激光触发弱耦合等离子体电离次序光谱分析方法

李鑫,吕蒙*

(1.四川大学物理科学与技术学院,成都 610064;2.高能量密度物理及技术教育部重点实验室,成都 610064)

激光触发弱耦合等离子体电离次序光谱分析方法

李鑫1,2,吕蒙1,2*

(1.四川大学物理科学与技术学院,成都 610064;2.高能量密度物理及技术教育部重点实验室,成都 610064)

激光触发产生弱耦合等离子体在超快时间(10～100 fs)内,产生离子的方式和机制一直是人们很难探知和计算的。利用激光电离原子的最基本特性,寻找出产生离子时所有的电离路径,将电离路径中产生X射线的路径标记出来加以研究,再结合弱耦合等离子体环境中原子或离子能级移动的性质,对比和计算相同路径下相同电离结果中存在的不同电离方式,可区分产生相同产物的不同电离次序。这套方法可通过罗列计算并对应所产生的特征X射线光谱来确定10～100 fs内离子的产生过程以及产生机制,电离路径及电离次序。为激光与物质相互作用在超短时间(10～100 fs)内的物理过程研究提供了一种可探测的技术。

电离次序;激光;光谱分析

1 引言

近年来,高温高密高压等极端条件下的相关物理取得了较大的推进和发展。诸如惯性约束聚变(ICF)、实验室天体物理、材料科学、高精度等离子体诊断、超快X射线相机等一系列以此为基础的物理学科也有了新的发现和突破性进展。相关基础物理研究带动了各个领域,各个方向科研工作的重大进步。强场物理研究已经成为这个领域的焦点。不仅因为其能在超短时间内创造出极端物理条件,还由于其更易于在实验室中实现极端条件的模拟。

然而,近年来对于激光作用的极端物理,物质所产生的未知变化和未知行为成为许多科学工作者关注的问题。各种分析方法与模拟方法层出不穷,用以探测、解释与模拟激光作用后材料行为变化的研究也相继展开。特别是X射线自由电子激光(XFEL)作用下内壳层电子的光电离,空心原子的产生[1],电子声子的相互作用[2]以及对于材料晶体结构的影响等等都成为不同科研工作者所关注的问题。

本文考虑激光触发产生的弱耦合等离子体环境存在大量自由电子[3],通过俄歇电离和退激X射线辐射产生的离子将受到周围自由电子产生势场的影响。这些自由电子产生的势场能够对不同组态原子或离子的能级产生作用,使能级发生移动,特征X射线能谱随之发生偏移。针对这种偏移光谱的分析,可以确定某些情况下,激光触发弱耦合等离子体环境中原子在超短时间内的电离次序。

2 激光触发电离的过程

激光作用在物质上时,原子会发生电离,从外壳层开始,依次向内壳层电离。但是X射线自由电子激光(XFEL)在与物质相互作用时,将优先电离内层电子,内壳层中每有一个电子被电离,就会发生更快的俄歇电离和退激X射线辐射[1]。在一个激光脉冲周期内,一个原子中会发生多次的内壳层电离,俄歇电离和退激X射线辐射。对于一种原子而言,产生一个相同状态的结果所经历的电离过程和次序可以是多种多样的。

以Ne3+的产生为例,对于1s22s22p3的Ne3+,可以有两种次序产生同样的结果。一种是先发生一次内壳层电离从1s22s22p6变为1s12s22p6,再发生一次退激X射线辐射,成为1s22s22p5的同时发出能量为E2p-E1s的X射线,再经过一次内壳层电离变为1s12s22p5,经过俄歇电离成为1s22s22p3,同时放出俄歇电子;另一种产生方式也可以产生Ne3+,Ne(1s22s22p6)在发生内壳层电离之后变为1s12s22p6,先发生一次俄歇电离,放出一个俄歇电子后变成1s22s22p4,再经过第二次内壳层电离1s12s22p4,最后产生退激X射线辐射,变成Ne3+(1s22s22p3),同时放出能量E2p-E1s的X射线。即相同的Ne原子经过1s22s22p6--1s12s22p6--1s22s22p4--1s12s22p4--1s22s22p3放出能量为E2p-E1s的X射线。当光谱中出现这样的X射线时,我们就可以确定所有产生的Ne3+中,存在这两种电离次序,在超短时间内(10-13s),发生了我们所预想的电离过程。除此之外,在第一条路径中,也可以经过更多的电离次数和退激X射线辐射产生Ne3+,但此时会多出二个相同X射线。

通过这种方法,我们可以列出主要的离子产生过程如图1,并从中选出可以通过光谱探测得到的电离次序和路径。大大缩小了寻找电离次序的可能范围。为超短时间内激光作用物质电离的研究提供了一个实验易探测的诊断方法。

Fig.1 All Ionization path when Ne3+

3 激光触发弱耦合等离子体中能级的变化

在弱耦合等离子体中,存在着许多被电离的自由电子(<1027cm-3),受到这些电子的影响,各个原子核所产生的势场会被周围电子所屏蔽,每一个原子或离子周围的能级结构会受到影响。在弱耦合等离子体中,这种能级移动在近年来,已经被很多实验和理论所证明[4-18]。对于不同的原子或离子,不同的组态和能级会有不同的变化,能级的变化可以根据X.Li和F.B.Rosmej用量子数计算弱耦合等离子体中能级移动的解析方法得到[3,19]:

E(γLSJ)=E0(γLSJ)+ΔE

(1)

(2)

(3)

k=4πne(R0)

(4)

(5)

(6)

其中E(γLSJ)为离子能级,E0(γLSJ)为原子能级,ΔE为能级移动,ne为自由电子数密度,Nb为束缚电子数,Te为电子温度,Z为原子序数,kb为玻尔兹曼常数。在利用量子力学对平均半径进行计算可以得到:

(7)

(8)

(9)

利用得到相同结果,不同路径的电离方式产生X射线时所经历的不同的离子组态,可以给出不同的主量子数n,轨道角动量量子数l,束缚电子数Nb以及有效核电荷数Zeff,从而给出不同的能级移动ΔE,不同的ΔE表现在光谱上会有所平移,进而区分出这些得到相同结果的电离路径不同的电离次序。

仍然以Ne3+为例,通过计算,预测出经过不同电离次序后,所产生光谱的差异。对于电离次序为“pApX”的路径来说,产生X射线是由1s12s22p4最外层电子退激跃迁到最内层1s22s22p3后所放出的,那么我们可以计算1s12s22p4状态的离子2p能级的变化ΔE1(2p,Nb1),那么在这种电离次序下产生的光谱λ1=hc/[E2p-ΔE1(2p,Nb1)-E1s];对于次序为“pXpA”的路径来说,X射线是由1s12s22p6最外层电子退激跃迁到最内层变为1s22s22p5产生的,那么我们可以计算1s12s22p6状态的离子2p能级的变化ΔE2(2p,Nb2),那么在这种电离次序下产生离子光谱λ2=hc/[E2p-ΔE2(2p,Nb2)-E1s]。图2为不同电离路径能谱图，我们只需要在实验中得到激光照射后产生弱耦合等离子体过程的X光谱,将λ1与λ2进行比较,就可以分别确定这两种电离次序是否发生。

通过激光触发电离所得到的电离次序结果,可以在产生相同离子的所有电离次序中找出产生X射线前后的离子组态和能级分布。利用能级移动理论,可以计算出不同路径产生的离子所放出的X射线光谱。不同路径导致的X射线光谱会有微小移动(10-1～101eV),根据光谱移动的结果与所计算能级移动的多少,可以确定我们所测光谱的唯一路径及电离次序。

Fig.2 Energy spectrum under different configuration of Ne3+

4 结论

利用对激光触发电离过程的原理分析,通过对产生离子形态过程和电离次序的排列和计算,可以通过光谱来探测和发现产生相同电离产物的不同电离路径。产生相同特征X射线不同路径的离子或原子,在其组态上存在差异,这种差异引起它们能级的移动有所偏差,从而导致了最后光谱中X射线的位置存在的微小差异。

只要针对我们所研究离子进行能级移动的计算,得到光谱在不同路径下的微小差异,就可以唯一确定我们所得到的光谱是由哪种电离次序和电离路径产生的。通过这种方法便可实现激光触发弱耦合等离子体环境中,离子产生的电离路径及电离次序的光谱分析。

值得注意的是,这种分析方法特别适合找出在电离过程中产生X射线的电离路径。对于这些产生X射线的电离过程,此方法能够根据光谱电离信息,给出一个可靠的电离次序。因此,激光触发弱耦合等离子体电离光谱分析特别适合那些光谱上可以得到特征X射线的电离路径,尤其适合高Z原子或离子。

由于这种方法不受原子种类的限制,不单可以对Ne进行分析,还可以对其他任何种类的原子进行分析,但对于分子和成分较为复杂的环境,组态的确定以及量子数的确定会变得比较麻烦。如果进行适量的分析和计算,可以广泛应用于各种较为单纯的物质当中。能够为激光作用下的材料科学,生命科学,物理过程分析提供一个可实现、可探测的分析方法。

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Laser Trigger Weakly Coupled Plasma Ionization Order with Spectroscopy

LI Xin1,2,LV Meng1,2*

(1.CollegeofPhysicalScienceandTechnology,SichuanUniversity,Chengdu,610064,China;2.KeyLaboratoryofhighenergydensityphysicsandtechnologyofMinistryofEducation,Chengdu,610064,China)

Laser trigger weakly coupled plasma in the ultrafast time (10-100 fs),modalities and mechanisms to generate ions has been a very difficult problem to ascertain and calculate.Using laser Ionization atoms basic characteristics,find out all the ionization path producing ions which produce ionizing X-ray at the same time,mark and study them.Combined with the nature of the level shift of atoms or ions in the weakly coupling plasma environment.Compare and calculate the method of different ionization which in the same results under the same path.We can distinguish the different ionization order with the same product.A list is given by the calculation and the corresponding characteristic X-ray spectra generated to determine the production process within 10 ～ 100 fs ions as well as mechanisms,ionization path and method of producing ionizing order.Laser-matter interaction physics study provides a detectable technology in short time (10-100 fs).

ionization order;laser;spectral analysis

2016-05-22; 修改稿日期: 2016-06-20

李鑫(1993-),男,山西人,本科,研究方向：高能量密度物理,E-mail:635815389@qq.com

吕蒙,E-mail:lvmengphys@scu.edu.cn

1004-5929(2016)04-0360-04

N34

A

10.13883/j.issn1004-5929.201604013