡 献,它们的激发阈能分别为121.9,130.6和144.9eV.这三个能量都低于基态2p6电子的 电离阈能(166.4eV).对于处于亚稳态的离子,激发自电离截面与直接电离截面相当;这 是因为亚稳态离子外层只有一个电子,而内层有7个电子.另外,处于亚稳态的离子的总 电离截面约为基态离子电离截面的两倍.所以在分析实验结果时,亚稳态离子的贡献不 能忽视. 利用计算结果,我们分析了文献E43中的实验,假定有15的si"离子处于亚稳态. 图2给出了我们的计算结果和实验值的比较.可见理论与实验符合得很好,比半经验估 计有很大改善.在1O00eV以上实验值与计算结果有较大的偏离,这在半经验计算中也出 现过.对此.Thompson等人认为可能是来自测量的系统误差. 图2si卜离子电离截面的理论计算值与实验值的比较 虚线为靶离子全为基态的总电离截面计算值,实线为靶离子含15亚稳志时的总截面计算值 3结语 我们用DWBE方法计算了类氖sj"离子基态及亚稳态的直接电离和激发自电离. 计算表明类氖离子亚稳态的激发自电离截面与其直接电离截面相当,且总的电离截面约 为基态电离截面的两倍.在分析实验结果时,亚稳态离子的贡献不可忽视. 第1期王炎森等:亚稳态离子的电子碰撞电离截面17 参考文献 1MatkTD,DunnGH.~ctronimpa~tiofflzatinn,Nework:Springer-xJer~.ag,19B5 2MatthewsDL,HagelsteinPL.RosenMD.eta1.DemonstrationofasOftX—rayamplifier?Pht,sRev Lett.1989.54(2):11O,113 3 5 6 GriffinIX;,PindzolaMS,BottcherC.Distorted-wavecalculationsoftheeiectron-Lmpactio nization 0{hilyionizedNa—likeions.P^RevA,1987,36(8):3642~3653 PiT1dzohlMS,GriffinIX;,BottcherC.Correlationenhancementoftheelectron-impactioni zation crosssectionforexcited—stateNe-likeions.P协RevA,1990.41(3){1375~1382 Thompsonjs.GregoryDC.Absolmecross—sectionmeasurementsforelectron-impactsigkioniza一 'donotSi'一andSi.yhysRevA.1984?SO(2):1377,13BI FangDufei.HuWe1.WangYansen,etalEnergydistributionofsecond0ryelectron—impactionization ofhydrogenicandhelinmlikeions.P,5RevA,1993,47(3):1861~1865 C0wanRD.Thethem,atomicstructureandspectra.BerkeleyUniversityofCalifornia?1981 方渣飞,王炎森.黄技浃等.<0库仑波函数的计算及主要特征.计算枷 理,1991,8(1):88,93 FangDufei,WangYansen.Calculationofslowlyconvergingintegralsinelection— ioncol[is/onprob— lems.JPB,1991,"(7):1749,175 Theelectron-impactionizationcrosssection formetastablestateion WangYansan,ChertChongyang,HuWei,FangOufei .DLeephyslcsl如m,Deparo~nt0fNuclearScience) AbstractInthiswork,theelectronimpactdirectionizationCROSSsectionandexcitation autoionizationCROSSsectionofthe2pgroundstateandthe2p3smetastablestateforthe Ne—likeionSiarecalculatedbyusingthedistortedwaveBornexchangeapproxima— tion.Bycomparing,thecontributionfrommetastableionisimportant?Goodagreement withtherecentcrossed—beammeasurementsisobtainedwhenthecontributionfrom metastableionisincluded. Keywordselectron—impact;metastableion;distortedwave;ionlzationcrosssection