發(fā)布時間：2021-05-22所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:理論模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究了16-keVCl-離子穿越不同厚度(7和12m)的Al2O3微孔膜的物理過程，發(fā)現(xiàn)負(fù)離子傳輸中并不存在與正離子傳輸類似的明顯的導(dǎo)向現(xiàn)象。在只考慮散射過程的情況下，模擬出的穿透粒子角分布及電荷態(tài)分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合很好，出射的Cl-離子沿
摘要:理論模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究了16-keVCl-離子穿越不同厚度(7和12µm)的Al2O3微孔膜的物理過程，發(fā)現(xiàn)負(fù)離子傳輸中并不存在與正離子傳輸類似的明顯的導(dǎo)向現(xiàn)象。在只考慮散射過程的情況下，模擬出的穿透粒子角分布及電荷態(tài)分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合很好，出射的Cl-離子沿初束方向分布;Cl0、Cl+離子沿微孔軸向分布。仔細(xì)分析了不同出射粒子的角分布，發(fā)現(xiàn)出射的Cl+在微孔軸向與初束方向之間分布;經(jīng)單次散射出射的Cl0沿微孔軸向分布，而經(jīng)多次散射出射的Cl0向初束方向移動。發(fā)現(xiàn)了Cl-離子穿越不同厚度的具有相同微孔直徑的Al2O3微孔時，較厚的膜出射的Cl+/Cl0比例低。理論分析顯示，這是由散射過程的特性造成的，隨著微孔膜厚度的增加，出射的Cl0中經(jīng)單次碰撞的比例變小，而多次散射出射的比例增加，從而導(dǎo)致Cl+離子轉(zhuǎn)化為Cl0的幾率要遠(yuǎn)大于Cl0轉(zhuǎn)化為Cl+離子的幾率，使得長的微孔出射的粒子中Cl+/Cl0比例低。
關(guān)鍵詞:Cl–離子;絕緣微孔膜;散射過程
1引言
近二十年來，離子束穿越納米微結(jié)構(gòu)的傳輸機(jī)制引起了研究者的廣泛關(guān)注，其中最為引人注目的兩種機(jī)制為導(dǎo)向效應(yīng)[1−10]和成型效應(yīng)[11−15]。導(dǎo)向效應(yīng)，是離子在入射角度大于微孔幾何張角的情況下，穿越絕緣納米微孔，并且出射粒子沿著微孔軸向出射，保持原有能量和電荷態(tài)[16−30]。導(dǎo)向效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，使研究者看到了廉價絕緣微孔膜的另一種使用前景，即替代電磁鐵，對加速器中的離子束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)或聚焦。導(dǎo)向效應(yīng)，是由于入射離子在微孔中沉積電荷，形成一個庫侖勢，導(dǎo)致后續(xù)入射離子被偏轉(zhuǎn)，避免了與表面的近距離碰撞造成的。這種沉積電荷相繼有序形成電荷斑，從而產(chǎn)生一個導(dǎo)向電場[9]。隨后，成型效應(yīng)[11−15]也被偶然地發(fā)現(xiàn)：高電荷態(tài)離子穿越微孔截面為矩形和菱形的微孔膜后，出射束斑分別呈現(xiàn)菱形和矩形。成型效應(yīng)，是由于帶電粒子在穿越絕緣體表面時，極化表面的原子，從而形成鏡像電荷，導(dǎo)致出射束斑形狀可以通過微孔形狀進(jìn)行控制。
導(dǎo)向效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)了入口為毫米量級、出口為納米量級的絕緣體玻璃毛細(xì)管作為離子束傳輸裝置的研究。其中引人注意的是，通過錐形玻璃管將離子束聚焦到微米量級[22]，并在微米級的出口上蒙上薄窗，將離子束引出到真空外部環(huán)境，對宮頸癌細(xì)胞和大腸桿菌細(xì)胞進(jìn)行了輻照實(shí)驗(yàn)[23−24]。高電荷態(tài)離子穿越玻璃管毛細(xì)管與微孔膜的電荷沉積模式類似[16]。玻璃毛細(xì)管可以通過改變其溫度，來調(diào)控導(dǎo)電性質(zhì)，從而對離子的導(dǎo)向效應(yīng)進(jìn)行研究，隨著溫度的提升，玻璃的絕緣性能下降，而使得其導(dǎo)向能力降低[17]，從而為可控的導(dǎo)向效應(yīng)提供了一種手段。最近發(fā)現(xiàn)了一種可以無損測量玻璃管內(nèi)部電勢的裝置，監(jiān)測到在錐形玻璃管內(nèi)沉積的電勢可以達(dá)到幾百伏[18]，這可能存在一種與靜電管式聚焦透鏡具有相似原理的錐形玻璃管，可以對正離子產(chǎn)生聚焦作用[19]。但是基于表面電荷連續(xù)性方程的理論模型，對正離子在圓柱形絕緣毛細(xì)管中產(chǎn)生的沉積電荷的電勢進(jìn)行計算及實(shí)驗(yàn)測量，發(fā)現(xiàn)在玻璃管內(nèi)部，當(dāng)沉積電勢達(dá)到一定的程度時，會出現(xiàn)普遍的阻塞效應(yīng)[20−21]。
目前對于正離子的導(dǎo)向效應(yīng)研究，其機(jī)制是比較清楚的。但是帶負(fù)電荷的粒子與高電荷態(tài)離子有所區(qū)別，在絕緣微孔中的傳輸呈現(xiàn)出不同的性質(zhì)[6−7]。負(fù)電荷粒子中，電子穿越絕緣微孔膜和玻璃毛細(xì)管的實(shí)驗(yàn)首先被報道出來[25−28]，然而，由于電子的質(zhì)量小，易受電磁場影響，并且存在二次電子與穿透電子混淆無法分辨等困難，電子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相應(yīng)明確的傳輸原理一直具有較大的爭議[25−28]。為避免電子實(shí)驗(yàn)中的問題，我們采用負(fù)離子進(jìn)行了穿透實(shí)驗(yàn)。早期研究了18-keVO–離子穿越厚12µm微孔直徑50nm的Al2O3微孔膜，穿透粒子包括正離子、中性粒子和負(fù)離子，其中負(fù)離子沿著初束方向出射，中性離子和正離子沿微孔軸向出射，這與正離子導(dǎo)向效應(yīng)不同，導(dǎo)向效應(yīng)在這種實(shí)驗(yàn)條件下未被觀測到[29]。我們隨后發(fā)展了一個理論，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究了16-keVCl–離子穿越厚7µm微孔直徑50nm的Al2O3微孔膜的穿透角分布和電荷態(tài)分布，分析了負(fù)離子穿越絕緣微孔的詳細(xì)物理過程[31]，在理論上確認(rèn)了負(fù)離子沒有像正離子類似的導(dǎo)向效應(yīng)，整個穿透過程主要是由散射造成的。
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本工作結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)研究16-keVCl–離子穿越厚12µm微孔直徑50nm的Al2O3微孔膜的穿透過程，并在嚴(yán)格相同的實(shí)驗(yàn)條件下研究不同長度的微孔對穿透粒子的影響。通過蒙特卡羅模擬進(jìn)行理論計算，討論在不同長度的微孔中散射過程導(dǎo)致的穿透粒子的角分布和電荷態(tài)分布的差異。
2實(shí)驗(yàn)設(shè)置
本實(shí)驗(yàn)在蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院進(jìn)行，負(fù)離子由銫濺射離子源提供，經(jīng)過兩對四極狹縫準(zhǔn)直后，得到尺寸為3mm×3mm束流強(qiáng)度幾十pA的16-keVCl–離子。Al2O3微孔膜安裝在真空靶室中心。定義束流垂直方向與Al2O3微孔膜之間的夾角為微孔膜傾角y。穿透粒子經(jīng)過一對平行板靜電分析器后，由一維微通道板探測器(1D-MCP)進(jìn)行探測。定義探測角j為出射粒子與初束之間的夾角。實(shí)驗(yàn)裝置簡圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)期間靶室真空優(yōu)于4.2×10–5Pa。實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)見之前的工作[29−32]。
3理論模擬
我們在Geant4(GeometryandTracking4)框架[33]下，構(gòu)建了探究負(fù)離子穿越Al2O3微孔膜的理論模型[31]。其中主要構(gòu)建并編寫了以下物理過程的程序：鏡像電荷作用、沉積電荷作用、散射過程和電荷交換過程，具體細(xì)節(jié)見我們之前的工作[31]。我們在計算中設(shè)置：單次粒子穿越單個微孔過程完成后，在微孔膜的軸向發(fā)散度內(nèi)進(jìn)行一次隨機(jī)擺動，來精確重現(xiàn)微孔膜中孔的軸向發(fā)散情況。
4結(jié)果及討論
16-keVCl–離子在0.6°下穿越厚12µm的Al2O3微孔膜的穿透粒子實(shí)驗(yàn)角分布如圖3(a)所示。這里穿透粒子強(qiáng)度最大點(diǎn)0°與初束方向相同，如圖所示，其角分布向微孔傾斜方向展寬。穿透粒子角分布的成分組成可以從穿透粒子的電荷態(tài)分布[圖3(d)]中看出。電荷態(tài)分布通過在靜電分析器的兩個平行板上施加±500V靜電壓獲得。在靜電場的影響下，Cl–離子向負(fù)角度方向移動，Cl0保持原有位置不變，而Cl+離子向正角度方向移動。通過電荷態(tài)分布，可以分析出穿透的Cl-離子分布的峰值點(diǎn)在00左右，Cl0、Cl+分布的峰值點(diǎn)與微孔膜傾角一致。
在模擬計算中，參數(shù)設(shè)置與實(shí)驗(yàn)測得的初束狀態(tài)一致。根據(jù)之前的工作[31],在沉積電荷量大于等于–100e/capillary的情況下，穿透粒子角分布及電荷態(tài)分布會達(dá)到平衡狀態(tài)。因此，本次工作，在無沉積電荷與沉積電荷為–100e/capillary的兩種情況下，進(jìn)行了16-keVCl–離子穿越厚12µm微孔直徑50nm的Al2O3微孔膜的模擬計算。發(fā)現(xiàn)在無沉積電荷的情況下，計算出的穿透粒子角分布[圖3(b)]和電荷態(tài)分布[圖3(e)]與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好。而在沉積電荷為–100e/capillary的情況下，計算的穿透粒子角分布峰值處于微孔軸向方向，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致[見圖3(a)和圖3(c)]，且穿透粒子的電荷態(tài)分布[圖3(f)]中Cl0、Cl+峰所占比例明顯低于實(shí)驗(yàn)結(jié)果[圖3(d)]。我們做了進(jìn)一步計算，在無沉積電荷的情況下，設(shè)置0.2°和0.4°的傾角，并保持其它計算參數(shù)不變，計算穿透粒子角分布和電荷態(tài)分布，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好，與我們之前的工作[41]一致。隨著微孔膜傾角的增大，出射的Cl–離子所占比例減小，沿著初束方向出射;出射的Cl0和Cl+離子所占比例增大，沿著微孔軸向出射。這說明16-keVCl–離子穿越我們實(shí)驗(yàn)中使用的兩個厚度(7和12µm)的Al2O3微孔膜，主要物理過程為散射過程。在后面的模擬計算中我們只考慮散射過程。
圖4(a)與圖4(c)分別為16-keVCl–離子在0.6°下穿越厚7µm的Al2O3微孔膜的穿透粒子角分布和電荷態(tài)分布[31]。可以看出其穿透角分布的峰值點(diǎn)仍在0°附近。與厚12µm的Al2O3微孔膜的穿透結(jié)果[圖3(a)、3(d)]相比，在相同能量下，Cl–離子穿越7µm厚微孔膜出射的Cl–所占比例高，而出射的Cl0、Cl+所占比例低。為了對比研究微孔膜厚度對出射粒子的影響，我們模擬計算了16-keVCl–離子在微孔傾角0.6°下，穿越厚7µm微孔直徑50nm的Al2O3微孔膜后，出射的穿透粒子角分布[圖4(b)]和電荷態(tài)分布(圖4(d)]，與實(shí)驗(yàn)的穿透粒子角分布[圖4(a)]和電荷態(tài)分布[圖4(c)]符合得很好。
我們將16-keVCl–離子分別穿越厚為7和12µm的Al2O3微孔膜的實(shí)驗(yàn)與計算中Cl0角分布的峰位置與傾角的關(guān)系表示在圖5中。可以看出Cl0峰的峰位基本上跟隨微孔膜傾角移動。我們在相同角度下對不同膜厚的穿透結(jié)果進(jìn)行了計算模擬，計算結(jié)果同樣表示在圖5中，后續(xù)會對此進(jìn)行詳細(xì)討論。
穿透粒子的Cl+/Cl0比例與傾角的關(guān)系如圖6所示。可以看出，在微孔膜傾角小于其幾何穿透角的情況下，出射的Cl+/Cl0比例并未呈現(xiàn)處明顯的下降趨勢。Cl+/Cl0比例在16-keVCl–穿越厚12µmAl2O3的微孔膜的Cl+/Cl0比例在相同角度下要小于在厚7µm的微孔膜的中的穿透結(jié)果。且16-keVCl–離子穿越厚12µmAl2O3的微孔膜的Cl+/Cl0比例隨微孔膜傾角的變化要慢于在厚7µm的微孔膜的中的穿透結(jié)果。
從模擬計算出的16-keVCl–離子在微孔傾角為0.6°時穿越厚12µm的Al2O3微孔膜，不同電荷態(tài)的二維角分布[圖7(a)]及其對應(yīng)的投影角分布[圖7(b)]，我們發(fā)現(xiàn)出射的Cl–離子穿透強(qiáng)度遠(yuǎn)大于Cl0、Cl+，并且以0°為中心出射，向傾角方向展寬;出射的Cl0以微孔軸向?yàn)橹行某錾洌⑾?°展寬;而出射的Cl+離子出射角度在0°與微孔膜傾角之間，并且呈現(xiàn)較為規(guī)則的高斯分布。將各電荷態(tài)角分布混合得到的出射粒子角分布中，Cl–離子峰占據(jù)主峰位置，Cl0、Cl+峰主要表現(xiàn)在了向傾角方向展寬部分。我們進(jìn)而在傾角0.6°下，分析了不同經(jīng)碰撞次數(shù)出射的Cl0的二維角分布[圖8(a)]及對應(yīng)的投影角分布[圖8(b)]。發(fā)現(xiàn)經(jīng)單次近距離碰撞出射的Cl0占出射Cl0的主要部分，其出射峰位在微孔軸向，向0°展寬較大;經(jīng)兩次近距離碰撞出射的Cl0峰位向0°方向移動，仍向0°方向展寬;而經(jīng)三次近距離碰撞的Cl0峰位繼續(xù)向0°方向移動，基本呈現(xiàn)較為規(guī)則的高斯分布。這就解釋了圖5中出射的Cl0峰位隨傾角的移動。——論文作者：劉中林1,哈帥1,張文銘1,謝一鳴1,李鵬飛1,靳博1,張琦1,2,馬越3,路迪4,萬城亮1,崔瑩1,周鵬1,張紅強(qiáng)1,†,陳熙萌1,†
