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高电荷态离子双电子复合精密谱学研究平台
更新时间:2017-09-25 17:34:44  |  点击次数:710次

兰州重离子加速器装置(HIRFL)的整体结构(图1),由离子源ECR、扇聚焦回旋加速器SFC、分立扇回旋加速器SSC、同步加速器/主冷却储存环CSRm、兰州放射性束流线2(RIBLL2)和重离子冷却实验环CSRe 构成,CSRm 环的周长161 米,CSRe 环的周长128 米,电子冷却直线段长4 米。兰州重离子冷却储存环CSRm和CSRe 上的双电子复合共振精密谱学实验装置如红色方框所示,都是在CSR的电子冷却器上开展,由红色圆圈标出。国际上只有兰州近代物理研究所的CSR 和德国重离子中心GSI 的ESR 能够开展双电子复合精细谱学研究,CSR 配置了最新一代电子冷却装置,具有电子束密度分布的调节功能,使得DR 谱学实验在减小空间电荷效应方面更具灵活性。CSRe 能够提供电荷态更丰富、种类更多、品质更好的离子束,因此可以大大拓展目前DR 研究的范围,开辟DR 精密谱学研究的新方向。
 

图1 . 兰州重离子加速器装置(HIRFL)的整体结构

实验动机和实验简介:宇宙中95%以上的可见物质处于等离子体态,电子与各种电荷态离子双电子复合DR (Dielectronic Recombination)是最基本和最重要的原子碰撞过程,不同能量电子的碰撞反应速率决定着等离子体的演化和性质[1]。DR是自由电子被非全裸离子俘获时,释放的能量激发轨道电子到激发能级,形成双激发态离子的过程。DR的基本原理如图2所示,由于轨道电子的能级是分立的,DR是自由电子与束缚电子发生共振的俘获激发过程,对原子能级结构非常敏感,已经发展成为高电荷态离子精密谱学测量的新方法—电子离子共振谱学技术。DR实验具有以下优点:

超高的实验精度,可以达到毫电子伏特,甚至几十微电子伏特

电子和离子的相对能量大范围精确可调

复合离子的探测效率可以达到100%

实验是在超高真空中开展的,所以具有极低的背景影响

实验可以测量绝对反应速率和截面

 

图2. 双电子复合的基本原理,自由电子被非全裸离子俘获时,释放的能量激发轨道电子到激发能级,形成双激发态离子,并最终通过退激发射光子到基态的过程。

在储存环上发展DR 谱学技术,高精度测量高电荷态离子的双电子复合共振谱,通过和FAC 模型、AUTOSTRUCTURE模型等理论计算的分析比较,深入研究强场QED效应,相对论效应、电子关联效应,得到远离β 稳定线的放射性核素的基态特性,促进原子物理和放射性束核物理的新融合。DR实验将选择与天体等离子体、激光等离子体、聚变等离子体
研究密切相关的Fe、Ni、Sn 和Bi 等不同离子开展实验工作,研究内容包括三个方面:(1) DR 反应速率精确测量;(2) DR 精密谱学研究;(3) 利用 DR 精细谱学研究远离β 稳定线放射性核素基态性质。

实验装置和实验结果:随着兰州重离子加速器冷却储存环CSR的建成,具备了开展高电荷态重离子束DR实验的条件,如图3所示,是CSRm上DR实验的装置图 [2],经过冷却的离子与电子靶碰撞,通过调节电子束与离子束的相对能量,探测复合离子的计数就可以获得离子的DR谱。通过不断的尝试,2014年1月到现在,在CSRm上在DR刻度实验的基础上,测量了112Sn35+、58Ni19+在低能区的双电子复合谱,获得了它们的双电子复合速率系数。2016年在CSRm开展了类锂40Ar15+和类铍40Ar14+离子的DR实验[3],40Ar14+实验结果如图4所示。DR谱学技术具有极高的能量分辨,探测灵敏度高等特点,我们计划利用HIRFL-CSR装置针对DR反应开展以下几个方面的物理实验研究,包括DR反应速率精确测量、DR精细谱学研究、利用DR精细谱学研究远离β稳定线放射性核素基态性质等 。

图3. 在CSRm电子冷却靶上开展DR实验装置示意图。

图4. 实验测量得到类铍的40Ar14+离子的双电子复合速率系数随着相对能量的变化关系,质心系下的能量范围为0-60 eV, 覆盖了1s22s电子的所有的△n=0 的共振跃迁,图中红色短线所标识的是1s2p 1p1/2nl 组态的里德堡能级的分布。

DR实验未来发展和展望:DR实验已经成为一种测量各种离子精细谱学的重要技术,同时通过对超精细谱学和同位素位移两方面的实验,为原子物理和核物理的结合奠定基础 [4,5]。未来我们将把DR实验推向冷却实验储存环CSRe上以及未来在中国和德国分别要建成的大型加速器HIAF和FAIR上,从而能够开展更高能量,更高电荷态,更重元素,甚至放射性核素的DR实验 [6, 7]。HIAF(High Intensity Heavy-ion Accelator Facility)全称为强流重离子加速器装置,双电子复合实验主要在其SRing上开展,HIAF-SRing设计布局如图5所示,储存环全长273 m,最大磁钢度为13 Tm,预装配电子冷却和随机冷却系统,同时,SRing的短直线段上配备了一个独立的超冷电子靶,为开展储存环电子-离子复合实验提供了极其优越的实验条件。HIAF的总体设计布局如图5所示,包括超导离子源SECR,强流直线加速器iLinac,一个圆角三角形的同步加速换BRing (Boost Ring ),一条放射性束线(HFRS),一个高精度谱学实验环SRing,一个和SRing构成“8”字形的MRing以及其他一些物理实验装置和终端构成,如图5所示。高电荷态离子的DR精密谱学实验研究已经确定为HIAF上的一个重要物理目标之一。 由于SRing拥有更好的冷却状态,离子束动量分散能够达到~1×10-6。更低的电子温度和更小的离子束动量展宽将会大幅提高实验能量分辨,从而研究强场QED,电子电子相互作用,原子核性质以及电子俘获核激发NEEC等新物理 [8, 9]。

 

图5. HIAF-SRing 上的DR精密谱学上实验区布局

双电子复合实验是基于重离子束储存环开展的高电荷态离子精密谱学实验研究,该项目得到了国家重点研发计划、基金委国际重大合作研究项目和中国科学院先导B的支持,具有深厚的国际合作背景,包括德国,俄罗斯,英国以及国内的中科大,西北师大等单位。

参考文献:

[1] A. Müller, Adv. At. Mol. Phys., 55, 293, (2008).

[2] W. Q. Wen, X. Ma, et al., Nucl. Instr. Meth. B 317,731-733(2013).

[3] Z K Huang, W Q Wen, H B Wang, et al., Physica Scripta T166, 014023 (2015)

[4] C. Brandau, et al., PRL 100, 073201,

[5] M. Lestinsky, et al., PRL 100, 033001 (2008), (2008)

[6] Z.K. Huang, et al., Nucl. Instr. Meth. B (2017), http://dx.doi.org/10.1016/j.nimb.2017.04.024

[7] X. Ma, et al., Nucl. Instr. Meth. B (2017), http://dx.doi.org/10.1016/j.nimb.2017.03.129

[8] A. Pálffy, et al., Phys. Lett. B 661, 330 (2008)

[9] X Ma, et al., Physica Scripta T166 (2015) 014012