基于團簇碰撞實驗的差分真空系統(tǒng)研制以及團簇相互作用機理研究.pdf

1、團簇的結(jié)構(gòu)和物理特性的研究，是原子分子物理專業(yè)重要的研究課題。對微尺度團簇（原子數(shù)從幾個到幾十個）結(jié)構(gòu)和物理特性的研究，不管在理論還是實驗方面都已經(jīng)取得了很多重要的研究成果。但是，對大尺度團簇（原子數(shù)達到幾千到兩萬之間）的結(jié)構(gòu)和物理特性的研究，目前的研究成果則很少。這主要是因為組成大尺度團簇的原子數(shù)量眾多，團簇構(gòu)成的結(jié)構(gòu)復雜，理論上還沒有較為成熟的描述方法;實驗方面，對氣相大尺度團簇的形成已經(jīng)有相關(guān)論文發(fā)表，對大尺度團簇的結(jié)構(gòu)以及物理特

2、性的研究很少有報道。本研究提出了新方法:利用加速到MeV的微團簇做探針，與大尺度團簇相互作用（交叉碰撞），通過對相互作用產(chǎn)物的能譜分析，間接測量大尺度團簇的結(jié)構(gòu)和物理特性。實驗用離子微團簇(H2+)，穿過大尺度團簇靶（Ar團簇），利用靜電分析儀等設備對碰撞產(chǎn)物進行收集和分析（主要分析質(zhì)子的能譜）。團簇相互作用條件，要求在真空度較高的環(huán)境下進行，這樣，實驗要求真空抽氣系統(tǒng)具有較高的抽氣速度，因為團簇靶以噴射產(chǎn)生，會瞬間導致靶室氣壓變化，并

3、且靶室要有穩(wěn)定的高真空。為了滿足團簇相互作用實驗對真空系統(tǒng)的要求，我們設計并研制了一套多級差分真空系統(tǒng)，并對該真空系統(tǒng)進行了測試，測試結(jié)果滿足實驗要求的真空條件，可以用于微團簇與大尺度團簇相互作用實驗。對團簇相互作用機理探究，引入了等離子體模型來描述團簇相互作用，給出了團簇相互作用產(chǎn)物(H+)的能量表達式，利用計算機作為輔助工具，計算了出射產(chǎn)物的能譜，對模擬計算的結(jié)果進行了分析討論。
　　本論文研究內(nèi)容分為三個章節(jié)，第一、第二章是

4、實驗裝置研究背景及研制與試驗結(jié)果，第三章闡述了等離子體模型探究團簇相互作用機理，及對模擬計算的數(shù)值結(jié)果的討論分析。論文結(jié)構(gòu)和相關(guān)內(nèi)容如下:
　　第一章，簡述了基于核技術(shù)應用方向的差分抽氣系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，以及團簇物理的國內(nèi)外研究進展。
　　第二章，首先介紹了差分抽氣系統(tǒng)的研究目的是為了提高真空的穩(wěn)定性，以及利用差分原理實現(xiàn)真空過渡的方法，簡述了差分系統(tǒng)設計一般原則。其次，針對微團簇與大尺度團簇相互作用實驗，對真空的特殊要求，說

5、明了本實驗所用到的三級差分真空系統(tǒng)設計上面的結(jié)構(gòu)特點，介紹了三級差分系統(tǒng)的真空測量儀器以及真空數(shù)值記錄監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點。最后，對差分真空系統(tǒng)進行實際測試的結(jié)果進行了分析討論。分析測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在三級差分系統(tǒng)的真空數(shù)值穩(wěn)定后，靶室的真空可以達到10-4Pa。模擬脈沖噴射過程中，靶室真空數(shù)值會發(fā)生變化，在一次脈沖噴射完成幾秒內(nèi)，靶室的真空數(shù)值可以再次達到穩(wěn)定狀態(tài)，并且整個脈沖噴射過程中，靶室真空數(shù)值變化始終在實驗要求的合理范圍內(nèi)。結(jié)論是，該三

6、級差分系統(tǒng)能夠確保實驗的真空條件，同時保證團簇相互作用實驗的在較短時間內(nèi)可以多次進行，非常適合團簇相互作用實驗對真空的要求。在本章的最后，對差分真空系統(tǒng)末端部分真空數(shù)值異動的原因做了分析，發(fā)現(xiàn)由于羅茨泵極限真空低于分子泵是造成真空異動的可能原因，對三級差分真空系統(tǒng)的改進提出了建議。
　　第三章，介紹了等離子體理論的基本概念以及固體等離子體的描述方法、簡述了庫倫爆炸現(xiàn)象。經(jīng)分析計算，發(fā)現(xiàn)等離子物理中的震蕩模型適合描述離子微團簇穿過大

7、尺度團簇相互作用過程，討論了大尺度團簇中外層電子對離子微團簇的尾流效應。在等離子體模型下，考慮到庫倫爆炸出射粒子的運動特點，經(jīng)分析計算，得出了團簇相互作用出射質(zhì)子能量的數(shù)學表達式。介紹了微團簇與大尺度團簇相互作用的實驗原理，利用建立的團簇相互作用出射質(zhì)子的能量的數(shù)學表達式，借助計算機輔助計算，得出了團簇相互作用后產(chǎn)物的能量的分布情況，通過對出射質(zhì)子能譜的分析，發(fā)現(xiàn)出射質(zhì)子能譜成分裂狀，說明可能存在尾流效應。結(jié)論是，在離子微團簇穿越大尺度