低速高电荷态离子辐照材料表面诱发光辐射及损伤的实验研究

Different light emissions and damage effect can be induced by slow highly charged ions irradiated solid surfaces. These complex phenomena contain important information about the neutralization of incident ions, the excitation of the target atoms, the composition and structure of the solid surface. In view of this, this project takes the light emission and the damage effect as the key points, researches the interaction of the Tiq+(12≤q≤21)、Xeq+(24≤q≤44) ions with different targets, using both the on-line measurement and off-line analysis. The projectile ions have a range from 120 keV to 1.0 MeV. Further, we investigate the physical processes of the high excited states, the hollow atom evolution and potential energy deposition, and so on. The objective is to obtain the deeper knowledge of optical emission and the damage mechanism and the underlying rules between them. Finally, we establish a new method of material surface analysis and provide data and gist for the basic research and application research.

低速高电荷态离子辐照在固体表面会诱发不同波段光谱的发射以及材料的损伤效应。这些复杂的现象中不仅携带了入射离子中性化、靶原子激发等碰撞过程的微观信息，也携带了固体表面成分和结构等重要材料信息。鉴于此，本项目以光谱发射和表面损伤分析为切入点，结合在线测量和离线观察等手段，系统研究不同能量（120keV-1.0MeV）、不同电荷态Tiq+（12≤q≤21）Xeq+（24≤q≤44）离子与不同类型靶材的相互作用。在此基础上，深入探索高激发态、空心原子演变及势能沉积、转化等物理过程，从而获得低速高电荷态离子激发固体表面光谱、表面损伤机制以及两者之间的统一规律，最终建立材料表面分析的新方法，为基础研究、应用研究提供数据与依据。

低速高电荷态离子（SHCI）是一种速度小于Bohr速度、电荷态很高的特殊离子，这种离子所携带的势能远大于其质心运动动能。它与材料表面相互作用时，会诱发材料表面电子发射、次级粒子溅射和不同频率的光辐射。在实验研究中，利用特殊的光谱方法可观测到这种离子辐照材料表面时不同频率的光辐射以及材料表面损伤等物理现象。这些复杂的现象中不仅存在离子中性化、靶原子激，也存在材料表面的辐射，其谱线携带了大量固体深、浅表面的信息。因此，研究这种离子与材料表面相互作用与入射离子、能量、电荷态以及材料内在物理性质之间的关联对研究入射离子的势能转移机制有着非常重要的意义。本项目以离子辐照材料切入点，在中科院近物所320kV高电荷态离子验平台研究了不同剂量、不同速度、不同电荷态离子对不同类型靶材光辐射和表面损伤的影响。具体内容如下。.分别研究了相同能量（4MeV）、不同剂量的Fe15+离子对SiO2材料和硅铝比例合金材料以及相同能量（3MeV）、不同剂量的Fe11+离子对铝基合金材料和铝基复合材料的辐照和光谱发射的影响。结果表明离子辐照造成了SiO2材料色心形成、无序化增强、内部结构遭到破坏等缺陷，且随着剂量的增加，缺陷浓度的增加导致一些有缺陷的团簇和离子径迹形成了相对更复杂的色心。各Al-Si样品经辐照后其PL发光强度有所降低，但辐照注量较大时造成的缺陷使载流子的复合发光率也越高。离子辐照会使铝合金样品的微观结构发生较明显的变化。注量增大，表面溅射作用使材料表面的不规则微形变被削减，合金表面发生形变，表面粗糙度下降。同时，离子辐照导致复合材料表面产生的缺陷引起了材料表面的扭曲和畸变。且辐照过程中在材料表面产生了孔洞和突起等缺陷，这些缺陷的分布和演化改变了材料的微观结构、致密度等性能，最终影响了材料的综合性能。.以上研究内容及研究结果加深了我们对SHCI与材料表面相互作用的微观研究及宏观研究以及离子对材料表面损伤机制的认识。