基于全息动量成像谱仪的电子作用下分子解离过程研究

Electron impact ionization and dissociation of molecules has attracted considerable attention and continues to be an important area of research. However, in most measurements, processes such as dissociation, excitation and Coulumb explosion of the molecules are rarely reported. The reason is that it has been too difficult to detect all the reaction products in the collisions of low energy electrons with molecules. Based on the reaction microscope constructed at Fudan University, the electron impact ionization and dissociative ionization of the molecules H2, N2, and some Hydrocarbons will be studied. A super-sonic gas jet target will be used here to ensure good energy resolution. In the collision region, the electric filed to collect the recoil-ions can be either transvers pulsed or longitudinal electrostatic to get a low energy electron beam and almost 100% collection efficiency respectively. Ionization and excitation of molecules can be studied from measurements of the change in the internal energy. The relationship between the excitation and fragmentation processes of molecules can then be deduced from the kinetic energy distribution of the recoil ions. By measuring the momentum of the free electrons and the recoil ions in coincidence, the reaction process can be reconstructed, and FDCS (fully differential cross section) can be extracted. Thus the interaction between molecules and electrons provides an ideal tool to study few-body dynamic properties. On the other hand, the present measurement can provide the important parameter for plasma simulation in Magnetic Confinement Fusion (MCF).

电子作用下分子的电离解离过程一直是研究热点，但由于分子碎裂过程复杂，理论和实验研究面临诸多挑战，此前对于分子被激发后解离、库伦爆炸的反应通道研究有限。本项目利用复旦大学的动量谱仪，在采用超声气体冷靶提高反应产物动量测量精度的基础上，在碰撞区域分别利用横向脉冲引出电场和纵向引出电场——前者可获得极低能（15eV）入射电子束，后者可实现反应产物的4π立体角收集，系统地研究低能电子（< 200 eV）与超声气体靶（氢、氮、碳氢分子）相互作用中的分子电离解离过程。通过多重符合技术测量全部反应产物的末态动量，确定各个反应通道截面，并根据反应产物中自由电子、反冲离子及散射电子的动量获得初末态束缚能变化，研究电离与激发过程。在此基础上研究分子激发能与分子键断裂的内在联系，为理论模拟分子解离、库伦爆炸等碎裂动力学过程提供可靠的实验依据，同时也为磁约束核聚变的边界等离子体模拟和诊断提供分子数据。

电子与原子分子的碰撞是自然界中物质相互作用的主要微观过程之一，而这些碰撞过程的研究也是人们理解原子分子等多体动力学问题的重要途径。利用冷靶反冲离子动量谱仪（COLTRIMS），研究了电子作用下氮分子的单、双和三电离过程，分析了氮分子离子的碎裂过程和库伦爆炸过程的动能释放（KER）随入射电子能量的关系。发现分子离子的碎裂过程主要与入射电子引起的不同轨道电子电离有关。研究了300eV电子作用下乙烯分子离子的碎裂过程，获得了两体和三体碎裂通道的动能释放，发现动能释放的峰值与碎裂程度相关，即碎片个数越多，则释放的动能峰值越高。另外发现两体碎裂和三体碎裂中的质子及H2+离子的动能相似，说明两体和三体碎裂前分子离子的激发态是相同的。利用牛顿图，分析了三体碎裂过程，发现二价乙烯分子的三体碎裂过程主要是通过顺序解离方式，即先碎裂为两个带电离子，第二步中再丢失一个中性碎片。此外，本项目还分析了电子及离子作用下甲烷、乙炔及乙烯分子中的质子迁移过程，并获得了上述过程的动能释放。在本项目资助下，比较系统地电子作用下分子碎裂过程，发表论文10篇，本人为通讯或共同通讯作者。