空心原子是指內(nèi)殼缺失多個(gè)電子，而外殼仍全部或者部分填充電子的特殊原子。這類(lèi)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的多激發(fā)態(tài)原子的產(chǎn)生機(jī)制、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及退激屬性不僅是研究量子電動(dòng)力學(xué)和理解量子多體相互作用的有效載體，同時(shí)在內(nèi)殼電離X射線(xiàn)激光、高能量密度物理及分子成像等領(lǐng)域也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

近期，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所原子物理中心科研團(tuán)隊(duì)與合作者在重空心原子實(shí)驗(yàn)研究方面取得新進(jìn)展，證實(shí)了全裸重離子-原子碰撞是高產(chǎn)額制備重空心原子的有效途徑，并自主研發(fā)了用于內(nèi)殼多空穴離子X射線(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)測(cè)量的高分辨平面晶體譜儀。相關(guān)成果發(fā)表在《物理評(píng)論A》(PHYSICAL REVIEW A)和《光譜化學(xué)B：原子譜學(xué)》(Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy)上。

針對(duì)高效制備重空心原子并對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)性研究的難題，科研團(tuán)隊(duì)在蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)(HIRFL-CSR)及其氣體內(nèi)靶裝置上開(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，利用能量95-197 MeV/u的全裸氙離子與氙靶碰撞，測(cè)量了反應(yīng)后靶原子的X射線(xiàn)譜。研究發(fā)現(xiàn)，得益于全裸氙離子所攜帶的強(qiáng)庫(kù)侖場(chǎng)及對(duì)稱(chēng)碰撞中內(nèi)殼電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，空心氙原子的相對(duì)產(chǎn)額相比K殼單空穴氙原子最高可達(dá)28.6%。該研究表明全裸重離子-原子碰撞是高產(chǎn)額制備重空心原子的有效途徑。

圖1: 空心氙原子輻射退激發(fā)射的Kα伴線(xiàn)、超伴線(xiàn)譜

為進(jìn)一步研究這類(lèi)空心原子的產(chǎn)生與退激特性，科研人員自主研發(fā)了用于多空穴離子X射線(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)測(cè)量的緊湊型寬帶高分辨平面晶體譜儀。該譜儀采用了針對(duì)多空穴離子X射線(xiàn)譜特點(diǎn)的獨(dú)特幾何構(gòu)型，通過(guò)靶平動(dòng)伴隨晶體同步轉(zhuǎn)動(dòng)，大幅提升了譜儀調(diào)節(jié)精準(zhǔn)度和便捷性。此外，該譜儀在緊湊的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了0.53-19.3 keV的動(dòng)態(tài)范圍及0.04-6.58 keV的單次曝光帶寬，全動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的能譜分辨力好于10²，采用馬賽克晶體時(shí)的探測(cè)效率較傳統(tǒng)平面晶體譜儀提高了20倍以上。

圖2: 譜儀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（左）及典型測(cè)試結(jié)果（右）

以上成果為在蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)、低能量強(qiáng)流高電荷態(tài)重離子研究裝置（LEAF）和強(qiáng)流重離子加速器裝置（HIAF）上開(kāi)展多空穴原子（離子）的奇異電磁躍遷實(shí)驗(yàn)研究奠定了實(shí)驗(yàn)和技術(shù)基礎(chǔ)。

上述研究由近代物理研究所邵曹杰副研究員團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)完成，宋張勇副研究員和王偉副研究員分別為論文的第一作者。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

論文鏈接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.111.032807

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0584854725001417