空心原子是指内壳缺失多个电子，而外壳仍全部或者部分填充电子的特殊原子。这类远离平衡态的多激发态原子的产生机制、内部结构及退激属性不仅是研究量子电动力学和理解量子多体相互作用的有效载体，同时在内壳电离X射线激光、高能量密度物理及分子成像等领域也具有重要的应用价值。

近期，中国科学院近代物理研究所原子物理中心科研团队与合作者在重空心原子实验研究方面取得新进展，证实了全裸重离子-原子碰撞是高产额制备重空心原子的有效途径，并自主研发了用于内壳多空穴离子X射线精细结构测量的高分辨平面晶体谱仪。相关成果发表在《物理评论A》(PHYSICAL REVIEW A)和《光谱化学B：原子谱学》(Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy)上。

针对高效制备重空心原子并对其进行系统性研究的难题，科研团队在兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)及其气体内靶装置上开展了相关实验，利用能量95-197 MeV/u的全裸氙离子与氙靶碰撞，测量了反应后靶原子的X射线谱。研究发现，得益于全裸氙离子所携带的强库仑场及对称碰撞中内壳电子转移过程，空心氙原子的相对产额相比K壳单空穴氙原子最高可达28.6%。该研究表明全裸重离子-原子碰撞是高产额制备重空心原子的有效途径。

图1: 空心氙原子辐射退激发射的Kα伴线、超伴线谱

为进一步研究这类空心原子的产生与退激特性，科研人员自主研发了用于多空穴离子X射线精细结构测量的紧凑型宽带高分辨平面晶体谱仪。该谱仪采用了针对多空穴离子X射线谱特点的独特几何构型，通过靶平动伴随晶体同步转动，大幅提升了谱仪调节精准度和便捷性。此外，该谱仪在紧凑的空间内实现了0.53-19.3 keV的动态范围及0.04-6.58 keV的单次曝光带宽，全动态范围内的能谱分辨力好于10²，采用马赛克晶体时的探测效率较传统平面晶体谱仪提高了20倍以上。

图2: 谱仪的结构简图（左）及典型测试结果（右）

以上成果为在兰州重离子加速器冷却储存环、低能量强流高电荷态重离子研究装置（LEAF）和强流重离子加速器装置（HIAF）上开展多空穴原子（离子）的奇异电磁跃迁实验研究奠定了实验和技术基础。

上述研究由近代物理研究所邵曹杰副研究员团队主导完成，宋张勇副研究员和王伟副研究员分别为论文的第一作者。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。

论文链接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.111.032807

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0584854725001417