EBIT-电子束离子井-xy

电子束离子阱

（electron beam ion trap—EBIT ）

一、引言

在通常实验室条件下，人们用物理和化学方法来电离原子，所获得的都是低电荷态的离子，从原子上剥离的电子都是少量的价电子。但是，在星球和宇宙中，或者是在实验室高温等离子体中，原子中的电子可以被大量剥离，不仅价电子，内部深层的电子也可以被电离，使原子成为高电荷态的离子。

过去，产生高电荷态离子的手段很有限，电荷态高于2—3价的离子就已经被称作高电荷态离子。随着实验手段的发展，人们在实验室中能够产生和研究的离子电荷态越来越高。借助于对高电荷态离子的逐渐认识，人们对自然界及宇宙的认识也不断的进步，例如，对于日冕（solar corona）温度的认识，过去一直认为它的温度与太阳表面温度相近，在6000度左右。由于对Fe 的高电荷态的研究，才使人们认识到日冕中的未知谱线并非是由地球上不存在的元素产生，而是Fe 的12价正离子谱线[1]，由此推断日冕的温度要比太阳表面的温度高出三个数量级，即几百万度。随着所能涉及的离子电荷态越来越高，从量变到质变，它对物理学家提出了新的挑战。人们要问：高电荷态离子有哪些不同于低电荷态离子的特性，研究高电荷态离子的物理会给已有的物理学基本理论带来什么样的变革，高电荷态离子在宇宙中的形成过程等等。高电荷态离子相关物理的研究是一门新的学科，它对许多相关学科都有重要影响，它对原子结构、核结构、相对论、量子电动力学、基本粒子理论的研究和检验；以及对天体、聚变等各类等离子体的研究和诊断都有着重要的作用。所以，国际学术界一直致力于这方面的研究，特别是研究怎样产生（极）高电荷态离子以及它们的基本特性[1]。

因此，对离子源提出了更高的要求，在这种情况下，电子束离子阱应运而生了。

二、EBIT 的诞生及发展

在实验中获得高电荷态离子，实际上是比较困难的。理论上，只要碰撞电子在质心系中的能量高与被剥离电子的能量，原子外层电子就可能剥离而形成高电

荷态离子。一种方法是用大型加速器产生的相对论性重离子轰击静止的固体靶，把离子剥离到高电荷态。同时另方法是用能量低得多的电子去轰击几乎景致的重离子（原子）的气体靶，剥离离子（原子）到高电荷态。后者就是EBIT 主要工作原理。

靠电子束产生的空间电荷分布约束离子，并对这些离子接连不断地轰击，产生带多重电荷的离子，这一想法早在上一世纪五十年代已经提出。十多年之后由前苏联Dubna 研究所科学家改进后建立了第一台电子束离子源（EBIS ），这也是第一台用低能电子产生高电荷态离子的装置。它即是EBIT 的前身。1988年，美国Lawrence Livermore 国立实验室的科学家对EBIS 行了改良之后，建成了世界上第一台Cryo-EBIT 装置, 然后于1994年在这套装置上第一次观察到了裸铀离子U 92+。在EBIT 之前，要产生电荷态高于30的离子只能通过国际上几台昂贵的大型加速器，如今在EBIT 这样一种适合于通常规模实验室的装置上就可以产生周期表中任意元素的任意高电荷态离子[2]。

EBIT 的结构如图1。主要由电子枪，漂移管，束缚阱区，电子收集电极和超

图 1.EBIT基本结构框图

导磁场线圈等构成。其工作原理如下：电子束从电子枪中被引出后，被漂移管和电子枪之间的高压加速，进入第一级漂移管后被其中所加的磁场聚焦，在电子束在阱区之前，能量和密度达到足够大。在阱区与低电荷态的离子或气体原子碰撞，使离子的电子不断被剥离，电荷态不断升高，直到达到平衡。通过选择电子束的能量和密度可以选择离子的电荷态，电子经过漂移管后被减速，最后被电子收集级收集。

下面将讲述每个部件的主要工作原理及其工作方式。

1．电子枪 电子源的产生装置有两种工作方式：一种的热发射，就是加热阴级，使原子核外层电子因加热而获得较高的能量，脱离原子核的束缚而逸出而获得自由电子。另外一种是场致发射，当在金属表面处在强电场区域（108V/cm）时，会有大量的电子发射出来，从而获得电子。这两者各有优缺点，热发射操作简单，加热电极达到一定温度

（20000C 左右），就能获得电子源。

但强度和能散度教大。场发射有发

射电子束流强度大，是热发射的

10-100倍，同时能散度教小，仅为

0.2 - 0.3 eV，其解析度比较高，达

1nm 以下。但因为其特殊的构造，

要求其工作的环境为超高真空，约

为10-10T ，同时在冷场发射时，还

需要定时短暂加热针尖至23000C ，

以出去所吸附的气体原子。

综上所述，比较热发射和场发

射有的优缺点，在EBIT 中通常选

择前者。如右图。 图 2.热发射式电子枪

2．离子阱 离子阱是产生高电荷态离子的核心区域。众所周知，当两个粒子碰撞，只有在质量相差十分悬殊(例如电子和原子碰撞) 时，质量较轻的一方才可能将其几乎所有的动能转化为较重一方的内能；而质量相当的粒子碰撞(例如离子和原子碰撞) 时，有很大一部分能量必须留给质心运动以保证碰撞过程的动量和能量守恒，动能转化为内能的效率就低得多[1]．针对后者，人们发展了对撞机，使质心保持静止以减少给予质心运动的能量来提高能量转换效率．而在EBIT 中则是利用了上述第一种情况，所以动能--内能转换效率很高．

EBIT 对电子束能量的要求，原则上讲，只要电子在加速过程中得到的动能超过原子(或离子) 中被电离电子的束缚能，那个电子就可以被电离．原子中越靠

近原子核的电子，其束缚能越大，即束缚得越紧．原子中由里向外，第一主壳层的电子(n=1)称为K 电子、第二主壳层(n=2)称为L 壳层⋯⋯．当碰撞电子能量逐渐升高时，它能电离掉的电子由外层向内层进发．越是内层的电子越是难电离，它需要的能量越高．氢原子唯一的一个电子，它的束缚能(基态) 是13．6 eV，一旦EBIT 中的电子束能量超过这一束缚能，氢原子的电子就可以被电离掉；铀离子的最后一个电子或者说类氢铀离子的惟一一个电子，它的束缚能是131820．1 eV ，当碰撞电子能量超过这一数值，那么铀离子会丢掉它最后一个电子而成为裸离子．这并不意味着一旦EBIT 中电子束的能量超过132keV ，EBIT 中就充满了铀的裸离子，事实正好相反，即使在198keV 那么高的电子束能量下，裸铀离子的存在比例也是极小的 ，小到几乎可以忽略．原因是：(1)电子与离子碰撞，不仅可以电离离子，使离子电荷态上升，同时也可能与离子重组，使电荷态降低．这本身是一个竞争过程，但是电子重组的截面(几率) 相对碰撞电离的截面随碰撞能量下降的较快，所以提高碰撞能量对得到高电荷态离子是有帮助的．(2)在EBIT 中的真空度虽然已经很高，但是总有剩余气体原子或低电荷态的离子存在，高电荷态离子与这些原子或离子碰撞，将发生电荷转移，使高电荷态离子的电荷态降低，而低电荷态离子的电荷态上升．高价态离子在阱中的电离平衡过程和能量平衡过程可以用以下互相耦合的非线性方程组来描写:

dN i ion rr cx =R ion

i -1→i N i -1-(Ri →i +1+R i →i -1+R i +1→i )N i dt

cs axesc soc +(Ri rr +R )N -R +R +1→i i +1→i i +1i i

其中Ni 表示价态为i 的离子的密度, R ion i →i + 1表示第i 价离子电离到第i + 1 的有效电离率, R rr i + 1 →i 表示第i + 1 价离子电离俘获一个电子到第i 价离子的有效辐射俘获率, R cx i + 1 →i 是第i + 1 价离子和本底中性气体交换一个电子到第i 价离子的电荷交换率, R axesc i 是轴向逃逸项, R soc i 是源项[3].

d d d heat1(Ni kT i ) =[(Ni kT i )]+[(Ni kT i )]heat2

dt dt dt

d +∑[(Ni kT i )]dt j j exch -[d (Ni kT i )]axe dt

其中能量平衡方程中,d/dt (N i kT i ) heat1表示由于库仑碰撞作用电子束和离子的能量交换率,d/dt (N i kT i ) exch

j 表示离子和离子之间由于库仑碰撞作用能量的

交换率,d/dt ( N i kTi ) axe 是由于粒子的轴向逃逸而产生的能量损失[3]。

对于高电荷态离子，这种电荷交换截面很大，即发生几率很大，所以这事实上成了最主要的限制离子电荷态提高的阻力．这就要求EBIT 离子阱区的真空度很高，以减少电荷交换的对象，这对得到高电荷态离子非常重要．另外，电离速率与电子流密度成正比，在真空度足够好的情况下，到达某电荷态q 所需要的时间近似反比于电子流密度，电子流密度越高，达到电荷态q 越快．这在很大程度上也取决于所需电荷态，电荷态越高，所需时间越长．一般研究在ms —s 量级．因为电荷交换过程与电子流密度没有直接关系，所以提高电子束流密度可以增强电离过程的竞争力，同样也达到提高电荷态的作用．

前面已经提到，电荷态越高，得到它所需时间越长，所以我们要考虑怎样延长高电荷态离子在EBIT 中的约束时间．电子与离子碰撞，除了引起电离、激发和重组等非弹性碰撞外，也会因弹性碰撞起到一个加温作用，使阱中离子温度逐渐升高．当离子温度升高到足以抵抗径向或轴向势阱的约束，则这一轮的约束宣告结束．一般离子被加温到足以逃逸所需时间大约在s 量级，而离子与原子(或低电荷态离子) 碰撞使阱中离子达到准平衡态，弛豫时间大约在ms 量级．离子与原子(或低电荷态离子) 碰撞在使电荷态由高向低转移的同时温度也由高向低转移，这可用以延长离子在阱中的约束时间．在同一电位差形成的势阱中，电荷态低的离子感受到的势阱深度浅，电荷态高的离子感受到的势阱深．若在离子阱(漂移管中央) 中引入比我们研究的离子轻的原子，则轻原子就会在阱中很快得到足够使其逃逸的能量而离开阱区并带走能量．倘若不断地引入轻原子，就可以使其不断地从阱区带走能量，从而达到冷却的作用，显著地延长了我们感兴趣的离子在阱区的时间．这种方法称为蒸发冷却，它可以使重元素高电荷态离子的约束时间延

长到1～2h ，曾报道的最长约束时间为4h ．根据以上所述，对于EBIT 性能起主要影响的是电子的加速电压、电子枪的输出电流及超导磁线圈的磁场强度等，此外合理的电子光学系统以确保在阱区得到最强的电子束流密度，系统尽可能高的真空度以减少高电荷态离子的损失等等，对EBIT 的性能都是很重要的[1]．

3．电子收集极 当电子束剥离原子外层电子后，能量因碰撞了降低，这时需要一个收集装置收集剩余电子。如图3，当电子经过漂移管后，会经过两个电极和一个磁场区域，之后被电子收

集极所收集。当刚出阱区，由超导

产生磁场减弱，同时电子束由于库

伦作用互相排斥而散开。在电子束

到达收集极前，其能量已经下降到

1keV 了。在收集极前端，加了一个

约为200V 的负偏压[3]，以降低电子

到达收集极里面时的能量，同时能

避免由于碰撞打出的二次电子逃出

收集极。 图 3.电子收集极示意图

同时由于阱区磁场的外延分布，电子受磁场的影响，而发生偏转，而散列在收集极表面上，同时收集极用水冷却。这样避免了局部强电子束的轰击而产生高温毁坏收集极。

当然，EBIT 还有很多其他部件，这里不再一一列举了。

三、对未来工作的展望

电子束离子阱的功能如此强大，理论上能产生元素周期表中所有元素的任意高电荷态（当然还受限制于Z ）离子，而且工作原理相对简单，在次基础上能开展很多研究。由于极高电荷态甚至裸铀离子的产生，对原子核的结构必将认识的越来越清楚，对核内夸克介子等构成核子的组成原理极其特性的认识必将发生质的飞跃，同时对核能级的结构和衰变跃迁机理，及对远离 稳定线的新核素有较深刻的认识。同时对高电荷态离子与材料表面作用的研究，提供很大的方便，对材料的改良和新材料的合成都有很好，提供了很好的实验方案，等等。因此，EBIT 的出现，为新世纪物理的发展带了新的曙光。

本人衷心的希望兰州大学的EBIT 早日建成，能及早的投入使用。

参考文献

[1] 邹亚明，前沿进展，08，09，2002

[2] Marrs R.E, Elliott S.R, Knapp D.A. Phys. Rev. Lett.1994,72:4082

[3] 袁行球，陈重阳，李辉等，电子束离子阱中高价态离子演化过程的数值模拟，物理学报，Vol. 52 , No. 8 ,August ,2003

[4] Michael Wayne Froese , The TITAN Electron Beam Ion Trap: Characterization, and First Tests. Assembly,