Ионы разгоняют на ускорителях линейных, а также циклических, синхротронного типа. В каждой из таких машин ускорение имеет резонансный характер: эффективно и с малыми потерями ускоряются ионы с конкретным отношением заряда к массе. Если у иона это отношение, в процессе ускорения, скачком изменяется, например, из-за изменения числа ионизации, то такой ион вылетает из ускоряющей фазы на линейном ускорителе или покидает пучок в синхротроне – т.е. для дальнейшего ускорения он теряется.
Теперь рассмотрим следующий вопрос. Пусть из источника ионов в резонансный ускоритель инжектированы, скажем, ионы аргона Ar 4+ - у которых отсутствуют по 4 внешних электрона (из 18 у нейтрального атома). Если дело дойдёт до кинематического освобождения электронов, то дальнейшая судьба ионов на ускорителе будет различаться в зависимости от того, какие электроны освобождаются при меньших скоростях – внешние или внутренние. Если в первую очередь освобождаются внешние электроны, то при достижении критической скорости для пятого электрона, критические скорости для четырёх более слабо связанных электронов были бы достигнуты ещё раньше. Поэтому кинематически освобождённый пятый электрон гарантированно не удержался бы в ионе, и отношение заряда к массе у иона изменилось бы – с гарантированным срывом дальнейшего ускорения. Если же в первую очередь освобождаются внутренние электроны, то при освобождении, в нашем случае, восемнадцатого электрона – возможны варианты. Этот электрон тоже может покинуть ион – со срывом его дальнейшего ускорения. Но логично допустить, что более вероятен другой сценарий: восемнадцатый электрон займёт свободное место четвёртого. В результате такой перекомпоновки, отношение заряда к массе у иона, практически, не изменится, и ускорение этого иона может быть продолжено.
Казалось бы, такие перекомпоновки, не срывающие ускорение иона, могли бы происходить до полного заполнения внешних электронных вакансий. Но следует иметь в виду, что энергии связи двух самых внутренних электронов отделены от энергий связи ближайших электронов широкой энергетической щелью – см. Рис.1. После потери самого
Рис.1.
внутреннего электрона, следующую критическую скорость (5) обеспечат энергии связи не второго и третьего изнутри электронов, а – третьего и четвёртого. Аналогично, следует учитывать и остальные энергетические щели, которые разделяют наборы энергий связей электронов в заполненных электронных оболочках. Формально можно говорить о двух скоростях, задающих коридор предельно достижимых скоростей при резонансном ускорении конкретного иона, число ионизации которого означает число изначально отсутствующих внешних электронов. Нижняя из этих скоростей определяется скоростью кинематического освобождения самого внутреннего электрона (см. предыдущий параграф), а верхняя – скоростью очередного кинематического освобождения при условии, что после перекомпоновок, все внешние электронные вакансии оказались заняты. Результирующие расчётные коридоры предельно достижимых скоростей представлены на Рис.2.
Рис.2. Квадратами обозначены экспериментальные значения (см. ниже).
Как можно видеть, при уменьшении атомного номера систематически увеличивается не только нижняя скорость из расчётного коридора предельно достижимых скоростей, но и верхняя. Таким образом, наш подход легко даёт качественное объяснение вышеупомянутого парадокса – насчёт систематического снижения «эффективности ускорения», на одной и той же машине, более тяжёлых ионов.
Но подтверждается ли наша модель количественно?