天体物理相关的离子与双原子分子碰撞反应微分实验研究

高电荷态离子与分子碰撞反应中的电荷转移过程广泛存在于天体和实验室等离子体环境中，电荷转移过程的实验研究在基础研究和应用方面具有重要的意义。本项目基于加速器提供的H、C、O和Ne离子束，采用先进的离子动量成像技术，实验研究离子与氢气和一氧化碳双原子分子碰撞反应中的态选择电荷转移过程。利用建成的反应显微成像谱仪，采用符合方法，测量离子与分子碰撞反应中产生的反冲离子的动量矢量，研究电荷转移过程中电子俘获到离子不同量子态的信息；利用反冲离子探测器的多击响应特性，测量分子离子碎裂过程中的多个碎片到达探测器的时间和位置信息，获得碎裂过程的动能释放，研究分子离子的库仑爆炸过程；同时实验研究电荷转移过程中俘获电子的态选择截面和分子离子碎裂时的动能释放随入射离子能量和电荷态的变化关系。在理论上，采用多通道Landau-Zener和经典分子库仑过垒模型对所研究体系进行模拟计算，与实验结果进行比较研究。

本项目采用先进的离子动量成像技术，利用自主建成的反应显微成像谱仪，采用符合方法，测量了加速器提供的质子、He、C、O和Ne离子束与He、氢气、CO分子碰撞反应中产生的反冲离子的动量矢量，系统研究了态选择单电子俘获过程中电子俘获到离子不同量子态及角微分截面与炮弹离子能量的关系，实验结果与经典分子库仑模型和Laudau-Zener模型的计算进行了比较；同时利用反冲离子探测器的多击响应特性，对分子离子碎裂过程中的多个碎片到达探测器的时间和位置进行测量，获得碎片离子的动量矢量、碎裂过程的动能释放和角关联，对分子离子的碎裂机制进行了研究。在He2+离子与He原子碰撞中，在单电荷转移中发现，炮弹俘获一个电子在基态，靶原子上另一个电子也在基态，反冲离子的在垂直束流方向的平面内出现了衍射现象，通过与经典模型的计算比较得出，利用离子物质波的衍射理论可以合理地解释此实验结果。在离子与氢气靶的态选择单电子俘获反应中，发现炮弹离子俘获靶上的电子末态一般布居在为数不多的量子态；随炮弹离子能量的升高，电子被布居到离子更高的主量子数通道被打开，这与经典库仑过垒模型的预测一致。在碳离子与甲烷和CO分子碎裂研究中，清楚地观测到不同的碎裂通道，根据测量获得分子离子碎裂的动能释放，分子的碎裂通道和离子与分子碰撞时传递给分子的能量密切相关。在O3+离子与He和H2碰撞反应的对比实验研究中，对He靶，单电子俘获到O2+(2s2p3)态为最主要的反应过程，O2+(2s22p3l)态贡献较弱；然而，对H2靶，单电子俘获到O2+(2s22p3l)态为最主要的反应通道，O2+(2s2p3) 态贡献较弱，实验结果可以从能量匹配和分子库仑过垒模型的反应窗理论得到定性解释。本项目系统地研究了离子与原子分子碰撞中的量子态布居、分子碎裂机制与靶的结构、炮弹离子的电子态结构以和离子能量的关系，获得了有意义的结果，部分结果已在国际SCI刊物发表。