利用量热法研究高电荷态离子在物质中的势能沉积

高电荷态离子是指核外电子被高度剥离的重离子，势能极高、电场极强、与物质作用时能量沉积区域极小（纳米尺度）、过程极短（飞秒尺度），因而能量沉积功率密度极高（约10^(12-14）W/cm^2）。高电荷态离子与物质相互作用研究不仅在极端条件下原子物理、量子电动力学、等离子体物理等基础领域有重要的研究价值，而且在表面微纳尺度加工，极短极小辐射源开发等方面也有着潜在的应用价值。本项目将通过新发展的"量热法"对高电荷态离子在物质表面的势能沉积功率进行直接的高精度测量，系统研究入射离子原子序数、初始速度、电荷态及靶材料性质对势能沉积过程的影响，发展和完善现有理论模型，为高电荷态离子与物质相互作用的物理机理及相关应用研究提供重要实验依据和数据支持。课题组成员相关研究经验丰富，项目所依托的实验平台可提供的离子种类齐全，流强稳定，电荷态和速度可选范围极大，相比国际同类平台具有明显优势，将有望取得重要进展。

高电荷态离子因为其核外电子被大量剥离，自身携带具有很高库伦势能，当其入射到材料表面时，将在极短时间内将全部的势能释放出来，产生非常高的能量沉积功率，并引起一系列的强激发过程，造成材料表面次级粒子溅射的增强、X射线发射及表面纳米尺度缺陷的产生。该势能沉积主要通过非弹性电子交换过程实现，过去的研究多是利用测量次级粒子溅射的手段进行研究。缺乏直接性的如测量高电荷态离子入射下材料温度变化的研究内容。本项目建立了一套用于超高真空环境的、具有环境热辐射屏蔽能力的高精度温度控制系统和快速测温系统，专门用于对高电荷态离子的能量沉积引起的靶材料温度变化进行测量，进而实现对势能沉积过程的系统研究。该套温控系统主要由超高真空插件主体、多通道电子控温仪、自增压液氮冷却罐构成，可以实现的控温温区范围为77K-325K；温度稳定度约10mK。为了该项目的研究，样品靶架进行了特殊设计，将冷池温度控制到实验需要的温区：140K；而实验样品只通过四根细铜丝与冷池相连，经过长时间的稳定，靶样品区域将具有极高的温度稳定性，同时在样品背面安装有温度传感器。研究中采用了单晶金刚石薄片作为靶样品，其具有极高的热传导效率，同时在电学性质上为绝缘体，为利用量热法研究高电荷态离子势能沉积提供了便利。实验中，我们观测了离子入射时引起的靶温度明显变化，证明了该套设备开展量热法工作的可行性，并按照计划正在逐步开展系统的实验测量工作。.受益于该基金项目的支持，我们同时在高电荷态离子入射不同材料上引起的X射线发射、二次电子发射及材料表面纳米尺度缺陷产生等相关研究中取得了一定的进展。X射线发射研究测量了包括靶原子的激发X射线和炮弹离子的退激X射线；受到外壳层多电离的影响，X射线的能量会大于原子数据，且分支比也会发生变化，其截面可以用BEA理论模型来估算，还探讨了多电离对荧光产额的影响。实验测量了二次电子发射产额随温度变化的关系，结果显示随着靶温度的升高，二次电子发射产额随之下降。在材料表面纳米尺度改性研究工作中，比较了高电荷态离子和单电荷态离子分别入射条件下，材料表面纳米缺陷尺寸的变化，从电子能损和势能沉积的角度，并结合非弹性热峰模型和对观察到的实验现象进行了研究。