X射线产生截面的研究现状

摘要：国际上对高电荷态离子与固体靶相互作用X射线产生截面的研究主要是从上世纪70年代开始，经过了几十年的发展，对于X射线产生截面的研究已经比较全面和成熟。论文主要是对有关X射线产生截面的实验和研究进行调研，收集世界上与此相关的实验研究资料，然后进行对比总结，分析了高电荷态离子与固体靶相互作用X射线产生截面研究的现状。

关键词：高电荷态离子 X射线产生截面 研究现状

中图分类号：O571.4文献标识码：A文章编号：1007-9416(2011)10-0153-01

1、引言

有关X射线产生截面的研究有几十年的历史了，该研究是这些年来广受关注的热点研究领域之一。特别是近年来重离子与固体靶碰撞过程中涉及到入射离子与靶原子核及核外电子的相互作用，这样的多体过程无论对于基础原子物理学的研究，还是对于其他相关领域的应用研究，都具有重要意义。

在重离子驱动惯性约束聚变研究中，重离子是一种非常灵敏的驱动源。而重离子-原子碰撞X射线谱学的研究是重离子驱动惯性约束聚变研究的一个重要环节，它将为重离子驱动惯性约束聚变研究提供重要的数据，同时可为发展新的原子内壳电离理论模型和修正原子参数提供物理依据。

2、研究现状

2.1 实验现状

在早期的研究中，一般是用质子或α离子等轻离子轰击气体或固体单质靶，在研究单电子过程方面积累了大量的实验数据，而且基于一级波恩近似并考虑了极化、结合能、能损和库仑偏转效应的ECPSSR理论可以很好的描述轻离子的碰撞。

用重离子-原子碰撞来研究原子内壳过程在最近几十年中一直是各大实验室的研究领域。比如在1974年Burch等人研究了50-100eV的Cl离子与Pb靶碰撞中Pb的K层离化率；1976年，Gray小组与Wheeler小组分别用12C与16O离子作为炮弹研究了碰撞中产生的K-X射线产额。从上世纪六七十年代、八十年代、九十年代，一直到今天，不断有世界各地的许多实验室在用重离子作为研究手段来研究原子内壳过程。

2.2 理论现状

Brandt与Lapicki在1981年提出的ECPSSR理论模型是在CPSSR模型的基础上提出来的，在描述象质子等轻离子引起的离化取得了很大的成功。ECPSSR模型考虑了CPSSR模型没有考虑的离子在碰撞过程的能量损失(Energy loss)。C表示由于靶核的库仑场(Coulomb)的存在使得入射离子方向的偏移与速率的改变，PSS表示入射离子的微扰(Perturb)对靶原子的定态(Stationary states)轨道引起的效应，R表示相对论效应(Relativistic effects)。Benka等人进一步延伸了ECPSSR-UA模型。

3、现状分析

3.1 数据缺乏

目前，在重离子与固体薄靶碰撞的实验中，国际上各大实验室主要是在小于10MeV能区通过测量碰撞中诱发的X射线来研究原子的内壳层过程(多重电离、激发、电荷转移及相关的效应等)。在较高能区，重离子与原子碰撞的实验数据比较缺乏,表3.1。

3.2 没有合适的理论模型

与轻离子入射不同，由于重离子带有很强的库仑场（如U91+1s态的库仑场强比氢原子库仑场强高6个量级，为2×1016V/cm），高电荷态重离子与靶原子的一次碰撞往往激发靶原子同时发射数个电子，即引起靶原子的多重电离。重离子-原子碰撞过程比质子等轻离子入射的情况复杂得多，发射的X射线谱存在许多复杂的“伴线”结构，给实验分析和理论解释带来困难，目前已有的实验数据很少。此外，对于重离子入射，Z1～Z2，（Z1和Z2分别为入射离子和靶原子的核电荷数），基于一级波恩近似的微扰理论不再适用，理论处理的难度很大，目前还没有一种行之有效的理论模型。在理论研究方面，存在一些理论模型早一些的理论模型主要描述电离过程，如有第一级波恩近似（FBA）、平面波波恩近似理论（PWBA）和半经典近似理论（SCA）。目前比较成熟的理论模型是ECPSSR理论，该理论考虑了碰撞过程中能损效应（E）、入射离子在靶核库仑场作用下的偏转效应（C）、靶原子在入射离子作用下的扰动，即结合能和极化效应（PSS）和靶原子中电子的相对论运动效应(R)。现有的研究表明：ECPSSR理论对于轻离子碰撞引起的内壳层电离截面的描述比较成功，而对于重离子入射，L支壳层电离截面的实验测量值和理论预测值存在较大的分歧。对L支壳层电离截面的系统测量将为进一步的理论研究提供有用数据。

4、结语

在高能区高电荷态离子与固体靶相互作用X射线产生截面数据缺乏，目前还没有一种行之有效的理论模型。

参考文献

[1]Werner Brandt, Grzegorz Lapicki. Energy-loss effect in inner-shell coulomb ionization by heavy charged particles. Phys. Rev. A,1981,23(4):1717~1729;

[2]R.Mehta, N.K.Puri, Ajay Kumar et al. L x-ray production in 57La, Ce, Nd and Sm by 35-60MeV carbon and oxygen ions. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B,2005,241:63~68

[3]G. Giordano and J. P. Briand in: Accelerator-Based Atomic Physics Technique and Applications, American Institute of Physics,349(1997).

[4]T. Kirchner et al., Physica Scripta. T80,416(1999).

*湖南省教育厅一般项目（编号：11C1083）资助的课题。