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离子源基本知识系列讲座—2.离子的产生

我们知道,当原子中的电子从外界获得能量时,可以从低能级跃迁到高能级,这种原子称为受激原子。当这种能量大到一定数值时,原子中的外层电子就可逃脱原子核的束缚,变成自由电子。我们称这种情况的原子被电离成自由电子和正离子。原子被电离的方法有很多,可以通过电子与原子的碰撞(将电子的动能部分地转移给原子,使其激发,物理机制是量子力学的内容);原子和原子的碰撞;光子对原子的作用;电子或离子作用在固体表面;固体电极表面电场非常强时,也会由表面释放出电子,产生电离。不管是ECR源还是RF源还是潘宁源采用的都是电子和原子碰撞使其电离的方法。使电子逃脱原子核束缚,成为自由电子所需要的最低能量,称为电离能。

当电子和一个原子“碰撞”时,它的电场将和原子内电子的场相互作用,并不像我们想象的那样直接会碰在一起,而是通过场的作用进行能量转换,这些就需要较为复杂的量子力学来解释了,经典力学是无法解释的。(我们说经典力学研究的是宏观物体的机械运动规律)带电粒子之间的能量转换也有一定的几率问题,并不是电子能量超过了靶核的电离能就一定能够使其电离的。这种几率可以用电离截面来表示。统计表明,基本上随着电子能量的上升,电离截面先是增加,后又下降。当电子的能量很大时,电离截面反而减小,这便是带电粒子的量子效应在作怪。