We present cross section experimental data required for modeling beam production, attenuation and energy loss in the heavy-ion beam probe technique, namely, electron-loss cross sections for anionic gold projectiles and Ar and N2 targets in the energy range from 30 keV to 1 MeV. The results agree well with low-energy measured values from the literature for the Ar target. The present results are also compared with literature results for the H− projectile and the Ar target, displaying similar velocity dependences. This similarity led to the use of a simple semi-classical model to calculate the projectile-electron-loss cross sections in a wide energy range. This model employs the total scattering cross sections for free electrons and the momentum distribution of the Au− electrons. The present experimental results are in good agreement with this model, allowing a reliable estimate of the cross section values up to 100 MeV. Our results indicate that previously calculated cross sections are overestimated by at least a factor of two. This previous overestimation of electron-loss cross sections leads to significant errors in the modeling of charge-state fractions of gold beams, with consequences in the optimization of beam energy resolution and intensity for HIBP with megaelectronvolts gold beams.
重イオンビームプローブ法におけるビーム生成、減衰、およびエネルギー損失のモデリングに必要な断面積実験データ、すなわち金アニオン入射粒子とArおよびN2標的との衝突における30 keVから1 MeVのエネルギー範囲での電子損失断面積を提示する。得られた結果は、Ar標的に対する既存の低エネルギー測定値とよく一致する。また、本結果をH⁻入射粒子とAr標的に対する文献値と比較し、同様の速度依存性を示すことを確認した。この類似性に基づき、広いエネルギー範囲における入射粒子の電子損失断面積を計算するための簡易半古典モデルを適用した。このモデルは、自由電子に対する全散乱断面積とAu⁻電子の運動量分布を用いるものである。実験結果はこのモデルと良好な一致を示し、100 MeVまでの断面積値を確実に見積もることが可能となった。本研究の結果は、既存の計算値が少なくとも2倍過大評価されていることを示している。この電子損失断面積の過大評価は、MeV領域の金ビームを用いた重イオンビームプローブにおけるビームエネルギー分解能と強度の最適化に際し、電荷状態分布のモデリングに重大な誤差をもたらす。