基于反冲离子动量谱仪的原子分子动力学过程研究

多粒子体系的动力学问题，即多体问题，一直是物理研究领域的一个基本问题。多体问题的根源在于任何一个包含三个或三个以上的相互作用的粒子，他们的运动方程是无法解析求解的。因而在物理上必须采用各种近似，例如最常采用的微扰理论等。当然这些近似处理是否合理需要实验进行验证。时至今日，尽管量子力学已经取得了巨大的成功，迅速发展起来的量子电动力学以及量子场论对于很多实验结果给出了非常漂亮的理论解释和精确的计算，但是对于多个相互作用的粒子随时间的演化过程依然无法做出精确的解析描述而不得不采用数值方法。近年来，随着全信息带电粒子动量谱仪技术的逐渐完善，实验上已经具备同时测量全部反应产物的三维动量，重构反应过程，为多粒子体系的动力学问题研究提供了新的机遇。

反冲离子动量谱仪是目前研究原子分子碰撞动力学的最佳工具之一。为开展原子分子碰撞过程研究，本课题组成功研制了自主知识产权的全信息反冲离子动量谱仪（见图一）。该谱仪包括超声速气体冷靶系统、飞行时间谱仪（TOF - Time of Flight）、延迟线阳极位置灵敏探测器、快电子学系统及数据获取系统，此外还包括一套低能脉冲电子束系统。

动量谱仪的工作原理见图二，入射粒子（电子、离子及光子等）在碰撞中心与超声气体束垂直碰撞，使靶分子被电离。在碰撞区域加载一个弱的引出电场，反冲离子在电场作用下进入一个无场漂移区，最终飞向位置灵敏探测器。为了减少碰撞区域空间尺寸对飞行时间不确定度的影响，反冲离子的引出电场长度是无场漂移区域长度的二分之一，以满足时间聚焦条件。反冲离子在碰撞过程中获得一定的动量（能量），对于平行于引出电场方向的初始动量，可以通过测量飞行时间来给出（时间的展开对应于动量大小），而对于垂直于电场方向的初始动量，可以通过离子在探测器上的位置信息给出，最终每一个离子的三维动量可以精确测量，由此就可以对反应过程进行重构。

图一：复旦大学的反冲离子动量谱仪

二：动量谱仪工作原理图