高电荷态离子(Highly Charged Ion, HCI)的精密谱学研究是当前原子物理领域的重要研究方向之一。与中性原子以及低电荷态离子相比，随着离子电荷态和核电荷数Z的不断增高，高电荷态离子的核外电子所感受到的原子核库仑场强不断增强，使得离子能级结构中涉及到的相对论效应(~ Z ²)、超精细分裂(~ Z ³)、强场量子电动力学(Quantum Electrodynamics, QED)效应(~ Z ⁴)、原子核尺寸效应(~ Z ⁵)等急剧增大。因此，高电荷态离子辐射跃迁性质的精密测量对于强场QED效应^[1-2]、相对论效应^[3-5]、电子关联效应以及原子核效应等基本物理模型的检验，以及对同位素移动^[6]、高电荷态离子光钟^[7]等诸多前沿物理研究都具有非常重要的意义。近二十年来，国际上对高电荷态离子精密谱学的实验研究主要基于重离子储存环(Heavy-ions Storage Ring)和电子束离子阱(Electron Beam Ion Trap, EBIT)开展的，例如重离子储存环上的电子离子复合精密谱学实验^[8]、高电荷态离子与气体内靶碰撞X射线谱学实验^[9]以及电子束离子阱中的精密X射线谱学实验^[1]等，但是受限于离子束品质以及探测器能量分辨等因素的影响，实验精度和分辨率有待进一步的提高^[10]。近年来随着原子冷却技术以及先进激光技术的蓬勃发展，中性原子和低电荷态离子的精密激光谱学实验研究的精度得到了极大的提高^[11-12]。但是随着离子电荷态的升高，核外电子的束缚能不断增大，高电荷态离子能级间的跃迁波长逐渐减小，诸如类锂类钠等高电荷态离子的绝大部分能级跃迁处于极紫外波段甚至X射线波段^[13]。由于目前在实验室条件下很难直接产生波长极短且功率、线宽等均满足实验需求的激光，因此，很难使用现有激光直接开展高电荷态离子的精密激光谱学实验研究。

重离子加速器冷却储存环为利用现有激光器开展高电荷态离子的精密激光谱学实验研究提供了一种新方法。在重离子储存环中，通过加速离子到极高的能量可以利用相对论多普勒效应使激光与离子能级跃迁发生共振，再通过精确测量离子束能量和激光波长，即可实现高电荷态离子能级跃迁波长的精密测量。在重离子储存环上的精密激光谱学实验中，对离子的退激荧光进行收集测量是判断离子与激光共振相互作用的常用方法。由于储存环中相对论能量离子的退激荧光在实验室坐标系下呈前向发射式的分布结构，使得常规荧光探测器的探测效率较低。为了对前向发射荧光进行收集，德国GSI(GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH)研制了两种不同类型的非拦截式荧光探测系统：第一种探测系统利用铜反射板结合光电倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)可实现波长超过620 nm的长波长荧光光子的直接反射式收集^[14]；第二种探测系统利用外加电场可将极紫外波段(10~200 nm)荧光光子轰击镀有碘化铯(CsI)的收集板所产生的低能二次电子收集进入微通道板(Microchannel Plate, MCP)^[15]。利用这两种荧光探测系统，Ullmann等^[2]和Winzen等^[16]在ESR(Experimental Storage Ring)储存环上已成功开展了Bi^{80+, 82+}、C³⁺等多个离子种类的精密激光谱学实验，测量精度可达10⁻⁶量级。为了在兰州重离子加速器冷却储存环的实验环CSRe(experimental Cooler Storage Ring)上开展类锂¹⁶O⁵⁺离子2s_1/2→2p_1/2 和2s_1/2→2p_3/2光学跃迁精密测量的激光谱学实验研究，我们研制了一套新型非拦截式极紫外光子探测系统。该探测系统能够在不影响环内离子束正常运转的情况下实现极紫外波段(50~200 nm)前向发射光子的高效收集测量，其探测效率较CSRe上现有的光子通道倍增管(Channeltron photomultiplier, CPM)荧光探测器提升约50倍，并兼容储存环中高温烘烤环境和超高真空实验环境，完全满足实验需求。

本文主要讨论了冷却储存环CSRe上相对论能量¹⁶O⁵⁺离子退激荧光的前向发射分布特性，并且详细介绍了用于CSRe上¹⁶O⁵⁺离子精密激光谱学实验研究的极紫外光子探测系统的结构设计、探测效率的模拟以及离线测试等内容。

在重离子储存环上高电荷态离子的精密激光谱学实验中，可通过提高离子束的能量(速度)从而利用相对论多普勒效应使离子的能级跃迁与激光发生共振，此时，激光波长、离子能级跃迁波长和离子能量之间满足：

式中$ {\lambda _{{\text{laser}}}} $为激光波长，${\lambda _{{\text{trans}}}}$为离子能级跃迁波长，$\beta = {{{v_{{\text{ion}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{v_{{\text{ion}}}}} c}} \right. } c}$为离子速度${v_{{\text{ion}}}}$与光速c的比值，$\gamma = {1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {\sqrt {1 - {\beta ^2}} }}} \right. } {\sqrt {1 - {\beta ^2}} }}$为相对论因子，$\varphi $为实验室坐标系下离子运动方向与激光传播方向之间的夹角。在储存环CSRe上拟开展的类锂¹⁶O⁵⁺离子的精密激光谱学实验装置如图1所示，主要实验参数见表1。实验中¹⁶O⁵⁺离子由兰州重离子加速器前端的ECR离子源直接产生，经扇聚焦回旋加速器SFC加速至4 MeV/u后注入主环CSRm，¹⁶O⁵⁺离子束经CSRm累积并加速至275.7 MeV/u后注入实验环CSRe开展实验。CSRe周长128.8 m，离子束在CSRe中的回旋频率约为1.48 MHz，回旋周期约为675.67 ns。类锂¹⁶O⁵⁺离子用于精密激光谱学测量的目标能级为2s_1/2→2p_1/2和2s_1/2→2p_3/2，跃迁波长分别为103.76 nm和103.19 nm，根据相对论多普勒效应即式(1)可得该离子能够与其运动方向相反的波长为220 nm的激光发生共振，从而使其处于基态2s_1/2的电子激发至激发态2p_1/2和2p_3/2。由于激发态2p_1/2和2p_3/2的寿命仅有2.44 ns和2.40 ns，处于激发态的电子会快速退激至基态，并同时向外辐射退激光子。实验中可以通过在扫描离子束能量或扫描激光波长的同时，测量离子退激荧光的强弱来判断离子与激光的共振相互作用，从而实现离子能级的精密测量。

图  1  (在线彩图)储存环CSRe上类锂¹⁶O⁵⁺离子精密激光谱学实验装置

重离子储存环中高电荷态离子的精密激光谱学实验依赖于高速运动离子对激光光子的共振吸收以及退激光子的自发辐射过程，退激光子的出射方向在离子坐标系下呈各向同性，但在实验室坐标系下，由于相对论效应的影响，退激光子的出射方向和波长均会发生变化。相对论能量离子的退激光子出射方向在离子坐标系和实验室坐标系下的关系为

式中$\theta '$和$\theta $分别为离子坐标系和实验室坐标下退激光子的出射方向与离子运动方向的夹角。

在离子坐标系下，离子向其运动方向的$\theta '$角度辐射退激光子的概率为

而转换至实验室坐标系时，离子向其运动方向的$\theta $角度辐射退激光子的概率为

图2(a)为能量为275.7 MeV/u的¹⁶O⁵⁺离子分别在离子坐标系和实验室坐标系下向不同角度辐射退激光子的概率对比，可以发现，实验室坐标系下大部分的退激光子会在与离子运动方向的小角度范围内出射。

图  2  (在线彩图)不同坐标系下能量为275.7 MeV/u的 ¹⁶O⁵⁺离子的退激荧光辐射特性

在离子坐标系下，退激光子的波长与出射角度无关，均等于离子能级间的跃迁波长。而在实验室坐标系下，退激光子的波长会随出射角度的不同而发生明显的变化^[17]：

式中${\lambda _{{\text{photon}}}}$为实验室坐标系下退激光子的波长。图2(b)为¹⁶O⁵⁺离子在不同坐标系下的退激光子波长随出射角度的变化关系，实验室坐标系下前向发射退激光子的波长远小于离子能级间的跃迁波长，即前向发射光子的能量远大于静止时的跃迁能量。图2(c)和(d)分别为能量为275.7 MeV/u的¹⁶O⁵⁺离子在不同坐标系下的退激荧光分布对比，相比于离子坐标系下退激荧光的各向同性分布，实验室坐标系下的退激荧光会呈明显的前向发射式分布结构。随着储存环中离子束能量的提高，退激荧光的前向发射式分布以及前向发射光子的波长会被进一步集中和压缩。

为了对相对论能量重离子的极紫外退激荧光进行有效收集测量，我们于2014年在储存环CSRe的激光冷却直线段安装了与束流垂直的CPM荧光探测器，其波长响应范围为50~200 nm，探测器的结构和安装位置如图1中的内嵌图所示。由于实验条件下相对论能量¹⁶O⁵⁺离子退激荧光的前向发射式分布，使得在之前的激光冷却测试实验中均未能收集到有效的荧光^[18]。为了能够在储存环CSRe上开展类锂¹⁶O⁵⁺离子的精密激光谱学实验，需要重新研制一套适用于对前向发射光子进行高效收集测量的新型极紫外光子探测系统^[17]。

为了在储存环CSRe上开展类锂¹⁶O⁵⁺离子2s_1/2→2p_1/2和2s_1/2→2p_3/2光学跃迁能量测量的精密激光谱学实验研究，新型光子探测系统需要满足以下要求：

(1)考虑相对论能量¹⁶O⁵⁺离子退激荧光的前向发射式分布特性，要求新型光子探测系统能够实现50~100 nm波段前向发射光子的高效收集；

(2)具有单光子响应，以提高系统整体的探测效率；

(3)耐受长时间200~250 ℃ 高温烘烤；

(4)兼容储存环CSRe的10⁻⁹~10⁻¹⁰ Pa超高真空环境；

(5)为了在实验测量时不影响环内储存高能离子束的正常运转，要求新型光子探测系统为非拦截式。

综合以上要求，参考国内外光子探测器相关设计经验^{[14-15, 19-21]}，新型极紫外光子探测系统设计为非拦截式测量，其结构设计和实物图如图3(a)和(b)所示：带有狭缝的离轴抛物面型反射式荧光收集板能够保证对前向发射荧光的高效收集的同时不影响储存环内高能离子束的正常运转；镀有CsI的MCP能够实现对反射收集荧光的单光子测量；反射式收集板和MCP由尾部高速步进电机驱动，可在离子束冷却至束斑较小时，将其快速推入束流管道中心以对离子退激荧光进行收集测量。

图  3  (在线彩图)新型非拦截式极紫外光子探测系统

离轴抛物面型反射式荧光收集板结构设计如图3(c)所示，其在设计中需要考虑的主要参数有：中心开口宽度、抛物面焦距以及材质等。收集板中心开口宽度取决于储存环CSRe内冷却束流的横向尺寸，通过优化储存环上各磁铁的参数以及电子冷却参数等，可将CSRe内的束斑直径压缩至小于10 mm，具体尺寸取决于离子束的流强等。为了避免未优化完全的冷却离子束流以及轨道异常偏移的离子束流轰击反射收集板，将其开口宽度设置为35 mm。由于储存环CSRe束流管道尺寸(直径为300 mm)以及安装法兰孔径(直径为150 mm)的限制，将收集板的直径[即图3(c)的水平投影直径]限制为130 mm、焦距设置为60 mm，即束流管道中心与MCP探测器的垂直距离为120 mm。抛物面型荧光收集板的几何结构设计如图4所示，其能够反射聚焦大量前向发射光子进入MCP探测器，从而极大地提高了新型极紫外光子探测系统的探测效率。

图  4  (在线彩图)离轴抛物面型反射式荧光收集板几何结构设计示意图

类锂¹⁶O⁵⁺离子的精密激光谱学实验要求光子探测器的反射式收集板在50~100 nm的极紫外波段具有较高的反射率。由于处于50~100 nm波段的光子的能量为12.40~24.80 eV，该能量的光子在与物质发生相互作用时极易发生光电离效应，因此，常规反射材料对该波段光子的反射率极低。目前，国际上常采用镀金属膜或复合膜等反射薄膜并采用掠入射的方法实现该波段光子的反射^[22-23]。但是考虑到储存环CSRe中¹⁶O⁵⁺离子退激荧光的前向发射式分布结构，本实验中无法采用镀膜和掠入射的方法对前向发射光子进行反射收集。此外，根据储存环CSRe安装环境特点，要求收集板能够耐受长时间250 ℃高温烘烤并兼容10⁻⁹~10⁻¹⁰ Pa的超高真空环境。通过调研发现碳化硅(Silicon Carbide, SiC)材料在50~100 nm波段的反射率远高于其他材料，且具有较大的比刚度、良好的热传导性、极小的形变系数、极高的熔点以及极低的放气率等诸多特点而成为航空航天等空间极紫外光学探测器中常用的反射材料^[24-25]。为此，我们联合中国科学院上海硅酸盐研究所先进碳化物陶瓷材料课题组研制了如图3(b)所示的SiC抛物面型反射板，其由常压烧结碳化硅镜坯经光学加工制成。经过光学检测，SiC反射板的入射面表面粗糙度约为2.565 nm，面型精度约为9.629 μm。近代物理研究所真空技术室采用双通道方法^[26]检测SiC反射板的高温放气率约为1.85×10⁻¹¹ Pa·L/s·cm²，该放气率优于储存环CSRe对所安装探测器的要求(~ 5×10⁻¹¹ Pa·L/s·cm²)。理论模型证实SiC反射板在50~100 nm波段的反射率约为25% ~ 50%，能够满足实验要求。

新型极紫外光子探测系统选用MCP对经反射聚焦收集的荧光光子进行探测计数。MCP是可将微弱光信号转换为高强度电信号的真空电子器件，其由大量的微通道管二维排列而成，可对入射粒子轰击微通道内壁产生的二次电子实现万倍之上的电子倍增，被广泛用于电子、光子、离子、中子等各种粒子的高效探测以及高分辨率成像等^[27]。为了提高MCP对极紫外光子的探测效率，采用镀有CsI涂层的MCP对波长为50~200 nm的极紫外光子进行探测：经反射聚焦的极紫外光子经MCP入射面的CsI涂层转换为光电子后，再由MCP进行倍增测量，该方法可以在将MCP对于极紫外波段光子的探测效率提高5到10倍的同时扩展MCP的波长响应范围。新型极紫外光子探测系统选装由PHOTONIS公司生产的MCP探测器对经反射收集的光子进行探测计数，其主要由两片MCP堆叠而成，并在入射面增镀了厚度为300 nm的CsI涂层，从而极大地提高了探测器的信噪比并获得了更高的增益，在2 400 V时的电子增益可达1$ \times $10⁷。此外，该APD探测器最高可耐受300 ℃高温，满足实验设计要求。

综合上述设计方案，我们加工了新型非拦截式极紫外光子探测系统，其组装实物图如图3(b)所示。该极紫外光子探测系统与CPM荧光探测器对相对论能量¹⁶O⁵⁺离子束的前向发射极紫外退激荧光进行收集探测的原理对比示意图如图5所示，与离子束呈九十度安装的CPM荧光探测器仅能探测到极少部分直接入射的前向发射荧光，而新型极紫外光子探测系统使用抛物面型反射板可以反射聚焦大部分的前向发射荧光进入MCP探测器，从而极大地提高了对前向发射荧光的探测效率。

图  5  (在线彩图)(a)CPM荧光探测器与(b)新型极紫外光子探测系统对前向发射极紫外荧光探测的原理示意图

基于相对论能量¹⁶O⁵⁺离子退激荧光的前向发射分布特性，对两种探测器的荧光探测效率进行了模拟。在模拟中，将长度为26 m的激光作用直线段进行微分，由几何关系计算作用直线段上每一微元发射的光子可被探测器收集的立体角范围，并由式(4)计算对应立体角的光子辐射概率。最后统计可被探测器收集的所有立体角的光子辐射总概率，即可获得探测器对前向发射光子的探测效率，即在实验室坐标系下¹⁶O⁵⁺离子束在作用直线段上每辐射一个退激光子时，荧光探测器可探测到的光子数目。经过模拟，CPM荧光探测器对前向发射荧光的探测效率约为4.51×10⁻⁵；在新型极紫外光子探测器的模拟中，假设SiC收集板的反射效率为50%，并考虑前向发射荧光直接入射MCP的可能性，当收集板中心无开口时，新型极紫外光子探测系统的探测效率约为3.82×10⁻³；而当收集板中心有35 mm开口时，新型极紫外光子探测系统的探测效率约为2.33×10⁻³，其较CPM荧光探测器提高了约50倍，表2为两种光子探测器的主要性能对比。

在实验室条件下，利用真空腔室对新型极紫外光子探测系统的真空兼容性、远程操控、光子响应以及电子学响应等进行了离线测试，测试环境如图6(a)所示，其主要由新型极紫外光子探测系统、真空腔室、266 nm激光器、示波器以及高压电源等部分组成。新型极紫外光子探测系统连接真空腔室整体在测试前进行了5 h 250 °C的高温烘烤，整个系统的真空度可达3.4×10⁻⁵ Pa。通过远程控制系统可操控探测器尾部的高速步进电机推动MCP探测器以及反射板以最高10 mm/s的直线速度前进或者后退。由于离线测试条件的限制，并未对该系统对50~200 nm波段的性能进行测试，取而代之，利用波长为266 nm的激光对该探测系统的光子响应和电子学响应进行了初步测试。离线测试中266 nm激光由光学窗口进入真空腔后经真空腔室内壁漫反射进入MCP探测器，虽然MCP探测器对266 nm波长光子的探测效率很低，但由于入射光子数目极高，MCP探测器仍可探测到部分光子。新型极紫外光子探测系统利用MCP探测器实现对反射收集光子的计数测量，图6(b)~(d)为加载不同幅度高压时MCP探测器的输出信号波形谱，随着加载电压的升高，MCP探测器的输出信号幅度快速增大，MCP加载电压为−2 200 V时的输出信号幅度较−1 800 V时增加了约54倍。图中波形谱尾部波动主要由采集电路的充放电过程所引起，后续可对电路进行优化和通过设置合适的甄别器阈值来有效减小电子学背景信号对实验测量的影响。在正式实验测量中，可将MCP探测器的加载电压设置为−2 200 V，从而保证在MCP探测器安全工作的前提下获得最高的增益。

图  6  (在线彩图)新型极紫外光子探测系统离线测试

经过离线测试，该新型极紫外光子探测系统的远程操控和电子学响应工作正常，并由中国科学院近代物理研究所真空技术室检测该探测系统兼容储存环CSRe的超高真空环境后，已于2020年夏季检修期间安装至储存环CSRe激光作用直线段(安装位置如图1所示)。该新型极紫外光子探测系统将会在储存环CSRe上即将开展的类锂¹⁶O⁵⁺离子的精密激光谱学实验中进行在线测试和实验测量。

为了在兰州重离子加速器冷却储存环的实验环CSRe上开展相对论能量类锂¹⁶O⁵⁺离子2s_1/2→2p_1/2和2s_1/2→2p_3/2光学跃迁精密测量的激光谱学实验研究，针对实验室坐标系下¹⁶O⁵⁺离子退激荧光的前向发射分布特性，研制了一套适用于前向发射光子高效收集测量的新型非拦截式极紫外光子探测系统，其主要由抛物面型SiC反射镜、镀有CsI的MCP探测器以及高速步进电机等部分组成。其中SiC反射镜中心的35 mm开口能够在不影响储存环内高能离子束正常运转的情况下实现极紫外波段(50~100 nm)前向发射光子的高效反射式收集；镀有CsI的MCP探测器可以实现对50~200 nm波段光子的高效率测量，其探测效率较常规MCP探测器提高了5到10倍；探测系统尾部的高速步进电机可以在离子束冷却后以10 mm/s的速度将探测系统快速推入束流管道中心对退激荧光进行探测。该探测系统具有非拦截式测量、耐受长时间250 ℃高温烘烤、兼容10⁻⁹~10⁻¹⁰ Pa超高真空环境、极紫外波段光子测量等优点。通过微元法模拟，该探测系统对前向发射极紫外光子的探测效率较CSRe上现有的CPM荧光探测器提升约50倍，单光子探测几率达到2.33×10⁻³。经过离线测试，该探测系统满足储存环CSRe上高电荷态离子的精密激光谱学实验要求，并且将会在即将开展的¹⁶O⁵⁺离子的精密激光谱学实验中进行在线测试和实验测量。该新型极紫外光子探测系统不仅能够为CSRe上高电荷态离子的精密激光谱学实验提供高效的探测手段，亦为将来在大型强流重离子加速器装置HIAF(High Intensity heavy-ion Accelerator Facility)^[28-31]上开展更高能量与更高电荷态重离子的精密激光谱学实验研究奠定了坚实的基础。

致谢 感谢Michael Bussmann, Thomas Walter, Volker Hannen, Danyal Winters等以及激光冷却国际合作组在探测系统设计方面的支持和帮助。感谢原有进研究员关于本文的有益讨论。