目标为边界等离子体中分子过程研究的动量谱仪建设及低能电子与碳氢分子的碰撞过程研究

【摘要】宇宙中的可见物质主要是以等离子体的形态存在,对于等离子体的研究不仅可以为宇宙的探索研究提供手段,也可以为高新科技的快速发展提供必要支持。等离子体研究的另一个重要动力来源于人类对清洁能源的迫切需求。托卡马克装置(Tokamak)是最有希望实现可控核聚变的装置之一,而边界等离子体与壁的相互作用(PWI)直接决定了托卡马克装置的运行安全性和使用寿命。电子与CxHy分子碰撞电离解离过程是托克马克中边界等离子体与壁相互作用的基本物理过程之一,相关过程的研究迫切需要大量完整和详细的实验数据。本工作通过对反冲离子动量谱仪(RIMS)的建设与优化以及低能电子束注入系统的建设,建立了低能电子与分子碰撞实验研究平台,并且开展了低能电子与碳氢分子的碰撞过程研究。具体内容包括有：一.对基于冷靶的反冲离子动量谱仪(COLTRIMS)进行了优化,并且完成了系统测试。包括飞行时间谱仪系统,探测器系统和数据获取系统,以及超声气体束注入系统等各主要部分均运行良好。基于MCP和延迟线阳极的位置灵敏探测器的位置分辨好于100μm,达到国际同类标准；超声气体注入系统可以为碰撞平台提供据有优良准直性的超声气体冷靶,气体束直径约2mm,数密度在1012/Cm3的量级。二.通过超快脉冲电源与电子枪栅极耦合的方法,建立了超快脉冲电子束注入系统,可以产生1ns的低能脉冲电子束。脉冲重复频率为20kHz时,束流强度达到约100pA。使用方形线圈产生磁场补偿屏蔽地磁场的方法,有效降低了环境杂散磁场,碰撞中心的剩余杂散磁场小于20mGs,电子束的品质得到大幅度提升。目前,注入系统可以提供能量为20eV的超低能脉冲电子束,几乎满足所有碳氢化合物分子的电子碰撞实验研究。三.以COLTRIMS为实验探测手段,结合运用Gaussian程序进行理论计算,对CH4,C2H6和C2H4等碳氢分子的低能电子碰撞电离解离过程开展了研究。通过Gaussian程序计算碳氢分子体系(CH4,C2H6和C2H4)的静态能量,获得了各分子相应解离通道所需的解离能,能够为相关碰撞过程的实验分析提供有力支持。实验中,测量了低能电子碰撞作用下各产物离子的反冲动能,能量分辨达到约10meV的量级,高于同类测量精度。本工作测得了各反冲离子的动能分布曲线,给出了各离子的平均动能变化趋势以及不同解离过程中的释放动能(KER)。在估算KER的过程中,修正了来自气体靶的贡献,获得了更为准确的结果。基于以上精确的实验结果对解离过程中各反应通道进行了详细分析。此外,对乙烯分子的电子碰撞作用下,C2H4++离子的库伦爆炸过程,开展了探索性实验研究。
【作者】陈卓；
【导师】邹亚明；
【作者基本信息】复旦大学，原子与分子物理，2013，博士
【关键词】RIMS；COLTRIMS；低能电子束注入；碳氢分子；高斯程序；电子碰撞；动能释放；库伦爆炸；

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