高能全裸重离子与原子碰撞的非辐射电子俘获研究

Radiative electron capture (REC) and non-radiative electron capture (NRC) are two competing mechanisms in ion-atom collisions. The physical essence is the competition between the “electron-vacuum” interaction and the “electron-nucleus” interaction. NRC process dominates in collisions of high-energy high-Z highly charged ions with heavy atoms. However, there is no mature theory up to now, as well as few accurate and systematic experimental data. . Depending on the HIRFL-CSR and the internal target in CSRe, single-collision experiments with high-brightness will be carried out with x-ray and particle coincidence measurements. The number of electrons captured from target to ion, state-selective cross sections and angular distributions of x-ray spectra related to NRC process will be obtained in collisions of 50~200 MeV/u Xe54+, Pb82+, Bi83+ or U92+ with H2, N2, Ar, Kr, and Xe gaseous targets. Combining with the relativistic coupled-channel method developing by Yury Kozhedub, it enables us to determine whether the independent electron model still works when two or three electrons were transferred in strong Coulomb field, and whether the correlated transfer emerges, as well as how electron binding energy involves. The new theory will be continuously improved.

辐射电子俘获（REC）和非辐射电子俘获（NRC）是离子-原子碰撞中相互竞争的两种电子俘获机制。在高能高电荷态重离子与重原子碰撞中，NRC占主导地位。然而，当前还没有能够处理高能高电荷态重离子与重原子碰撞NRC过程的成熟理论，也缺乏精确、系统的实验数据。. 本项目拟依托兰州重离子冷却储存环（HIRFL-CSR）及其实验环内靶装置，利用X射线与散射离子电荷态符合测量技术，开展高亮度单次碰撞实验，获得一、两种50~200 MeV/u全裸重离子与氢、氮、氩、氪、氙碰撞NRC过程的俘获电子数目、态选择截面、散射离子初态布居和退激X射线角分布等信息。结合项目组成员Yury Kozhedub正在发展的相对论耦合道方法，判断强场中的双电子、三电子转移过程独立电子近似是否依然成立，是否存在关联转移，并确定靶电子结合能对非辐射电子俘获过程的影响。全面检验并促进该新方法的完善成熟。

本项目实验测量了50–200MeV/u的Xe54+电子俘获Kr或Xe靶电子至其激发态Xe53+*和Xe52+*后的辐射退激X射线谱，观测角共五个。实验结果不仅由俘获机制决定，还包含级联跃迁的贡献。利用相对论程函近似和Stobbe公式分别估算了40–230MeV/u的Xe54+离子与Kr或Xe原子非辐射电子俘获（NRC）和辐射电子俘获（REC）至类氢Xe离子K、L、M和N壳的总截面。对比可知，实验上获得的单俘获是NRC占主导。通过Lymanα1的各向异性角分布可得电子俘获至2p2/3上磁子能级的布局偏离统计分布，即电子更易布局在与炮弹离子方向垂直的磁亚态mj=±1⁄2上，此特征与靶核电荷数关系不大，随碰撞能增加而减弱。这是首次实验上提取高能高电荷态重离子与重靶碰撞NRC至2p3/2的Alignment参数信息。另外，单电子NRC至Lymanβ/Lymanα和Lymanγ/Lymanα的强度比约是各向同性的，其值用各角度的加权平均来表示。Lyman线强度比结果表明电子更易布局在较低的激发态，碰撞能越大，这种态分布特征越明显。相同碰撞能下，Kr靶和Xe靶的强度比差异不大；但Xe靶态分布随碰撞能变化的幅度比Kr靶要显著。实验还观测到双电子俘获的X射线谱。将经验公式计算的双辐射电子俘获（DREC）截面与上述单电子REC、NRC截面相结合可排除DREC，实验获得的双电子俘获绝大多数是双非辐射电子俘获。由类氦Xe52+离子1snp→1s2与相应类氢Xe53+离子np→1s(2≤n≤4)跃迁强度比可推断双俘获与单俘获的截面比。炮弹速度越大，双俘获比单俘获下降地更快。对于Kr靶，在相同碰撞能量下，I(1snp→1s2)/I(np→1s)(2≤n≤4)大致相同，这表明俘获电子的态分布不因另一靶电子同时俘获至炮弹离子基态而改变，即这种双电子俘获可看成两个独立的单电子俘获，此特征对Xe靶不适用。Xe靶的双俘获大约是Kr靶的2–3倍。为了与本项目实验结果相比较，需要将现如今较好计算NRC的相对论程函近似或相对论耦合道方法拓展至磁子能级，并发展双俘获理论。. 项目执行期间，设计了包含更多观测角的新靶室，本项目相关研究结果有助于系统地研究NRC角分布、REC与NRC相竞争的单俘获过程和REC与NRC相结合的双俘获过程。