空心原子是指內殼缺失多個電子，而外殼仍全部或者部分填充電子的特殊原子。這類遠離平衡態的多激發態原子的產生機制、內部結構及退激屬性，不僅是研究量子電動力學和理解量子多體相互作用的有效載體，在內殼電離X射線激光、高能量密度物理及分子成像等領域也具有重要的應用價值。
近期，中國科學院近代物理研究所科研團隊與合作者在重空心原子實驗研究方面取得進展，證實了全裸重離子-原子碰撞是高產額制備重空心原子的有效途徑，并自主研發了用于內殼多空穴離子X射線精細結構測量的高分辨平面晶體譜儀。相關研究成果發表在《物理評論A》（Physical Review A）和《光譜化學B：原子譜學》（Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy）上。
針對高效制備重空心原子并對其進行系統性研究的難題，科研團隊在蘭州重離子加速器冷卻儲存環及其氣體內靶裝置上開展了相關實驗，利用能量95-197 MeV/u的全裸氙離子與氙靶碰撞，測量了反應后靶原子的X射線譜。研究發現，得益于全裸氙離子所攜帶的強庫侖場及對稱碰撞中內殼電子轉移過程，相比K殼單空穴氙原子，空心氙原子的相對產額最高可達28.6%。該研究表明全裸重離子-原子碰撞是高產額制備重空心原子的有效途徑。
為進一步研究這類空心原子的產生與退激特性，科研人員自主研發了用于多空穴離子X射線精細結構測量的緊湊型寬帶高分辨平面晶體譜儀。該譜儀采用針對多空穴離子X射線譜特點的獨特幾何構型，通過靶平動伴隨晶體同步轉動，大幅提升了譜儀調節精準度和便捷性。此外，該譜儀在緊湊的空間內實現了0.53-19.3 keV的動態范圍及0.04-6.58 keV的單次曝光帶寬，全動態范圍內的能譜分辨力好于102，采用馬賽克晶體時的探測效率較傳統平面晶體譜儀提高了20倍以上。
上述研究成果為在蘭州重離子加速器冷卻儲存環、低能量強流高電荷態重離子研究裝置和強流重離子加速器裝置上開展多空穴原子（離子）的奇異電磁躍遷實驗研究，奠定了實驗和技術基礎。
研究工作得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金的支持。
空心氙原子輻射退激發射的Kα伴線、超伴線譜
譜儀的結構簡圖（左）及典型測試結果（右）
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