【doc】氢分子离子和质子在碳膜中的能量损失测量

【doc】氢分子离子和质子在碳膜中的能量损失测量 氢分子离子和质子在碳膜中的能量损失测 量 口川大学(自然科学版) JournalofSichuanUniveraityNaturalScienceEditionVo1.30No.219g3 幽l立 技 雷晓兰 //.(原子棱科学技术研究所),'L 摘要利用高分辩原子碰撞装置,直接测量氢分子离子和质子束流的入射能 量,通过碳膜之后的透射能量分布和库仑爆作碎片的能谱由此确定透射H及其 库仑爆作碎片的能量损失?和?和H的能量损失?E^.质子的能损率测量 结果与前人推算结果一致.而H的质子碎片能损率为H的两倍以上.结果表 明,在相同核子速度和靶厚度下,?最小.?为?E^的2—3倍 关键词脱量损失.分子离子.,., 中圉法分类号;0571-22五1.|二『,/,杈他 文[1—2]的作者在研究中均发现H和H的能损差异伽.文[3—12]研究了分子离子通 过固体膜之后的传输图象,特别是H和H+在膜中的阻止本颁差异.过去发表的结果是在 较低的能量下获得的,能量分辨率也较差I】_?.本工作在较高的能量分辨率和较高的能区测 量H和H离子在各种厚度的碳膜中的能量损失,分析原子碰撞过程中分子离子与原子离 子的能损特点. 1实验方法和测量结果 利用高分辨原子碰掸装置[埘和与之相配套的微机在线数据获取和高压控制系统 口'],在 不同的H和H柬流能量下,在束流方向上测量其通过和不通过碳靶时的能谱和H的库 仑爆炸谱.由谱峰位置分别确定入射能量马,透射能时El,以及H分子离子的库仑爆炸碎 片的低能和高能峰位E和.由这些结果决定在一定能量和靶厚度下的平均每个质子的 能量损失.于是得到H的能量损失为:?E^一Ef—El,透射H的能量损失为:? Er=(Ef— 日)/2,和H的库仑爆碎片能量损失为:?E=[马+一(E1+E2)]/2. 这里e为He的束缚能.当束缚电子剥去之后,两个质子问的库仑排斥势能被释放变为 两质子问的相对运动动能.能量测量的最小单位是0OSkeV,谱峰位置测量误差为士0. 2keV.能量损失误差为士0.4keV.膜厚测量误差[IJ,J,于l0. 图l是典型的H及其透射束的能谱.从图可以看到入射能谱比透射谱窄.由峰位置分 别决定Ef和E.从而决定在一定靶厚度T和入射能量El下的能量损失AE一.图2是典型的 H及其透射束的能谱,以及库仑爆炸谱.由此图也看出入射能谱比透射能谱和库化爆炸谱 都窄.由各谱的峰位置分别确定Ef,El,Ez和E.从而确定在一定的T和E.下的能量损失 本文于1992年3月22口收到 国家自然科学基金资助项日 第2期扬百方等:氢分子离子和质子在碳膜中的能量捐失洲量2l7 9AEB],在计算?时我们取,一】2.3keV. ?和?.因为H棱间距为1.】 表1列出了在8种厚度的碳膜中,在不同的质子能量EI下测量到的?E^结果.图3 作 出了?E^随EI和T变化的趋势. 表2列出了在同样的八1'碳膜中,在不同的H能量EI下测到的?和?.图4作 出了?和?随EI和T变化的趟势. 2能损结果分析 从表l的结果和靶厚度计算出在不同能量下质子的平均能量损失率dE/dX.图5中 带 误差棒的点是我们的测量结果.圊点是文[17]中的H在碳中的dE/dX计算结果.从 图5看 出,我们对于质子的dE/dX测量结果与计算结果相符. _ -『l 蹦l典型的H度其透射束的能谱 满刘度计数F?S=23944 1 li2 ?.2 H 6 5.0 1.8 圈3H在不同能量和靶厚度下的能损?E^ EIkeV) 圈2典型的H度其透射束和它的库仑 爆炸辟片能谱.F?s一176940 :fMuf,Mu 圈{透射H和H库仑爆炸碎片在不同能量 和靶厚度的能损?和? E?????????把 ? , L?^,,一 E?^???L 掀, 218四川大学(自然科学憧)第8O卷 寰1H在碳麒中的能量损失澳l量结果 备注,表中T以pg/crnIE和?E^keV为单位. 表2透射H和H在膜中库仑爆炸碎片的能量损失测量结果 备注{表中T以/c为单位IB,?Er和?EM以k~V为单位. 图6画出了1.55665M~v的H在采用的8种膜中按厚度大小排列的库仑爆炸能谱 由此图清楚地看出,随着靶厚度的增加,造成谱形状,峰位置以及峰宽度均发生显着变化: 1.高低能峰位置都随靶厚度增加而向低能方向移动,说明厚度增加能损增大} 2.低高能之和小于透射能量,说明库仑爆炸的质子碎片有疆大的能损; 第期杨百方等:氩分子舟子和质子在碳膜中的能量捐失测量219 3.能谱峰宽度都随靶厚度增加而变宽,说明能损和能损歧离均随靶厚增加而增大I d.两峰问的谷高度随靶厚度增加而抬高,说明由于多次散射和尾流效应造成有更多非 束请【方向的质子碎片进入束流方向. 以上事实说明,由于靶厚度增加,质子碎片与靶原子的碰撞次数增加,造成能损增大,引 起峰加宽,峰谷抬高和峰位向低能方向能方向移动.应该指出的是,尾流效应造成靶电子沿 粒子和径迹集中,使阻止本领增大.此增量对能损的影响被能损随靶厚的增加和能量测量误 圉5质子在碳膜中的dE/3量蛄果圉61.55665M~V+在^种盖的库古爆炸谱 从图3,d看出,在相同核子能量和靶厚度下(?>?E>?Er),即质子的能损略大于 透射H的能损,而小于H库仑爆炸碎片的能损.并且?与?E^之比为2左右.文Elo] 中给出此比值,1.O6. 如前所述,由?E^得到的质子在膜中的dE/dX结果与计算结果一致.?ET是透射H 的能损,从文[18]知道透射H分为直接透射的和重新组成的两类.但无论哪一类H都是 能损很小的事件.因此测量到?ET最小是理所当然的.在本工作中所采用的碳膜厚度下,重 新组成的H占主要地位.随着膜厚增加,重新组成H之前,它的两个质子已有一定的能 损I厚度一定时,低能H在膜中有更长的停留时间,因而有更多的碰撞机会,也会造成能损 增加.所以在低能下,?ET更接近于?E^.但是在低能厚靶下,重新组成的H呈指数减少, 测量透射H谱更加困难.?EH是H在膜中发生仑爆炸后,质子碎片的平均能损.从扰们 的测量结果看出它明显地比?ET和?E^大.作为分子团,H的核电荷z=2}阻止本领与z. 成正比,在极薄的靶中,H}的两个质子虽经库仑爆炸,但未失去关联,因此应该有较大的能 损.其次从几何截面看,H核间距为1.19,在碰撞过程中,相互关联的两个质子构成的分 子团的有效半径为1.12A.因此方向任意分布的哑铃形状的H离子,其几何碰撞截面要比 单个质子(它的有效半径为0.53k)的大四倍以上.所以作为分子团,平均每个质子的碰撞几 率要比单个质子的大两倍以上.可以预料,随着能量的降低或膜厚度的增加,分子 离子在膜 中的停留时间加长,质子问的关联消失,库仑爆炸碎片的低高能量峰将混为一个展宽的峰. 测量到的质子碎片能损中,哇分子团的贡献比例减小,而失去关联的质子能损贡献比例增 加.因此在低能厚靶下,?b将与?E相接近.这就是为什么我们在600keV/amu以上的能 220四川大学(自然科学版)第30卷 区测到?‰/?E^,2,而文[10]在150keV/amu下测到此比值,1,06的原因.从我们的测量 结果更加明显地看出,在相同核子能量下,分子团H}比H+有更大的能损. 奉工作在国家自然科学基空和中国桩数据中心奇助下完成.测量工作在奉所静电加速器室大力协助支 特下进行.作者向支持和jf助单位致以裹心的感谢. 参考文献 LJJEwingRI,I皿Nuc,酗,,1982.Ns-9|207, 2]nrn且nnKot,J,PbB|Atom,Molto,Phy0.1978,7|269, r33 ] [5] [6] [力 [8] [9] [10] [11] r127 [13] [1{] [15] [16] [17] [18] Brandtw,R且tl【c^Aar'dPdtchieRH,Pby'Rev,k札33(1974)l325, ~randtW,Phy翟,Rcv,Left..Ie75,85}130. BrandtWandl~imotllRH.Nucl+Ir崤?um.Moth,,132(1976){3, AriotaNR,andpone~VH,J,Phys.C|Solidstatepbys.1975,8|LIB. peJW,GWM,Rom~e,uxJ,I~ubettR,andWe.griefHE,Nud.1n~rum.Mdh,1978,132i75. C,emm~lDS.?u眦JS,poizatJC,Galllardm,HollandRE.andVagerz.phy穹,Rev.Lelt.,1975,34l l420 Vascxz,Gemn蝴DS.andZa~amkyBJ,phys,Rev.A14(1976)638. Nyak~AR.WStockdmacher,andMW瑚,工pbykC|SOlMstate.,1978,11:2917. Steinbe~Jandl~tmannK,J,pbys.,1978.11t2907. F.~kazdtJC,LantschnerG,ArbtaNR.andRA~agioka,J,phys.c|Solidstatepb,1978,11~L85 1. 蒋增学,郝士琢等,原子与分子物理,1988,3(4),299, 扬百方,郝士琢等.拔仪器与'法,1985,5({)51. 扬百方,师j吐恭等,拔仪器与疗法.1984,4(2)t54+ MlnoJindeEa1.Nucl,lnrun1.Me山.,1g86,BI3l181, WUliamonF.eEaLTabl~ofrangeandstop~ngpowgrofClaeanical*lomantsforchazec~apa rticle.sofenergy0.5 to500Mev, N1Cue,郝士琢等,四川大学(自然科学版),1983,I,60. ENERGYL0SSOFFASTHMOLECI?ARIONSAND PROTONINCARBONFO?S Ym噜B咖崦M0odmwe~sMia~om2LeiX~/an (InstituteofNuclearScienCeandTechnoiclsy) AbstractTheenergyspectraofincidentHtandH+ions,theirtransmitia$beamsand CoulombexplosionfragmentsofHionsincaXbonfoilsweremeasureddirectlyusinghighenergy re~olutionarrangement.Basedoil吐Iesemeasuredspectra.theenergylossof?E?and ? E^weredecidedforH}andI{incarbonfoil,respectively.Theme.,~sumentresultsofStopping powerforHincarbonfoilcoincidewiththosefromreferenoe[17].Ourresultssuggeststhatthe energy1?sofproton.?E^,islargerthanthoseoftransmittingHt,?,andleasthanthoseof CoulombexpJos/onfragmentsofH,?EM,aboutafactorof3atthes踟etargetandincident energypernucleon.Therefore,*herehasadifferentcharacteristiconenergylossformolecularand atomicions. KeywordsEnergy】0.Molecularion. ?ThePr0jeccSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina.