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研究生： 許智淵
Chih-Yuan Hsu
論文名稱： 不同離子在各角度下撞擊冰(水)之光譜分析
指導教授： 李敬萱
C.S. Lee
李雄
Shyong Lee
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
畢業學年度： 93
語文別： 中文
論文頁數： 68
中文關鍵詞： 光譜 、離子束 、冰
外文關鍵詞： spectrum, ice, ion beam
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    • 以加速離子射束碰撞金屬表面的研究前人已做過很多，但在非金屬或絕緣體上的研究較少；本實驗有別於對金屬材料做分析，選擇絕緣的冰體做研究；我們的實驗是觀測離子束撞擊水冰 ( Iced H2O ) 表面時，部分濺射粒子形成激態 ( Excited State ) 後在輻射降激 ( Radiative De-excitation ) 的過程中放出的光子，並對其做分析及探討。
    我們使用各種不同的入射離子 ( H+、H2+、H3+、He+、N+、H2O+、N2+ 及Ar+ ) 在各個不同角度下 ( 0°~75° ) 撞擊水冰的過程中，以光譜儀來觀測水冰表面濺射粒子所產生的光輻射強度，是否隨著這些條件的不同而改變。除了改變入射離子的種類及離子束的入射角外，我們還對入射離子的質量及能量對實驗結果的影響加以討論。

    目錄 摘要……………………………………………………………………………… I 誌謝……………………………………………………………………………… II 目錄……………………………………………………………………………… III 圖目錄…………………………………………………………………………… V 表目錄…………………………………………………………………………… VII 第一章 前言…………………………………………………………………… 1 1.1 簡介…………………………………………………………………… 1 1.2 各章摘要……………………………………………………………… 2 第二章 基本原理……………………………………………………………… 3 2.1離子碰撞固體表面之光輻射現象來源………………………………… 3 2.2 固體表面濺射粒子光輻射現象成因之探討…………………………… 3 2.2-1 濺射粒子的成因……………………………………………………… 3 2.2-2 濺射粒子的產生型式………………………………………………… 5 2.2-3 濺射粒子產生光輻射現象的成因…………………………………… 6 2.3 鍵結力 ( Bonding Force )…………………………………………… 7 2.4 光譜……………………………………………………………………… 8 2.4-1 氫原子光譜…………………………………………………………… 8 2.4-2 氫分子光譜…………………………………………………………… 10 第三章 實驗設備與實驗步驟………………………………………………… 20 3.1 實驗設備………………………………………………………………… 20 3.1-1 離子源系統 ( Ion Source System )……………………………… 21 3.1-2 聚焦系統 ( Focusing System )…………………………………… 21 3.1-3 真空系統 ( Vacuum System )……………………………………… 21 3.1-4 電磁鐵 ( Aanlyzing Electromagnet )…………………………… 22 3.1-5 混氣系統 ( Mixture System )…………………………………… 22 3.1-6 液態氮冷卻系統 ( Cryostat )…………………………………… 22 3.1-7 光源偵測系統 ( Optical Detection System )………………… 22 3.1-8 資料收集處理系統 （ Data Acquistion System ）…………… 23 3.2 實驗步驟………………………………………………………………… 25 3.2-1 準備實驗階段………………………………………………………… 25 3.2-2 正式實驗階段………………………………………………………… 26 第四章 實驗結果與討論……………………………………………………… 45 4.1 實驗結果之光譜圖……………………………………………………… 45 4.2 水冰表面在離子束碰撞過程中所產生的光輻射現象………………… 45 4.2-1 入射離子質量對濺射粒子光輻射強度的影響……………………… 45 4.2-2 入射離子種類對濺射粒子光輻射強度的影響……………………… 47 4.3 離子束入射角度對濺射粒子光輻射強度的影響……………………… 48 4.4 不同波長的氫原子光譜線訊號強弱之比較…………………………… 50 第五章 結論與未來展望……………………………………………………… 65 參考資料…………………………………………………………………………… 67 圖目錄 圖2.1 入射離子束碰撞固體表面所造成的物理現象……………………………… 13 圖2.2 濺射粒子產生過程之示意圖………………………………………………… 14 圖2.3 氫原子能階圖………………………………………………………………… 15 圖2.4 OH分子能階圖………………………………………………………………… 15 圖2.5 氫分子能階圖………………………………………………………………… 16 圖2.6 列舉部分氫分子光譜裡最強的光譜線……………………………………… 16 圖3.1 離子束設備全圖……………………………………………………………… 31 圖3.2 離子源系統 ( Ion Source System ) 外觀……………………………… 32 圖3.3 離子源系統( Ion Source System )內部(a) 2D及(b) 3D示意圖 ………………………………………………………………………………… 33 圖3.4 離子源系統內之熱絲(Filament)…………………………………………… 34 圖3.5 電磁鐵 ( Electromagnet )………………………………………………… 34 圖3.6 實驗所用離子束形成過程圖………………………………………………… 35 圖3.7 混氣系統 (Mixture System ) (a)外觀及(b)系統示意圖 ………………………………………………………………………………… 36 圖3.8 液態氮冷卻系統 ( Cryostat ) (a)外觀及(b)內部系統示意圖 ………………………………………………………………………………… 37 圖3.9 光源偵測系統 ( Optical Detection System ) (a)外觀及(b)系統示意圖…………………………………………………… 38 圖3.10 資料收集處理系統（Data Acquistion System） (a)外觀及(b)系統示意圖…………………………………………………… 39 圖3.11 靶室腔體內部系統示意圖………………………………………………… 40 圖3.12 實驗所使用各種離子所對應分析 電磁鐵的磁場強度(實驗值)………………………………………………… 41 圖3.13 離子束入射角θ及光譜儀位置示意圖……………………………………… 41 圖3.14 H3+ 離子以各電流強度撞擊水冰之結果比較圖………………………… 42 圖4.1 Ar+ 離子以15kV加速電壓撞擊水冰的光譜圖……………………………… 52 圖4.2 加速電壓15kV，以Ar+ , H2O+ , N2+ , N+ , He+ 五種 不同質量的離子撞擊水冰的光譜圖比較…………………………………… 53 圖4.3 以H+、H2+、H3+ 三種離子撞擊水冰的光譜圖比較……………………… 54 圖4.4 加速電壓15kV，Ar+以不同的入射角撞擊水冰的光譜圖比較 ………………………………………………………………………………… 55 圖4.5 加速電壓15kV，H2O+以不同的入射角撞擊水冰 的光譜圖比較………………………………………………………………… 56 圖4.6 加速電壓15kV，He+以不同的入射角撞擊水冰 的光譜圖比較………………………………………………………………… 57 圖4.7 加速電壓15kV，H3+以不同的入射角撞擊水冰的光譜圖比較 ………………………………………………………………………………… 58 圖4.8 加速電壓15kV，H2+以不同的入射角撞擊水冰的光譜圖比較 ………………………………………………………………………………… 59 圖4.9 加速電壓15kV，H+以不同的入射角撞擊水冰的光譜圖比較 ………………………………………………………………………………… 60 圖4.10 加速電壓15kV，Ar+以不同的入射角撞擊水冰在OH分子 及氫原子光譜線的比較圖…………………………………………………… 61 圖4.11 加速電壓15kV，H2O+ 以不同的入射角撞擊水冰 在OH分子及氫原子光譜線的比較圖………………………………………… 62 圖4.12 加速電壓15kV，He+ 以不同的入射角撞擊水冰在OH分子 及氫原子光譜線的比較圖…………………………………………………… 63 圖4.13 加速電壓15kV，以五種不同離子入射角45°撞擊水冰在 氫原子光譜線的比較圖……………………………………………………… 64 表目錄 表2.1 OH分子電子躍遷能階表……………………………………………………… 17 表2.2 氫分子電子躍遷能階表……………………………………………………… 17 表3.1 利用外加電磁鐵來分辨離子的種類………………………………………… 43 表3.2 法拉第杯所量測出各離子束的電流強度…………………………………… 44

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