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由于体积小,运行成本低,电子束离子阱(EBIT)为高电荷态离子的研究提供了粒子加速器无法比拟的优势。高电荷态离子的双电子复合过程在共振能量下有很大的反应截面,因此是天体物理和热等离子体中非常重要的原子过程。EBIT同时可作为离子源和光子源,并且提供高能且几乎单色的电子束,因此它是研究高电荷态离子双电子复合过程的完美工具,并且为分解研究热等离子体提供了条件。
本工作的主要目标是研究一种实验手段能够用于EBIT上对电子-离子碰撞过程的电子能量进行精密的测量,并用这种手段对高电荷态氙离子的KLL双电子复合的共振能量进行精密的研究。为此我们设计并建造了高精密,高稳定的高压分压仪来测量加速电源的电压,并组建了与之匹配的可视化数据获取系统。这里采用高精密,低温度系数和电压系数的厚膜电阻来组装分压仪,利用恒温箱测量温度系数并挑选电阻,同时利用温度控制系统来使温度浮动减小到0.025℃,从而减小了温度浮动带来的分压比不确定度。另外我们利用61/2位的高精密的数字万用表测量了电阻值随着电压的变化,即电阻的电压系数,然后从理论上分析了电阻的电压系数的产生机理,通过对测量数据进行拟合得到电压系数的修正曲线。最后我们对分压仪的的分压比,延迟效应等参数进行了测试,得出分压仪的分压比精度好于百万分之一,远超过目前工业上常用的分压器千分之一量级的精度。分压仪输出信号和光子探测器的输出信号通过数据获取系统来记录,储存为光子计数随着电子能量和光子能量分布的矩阵。整个数据获取系统用VisualC++可视化编程,集成了数据采集,实时显示,简单的数据分析等功能。
除了加速电压外,EBIT中电子束的能量受到空间电荷效应,离子云对电子束的中和效应,以及漂移管在加上不同电压时产生的几何效应的影响。为了定量了解这些效应的影响,我们在不同电子束流下对高电荷态氙离子的KLL双电子复合的加速电压进行测量,外推出在零束流下的发生共振的加速电压,结合数学与物理的方法,从而分离出了电子束的空间电荷效应和离子云的中和效应。对于漂移管产生的几何效应,这里利用专业的Simion程序进行了计算,并结合离子云在漂移管中的分布得到几何效应的大小。考虑了以上因素以后,并对实验的各个环节产生的测量值偏移和误差来源进行了分析,得到了高电荷态氙离子发生KLL双电子复合的精确共振能量,精度达到世界同等水平。最后将测量结果与FAC程序包的基于对论组态相互作用(RCI)理论、相对论多体微扰(RMBPT)理论计算的结果,以及从参考文献[1]中查到的基于多组态Dirac-Fock(MCDF)理论计算的进行了比较分析。