[论文解读] Charge-state distributions of highly charged lead ions at relativistic collision energies

F. M. Kröger, G. Weber+6 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2021

Atomic and Molecular Physics参考文献 23被引用 3

一句话总结

本研究利用 BREIT 代码，结合理论电子损失与俘获截面，模拟了在 4.2 和 5.9 GeV/u 能量下，相对论性铅离子（从 Pb54+ 到裸 Pb）穿过铝剥离箔时的电荷态演化过程。研究预测了实现 Pb81+ 和 Pb80+ 离子产额最大化的最优箔厚度与材料，这些离子对伽马工厂项目中伽马射线束的生成至关重要。在高能区域，理论预测与有限的实验数据吻合良好。

ABSTRACT

Presented is a study of the charge-state evolution of relativistic lead ions passing through a thin aluminum stripper foil. It was motivated by the Gamma Factory project at CERN, where optical laser pulses will be converted into intense gamma-ray beams with energies up to a few hundred MeV via excitation of atomic transitions in few-electron heavy-ions at highly relativistic velocities. In this study all charge-states starting from Pb$^{54+}$ up to bare ions are considered at kinetic projectile energies of 4.2 and 5.9 GeV/u. To this purpose the BREIT code is employed together with theoretical cross-sections for single-electron loss and capture of the projectile ions. To verify the predicted charge-state evolution, the results are compared to the very few experimental data being available for highly-relativistic lead beams. Reasonable agreement is found, in particular for the yields of Pb$^{80+}$ and Pb$^{81+}$ ions that were recently measured using an aluminum stripper foil located in the transfer beam line between the PS and SPS synchrotron accelerators at CERN. The present study lays the groundwork to optimize the yields of charge states of interest for experiments within the scientific program of the future Gamma Factory project.

研究动机与目标

• 模拟相对论性 Pb54+ 离子在 4.2 和 5.9 GeV/u 能量下穿过薄铝剥离箔时的电荷态演化过程。
• 通过确定实现 Pb81+ 和 Pb80+ 等少电子重离子的最优剥离条件，支持 CERN 的伽马工厂项目。
• 解决在 Pb54+ 离子中完整电子组态处理的高相对论能量区域缺乏适用模拟代码的问题。
• 为在非平衡条件下选择箔材料与厚度以最大化目标电荷态产额，提供理论依据。
• 通过与 CERN TT2 引线实验数据的对比，实现预测结果的基准校验，支持实验优化。

提出的方法

• 采用 BREIT 代码，求解描述离子束电荷态跃迁的平衡速率方程。
• 输入从 Pb54+ 到裸 Pb 所有电荷态的单电子损失与俘获过程的理论截面。
• 在 4.2 和 5.9 GeV/u 的入射能量下，模拟离子束通过不同厚度铝箔的演化过程。
• 使用基于先进原子物理模型（包括相对论效应）推导出的相对论性电子损失与俘获截面。
• 通过 CERN TT2 输运线中测量的 Pb80+ 和 Pb81+ 产额数据，对预测结果进行验证。
• 聚焦于因薄箔限制而产生的非平衡电荷态分布，避免采用平衡态假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 5.9 GeV/u 能量下，实现 Pb81+ 和 Pb80+ 离子产额最大化的最优铝箔厚度与材料是什么？
• RQ2 理论电子损失与俘获截面如何影响相对论性 Pb54+ 离子的非平衡电荷态分布？
• RQ3 BREIT 代码的预测在多大程度上与高电荷态铅离子在相对论能量下的现有实验数据相符？
• RQ4 相对论效应对高电荷态铅离子在箔片剥离过程中电子损失与俘获动力学有何影响？
• RQ5 在重离子的相对论区域，影响电荷态预测精度的关键因素是什么？

主要发现

• 使用用户提供的截面输入的 BREIT 代码，成功模拟了 5.9 GeV/u 下 Pb54+ 离子的电荷态演化，其对 Pb80+ 和 Pb81+ 产额的预测与实验数据一致。
• 在 5.9 GeV/u 下，预测的 Pb80+ 和 Pb80+ 产额与实测值高度一致，验证了理论方法的有效性。
• 本研究识别出可最大化 Pb81+ 和 Pb80+ 离子产额的箔厚度与材料参数，这对伽马工厂项目中伽马射线束的生成至关重要。
• 在这些能量下，电子损失占主导地位，导致高度剥离离子的强烈倾向，但薄箔条件下的非平衡效应仍具有显著影响。
• 在较低误差容限下，理论不确定性预计会更高，但未来来自新型剥离靶站的实验数据将有助于模型优化。
• 该模型为伽马工厂原理验证实验中高能 Pb79+ 生成的束流制备提供了可预测的理论框架。