氘氢混合气体的高频离子源中H2D+与D+2 的比例实测研究

袁学东，朱洲森，缪竟威，师免恭，廖雪花，方才进

（1.四川大学，成都610064；2.四川师范大学，成都610066）

1 引 言

H2D+是一种重要的分子离子，在天体物理和天体化学中具有许多应用.近10年来尤其是近两三年，人们对H2D+又进行了各种观测和研究：2011年，为了对小质量恒星的研究，E.Chapillon等人深入探测研究了原行星盘（Protoplanetary Disks）中的H2D+［1］；2006 年，C.Vastel等 人以H2D+为研究对象，在实验室模拟早期星际形成的演变等［2］；2010 年，Taha Sochi和Jonathan Tennyson 在很宽的能级范围内研究了H2D+的震动转动光谱［3］；2004年，D.Strasser等人对H2D+的DR 实验作了详细的研究，发现HD+2分解时其结构趋于线状几何结构，并且氘处于中心的情形有很大的几率［4］.这些研究对H2D+的物理特性以及在天体进化等领域的作用都更进了一步.

但有一个无法回避的事实是在实验室条件下研究H2D+中，离子源产生H2D+的同时，会不可避免的混入D+2，难以将其从H2D+中分离，从而影响实验结果.我们多年利用库伦爆炸技术研究H+3及其氘化同位素分子离子的结构和性质时候也只集中在三种离子H+3、D+3和HD+2上［5，6，7，8，9］，与其它研究的处理方式类似，对H2D+的实验研究采取回避的方式.但正如前文所述，H2D+恰恰是一种重要的分子离子，被认为是第一代氘化星际分子产物［1，2］.

本文将报道我们专门针对H2D+与超薄固体膜相互作用的实验研究过程中，根据这两种离子在离子源形成的机理出发，采取产物对比与分析的方法，将离子源中两种离子的比例实际测量出来.研究先在相同实验条件下对D+2和相同的超薄碳膜相互作用进行了测量和研究，并参照此结果和其它分析方式将混入H2D+束流中的D+2的影响用合成与分解的方式除去.最终得到他们在实验室条件下形成的相对比例.

2 H2D+与D+2 同位素分子离子的形成机理

在星际云中，一个重要的反应是［5］：

其反映截面a=3×10-10cm3·s-1.由于这个反应在星际条件下是不可逆的，所以H2D+具有较高的丰度，常被用来作为研究对象来探究星际空间的演变和形成等.

实验室条件下，高频离子源纯净的氢气电离会产生大量的H+、H+2和H+3离子，纯净的氘气电离同样会产生大量的D+、D+2和D+3离子，这些离子在高频离子源混合后，会形成包含H2D+在内的一系列同位素分子离子［3］.涉及形成H2D+的主要的反应是：

当然，还存在其它形成H2D+的反应道，但以以上的反应道为主.

以上反应后，它们与电子的复合反应生成中性的分子和中性原子的过程也同时进行：

一般分子离子的复合反应速率为～10-6cm3·s-1［13］，但H+3以及其同位素复合反应在Admas和Smith的VT-FALP实验进行观察中，在95～600K 温度范围，其复合反应进行得非常慢［14］，其上限值仅为～10-11cm3·s-1，大大低于其它分子离子的复合反应速度.在离子源处于振动激发态的H2D+，几乎很少发生与电子的复合分解反应，使得H2D+在离子源中的丰度较高，方便引出稳定的强束流.Kevin G 等在1992年专门研究了通过H2和D2混合形成H+3，HD+2，H2D+，D+3的反应［15］，得到在300K 温度下，其产物比例和理论上的统计产物比例大致相当.

D+2的形成机理相对简单，主要是由D2电离失去电子后形成.自然也有以上反应的逆反应形成.D+2的的丰度相对较高，因为它是其它氘化同位素最主要的中间离子之一，并以它为中心可以形成原子数更大的团簇.

3 H2D+与固体的相互作用以及与D+2 的相对比例实际测量

“快”分子离子在进入固体时，其束缚电子的损失截面比俘获截面大3—4个量级，致使瞬间失去全部电子形成的裸核团在短距库仑力作用下爆炸式分开，由于时间极短，分子离子转动和震动的影响被忽略［5，6，10-12］.这 一 过 程 称 为“库 仑 爆 炸”，是团蔟与固体相互作用一个重要的领域，H+3、D+3和HD+2的化学结构就是由库仑爆炸技术首先确定的［5，6，14-16］.

图1是1.5232 MeV 的H2D+离子束经超薄碳膜后在00方向出射的质子能谱，能量由高分辨静电分析器测量.如图所示，这是典型的库仑爆炸产物能谱.对H2D+中的质子，图中能谱的两个谱峰分别对应在质心系裂开时沿束流方向的朝前与朝后的质子.需要指出的是虽然H2D+的束流中含有D+2，但对于质子能谱不会产生任何影响，图1是纯粹的H2D+的库仑爆炸能谱.

图1 1.5232 MeV 能量入射的H2D+的质子的库仑爆炸能谱Fig.1 The H+energy spectrum of H2D+at energy of 1.5232 MeV during coulomb explosion

结果中，两个峰值间的能量差ΔEHmax=10.23 keV，能量峰的半高宽（FWHM）为2.2KeV.实验中最高计数为9987.质子能谱和氘子的能量峰间距以及谱峰形状一起决定H2D+的结构，将在后节讨论分析.

图2是相同条件下，H2D+的D+的爆炸能谱分布.D+裂开速度较H+为小，造成零度方向以及附近更多的D+进入静电分析器.虽然D+的能谱分辨比H+的能谱分辨差，但所得到的能谱分辨仍足以对两个峰位做清楚地辨别和定位.

这个直接测量的能谱是H2D+和D+2的混合库仑爆炸能谱，ΔEDmax=8.68keV，能量峰的半高宽（FWHM）为2.9 KeV.测量中最高计数为88605.为了获取H2D+的结合能和几何结构，就必须将两部分分离开来.

根据早期同条件下的实验，D+2与固体相互作用后的D+能谱是个简单的库仑爆炸能谱，两个峰值间的能量差ΔEmax=8.15keV，依此得到D+2的核间距为1.32Å.

图2 1.5232 MeV 能量入射的H2D+的氘子的库仑爆炸混合能谱，包含D+2 的氘子能谱Fig.2 The mixed D+energy spectrum of H2D+ with D+2 at energ y of 1.5232 MeV during Coulomb Explosion

由此看出，在H2D+的混合D+能谱中，D+2与固体相互作用后的能谱峰位比混合D+峰位内移（8.68-8.15）／2=0.26keV.这个因素会对H2D+的D+内移产生多大的偏差，就应该获得这两个计数的相对比例.这里先指出，这个偏差相对是比较小的，因为在测量中，每个计数点的测量间距为0.3keV，这个偏差小于一个计数点.但为了准确获得真正的H2D+的D+谱图峰间距，这个偏差需要推算出来.

为了获得测量结果中D+的能谱峰的产物中H2D+的D+数量，我们用相似的微团簇HD+2的爆炸产物碎片做比较.这是由于在整个实验过程中，装置对D+和H+的分辨本领保持不变，而实测和理论都说明，在库仑爆炸中，由于在质心系爆炸产物的各向的均匀分布，加上实验装置对某种离子的分辨本领是固定的，使得在实验测量的张角一定的情况下，对异构分子离子（H2D+，HD+2）测量时，各产物的相对比例总是一定的.具体在H2D+或者HD+2上，就是说，对一种分子离子而言，对应于一定数量的H+，总会探测到固定比例的D+产物.而在结构类似的不同的分子离子中，这个比例相对于分子离子中某种离子的含量也是成正比例的.这就使我们可以通过H2D+库仑爆炸中H+的计数和HD+2爆炸能谱中H+和D+的比例以及H2D+与HD+2中两种产物的含量比例，能比较准确的获取D+的混合能谱中H2D+的D+所占的比例及数量.

在HD+2的库仑爆炸能谱测量中，中心峰的最高计数比CDmax／CHmax=168027／49763=3.38.在H2D+爆炸谱的H+的中心最高计数为9987，考虑到以上的几个因素以及比例，以此推算得到的H2D+的D+的能谱峰的中心计数应为16878.由此看来，在实验所测的混合的D+的能谱中，D+2的贡献要占大多数.这也符合离子源中离子种类分布的实际情况.因为离子源中形成H2D+时，由氢气和氘气混合后电离，然后经过分子反应形成的，如文章的第2节所示.而电离氘气会产生数量较多的D+2离子.这样，根据实际测量的能谱使用高斯拟合先拟合出混合D+能谱，然后根据实际测量的D+2离子的爆炸能谱拟合出D+2爆炸后贡献部分的能谱，参照实测的能谱计数分布以及产物的相对比例，最终采用高斯拟合分解的方法得到的H2D+的D+能谱峰如图3所示.这个能谱相对于直接测量获取的能谱，其峰位偏移了0.29keV，这是移除了D+2的影响得到的.依次H2D+的结果中，D+的能谱的两个峰位的能量差ΔEDmax=9.26keV.D+能量峰的半高宽（FWHM）为2.9keV.

图3 实测H2D+的D+能谱经过高斯拟合去除D+2 的D+能谱后得到的1.5232 MeV 能量入射的H2 D+的氘子的库仑爆炸高斯拟合能谱Fig.3 The measured D+ spectrum of H2 D+ after Gauss fitting to remove the D+ spectrum of D+2 at the energy of 1.5232 MeV during Coulomb Explosion

至此，我们完成了对两种离子相对比例的实际测量：对于相同的探测条件和设备参数，两种离子的对应计数比例如前文所述为：

这意味着，相对于束流中100个H2D+离子，在高频离子源会同时伴随425个D+2离子产生并引出.这一结论和测量分析中所采用的方法对类似研究有一定的借鉴作用.

致 谢 整个实验工作得到了四川大学原子核科学技术研究所静电加速器老师的积极配合与支持，在此表示敬意与感谢.文章的部分计算工作得到研究生方才进同学的协助和验证，一并表示感谢.

［1］ Chapillon E，Parise B，Guilloteau S，et al.Detection of OD in the interstellar medium with the SOFIA observatory［J］.Astronomy and Astrophysics，2011，533：143.

［2］ Vastel C.Tracing the deuteration factory in prestellar cores［J］.Astrophys.J.，2006，645：1198.

［3］ Taha Sochi，Jonathan Tennyson.A computed line list for the H2D+molecular ion［J］.Astronomy &Astrophysics，2010：2345.

［4］ Strasser D，Lammich L，Kreckel H，et al.Threebody kinematical correlation in the dissociative recombination［J］.Phys.Rev.A，2004，69：64702.

［5］ Alvarez I.Negative-Ion formation from dissociation of H+2，H+3and HD+2in H2［J］.Phys.Rev.A，1976，14：602.

［6］ Gemmell D A，Vager Z.Evidence fir an alignment effect in the motion of swift ion clusters through foil［J］.Phys.Rev.Lett.，1975，34：1420.

［7］ Zhu Z S，Miao J W，Liao X H，et al.The Interaction of HD+2，H+3and D+3with solid foils and threebody wake effect［J］.Acta Phys.Sin.，2008，57：6240（In Chinese）［朱洲森，缪竞威，廖雪花，等.HD+2、H+3和D+3与固体相互作用和三体尾流效［J］.物理学报，2008，57：6240］

［8］ Miao J W，Yang B F，Shi M G.Interaction of H+3cluster ions with solid foils［J］.Acta Phys.Sin.，1985，34：1315（in Chinese）［缪竟威，杨百方，师免恭.H+3和固体的相互作用研究 ［J］.物理学报，1985，34：1315］

［9］ Miao J W，Yang B F，Shi M G，et al.Experimental determination of the internuclear separation of Microclusters［J］.Acta Phys.Sin.，2000，49：1058（in Chinese）［缪竟威，杨百方，师免恭，等.微团簇核间距的实验测定［J］.物理学报，2000，49：1058］

［10］ Miao J W，Shi M G，Yang B F.Dissociation of fast H3+and D3+ions traversing thin foils［J］.Nucl.Inst.Meth.B，1986，13：181.

［11］ Zhu Z S，Miao J W，Yang B F，et al.Isotopic effect and wake effect in H2D+coulomb Explosion［J］.J.At.Mol.Phys.，2005，22：361（In Chinese）［朱洲森，缪竞威，杨百方，等.H2D+库伦爆炸中的同位素效应和尾流效应［J］.原子与分子物理学报，2005，22：361］

［12］ Yang B F，Miao J W，Yang C W，et al.Interaction of H+3cluster ions with solid［J］.Acta Phys.Sin.，2002，51：55（in Chinese）［杨百方，缪竟威，杨朝文，等.H+3团簇离子与固体相互作用［J］.物理学报，2002，51：55］

［13］ Miao J W，Wang H，Zhu Z S，et al.Ion Source effect on the bound length of HeH+［J］.Chin.Phys.，2005，14：1803.

［14］ Zhu Z S，Miao J W，Liao X H，et al.Triatomic wake effect and the determination of the molecular structure from the coulomb explosion ［J］.Chin.Phys.B，2009，18：4840.

［15］ Zhu Z S，Miao J W，Liao X H，et al.The calculation of wake effect induced by HD+2traversing thin C foil［J］.J.At.Mol.Phys.，2007，24：699（In Chinese）［朱洲森，缪竞威，廖雪花，等.HD+2通过超薄碳膜的尾流效应计算［J］.原子与分子物理学报，2007，24：699］

［16］ Zhu Z S，Miao J W，Liao X H，et al.The study of wake effect on the heavy-ion fragment from the coulumn explosion of isomerism micro-cluster［J］.J.At.Mol.Phys.，2010，27：859（In Chinese）［朱洲森，缪竞威，廖雪花，等.异构微团簇库仑爆炸中重离子尾流效应消失研究［J］.原子与分子物理学报，2010，27：859］