Equilibrium and non-equilibrium charge-state distributions of 2.0 MeV/u carbon ions passing through carbon foils

炭素薄膜通過後の2.0MeV/uの炭素イオンの平衡状態および非平衡状態の電荷分布

今井 誠*; 左高 正雄*; 松田 誠  ; 岡安 悟  ; 川面 澄*; 高廣 克己*; 小牧 研一郎*; 柴田 裕実*; 西尾 勝久   

Imai, Makoto*; Sataka, Masao*; Matsuda, Makoto; Okayasu, Satoru; Kawatsura, Kiyoshi*; Takahiro, Katsumi*; Komaki, Kenichiro*; Shibata, Hiromi*; Nishio, Katsuhisa

炭素薄膜通過後の2.0MeV/uの炭素イオンについて平衡状態および非平衡状態の両方の電荷分布を実験的に調べた。測定された電荷状態分布は、10g/cmの標的厚さで平衡に達し、これは98g/cmの最大標的厚さまで変化しなかった。平衡電荷分布、平衡平均電荷、および平衡分布の幅と傾きを、ETACHAコードを含むシミュレーション結果だけでなく、既存の半経験式を用いた予測と比較した。C, C, C入射イオンの電荷分布, 平均電荷状態および分布幅は、平衡前の領域で5.7g/cmの標的厚さで準平衡値に合流し、そして同じ速度での硫黄イオンで既に示されているように、CおよびCイオンを含む全ての初期荷電状態についての真の平衡値に到達している。ETACHAと単一電子移動のみを考慮したレート方程式の2種類のシミュレーションを使用することで、測定された電荷状態の変化を定性的に再現した。準平衡な挙動はETACHAコードで再現できるが、初歩的なレート方程式では再現できない。

Both equilibrium and non-equilibrium charge-state distributions were studied experimentally for 2.0 MeV/u carbon ions after passing through carbon foils. Measured charge-state distribution established the equilibrium at a target thickness of 10 g/cm and this remained unchanged until a maximum target thickness of 98 g/cm. The equilibrium charge-state distribution, the equilibrium mean charge-state, and the width and skewness of the equilibrium distribution were compared with predictions using existing semi-empirical formulae as well as simulation results, including the ETACHA code. It was found that charge-state distributions, mean charge states, and distribution widths for C, C, and C incident ions merged into quasi-equilibrium values at a target thickness of 5.7 g/cm in the pre-equilibrium region and evolved simultaneously to the "real equilibrium" values for all of the initial charge states, including C and C ions. Two kinds of simulation, ETACHA and solution of rate equations taking only single electron transfers into account, were used, and both of them reproduced the measured charge evolution qualitatively. The quasi-equilibrium behavior could be reproduced with the ETACHA code, but not with solution of elementary rate equations.