高电荷态离子出射纳米微孔电荷态分布动态演化研究

为了更加深入理解高电荷态离子在纳米微孔输运时，孔内电荷斑动态演化以及不同演化时期表面散射力与导向力之间的竞争关系，我们拟从实验和理论两方面对离子出射电荷态随时间的演化过程进行研究。实验上，在中科院近物所320kVECR平台引出不同束流密度，能量为10q~20q keV 的高电荷态离子(q=3~20)，轰击不同规格PET和AL2O3微孔膜，测量出射离子电荷态演化对不同充电强度、材料电学性能、碰撞几何条件的依赖关系。理论上，基于国际上现有的定态电荷斑理论，将其扩展到伴随电荷沉积的动态模型，并从物理框架上首次加入散射效应及相应的电荷交换过程，更加全面深入的理解导向散射动态竞争造成出射离子电荷态随时间演化的动力学行为。

随着纳米技术的快速发展，纳米微孔在物理、化学、生物和材料科学领域有着广泛的应用。自从N. Stolterfoht发现了低能（keV）高电荷态离子在纳米微孔中的导向传输后，研究离子在微纳米尺度孔中的传输逐渐成为热点。国际上实验小组证实微孔内部形成的电荷斑是导致低能离子导向传输的重要原因。同时，实验上也发现了低能负离子的导向效应以及电子的“表观意义”上的导向效应。另一方面，日本的研究小组发现高能区（MeV）的离子穿过锥形管的主要物理机制是离子在表面以下一系列的随机散射过程。基于中间能区（几十到数百keV能区）离子在材料和生物体表面的能量损失和辐照损伤均比低能和高能离子更强，同时目前国际上还未有对中间能区离子在微孔中传输机制的研究报道，所以本项目从实验和理论两方面对中能区离子在绝缘微孔中的传输机制进行深入系统的研究。.在本项目研究中，我们利用二维微通道板位置灵敏探测器系统测量了能量在10~100keV的质子和He2+离子以不同束流强度（5pA~1nA），不同入射角度（0.5~2.5度）情况下入射Polycarbonate绝缘微孔膜后，出射粒子角度分布、电荷态分布以及穿透率随着时间的演化过程。实验结果明确显示出，对于能量为10~20keV的离子，其在微孔中的传输还是以导向效应为主，随着时间的演化出射粒子会逐渐像微孔方向靠拢，形成导向。对于能量在30~100keV的离子，其传输机制和低能区有根本的不同。具体表现在，随着充电过程的进行，出射粒子逐渐从刚开始的导向方向移动到达到充放电平衡后的入射束流方向，同时粒子穿透率和电荷态纯度均有显著提高。通过理论计算分析表明，中能区离子在微孔中的传输在电荷斑未形成时是以表面以下的随机二体碰撞为主，出射方向不得不顺着微孔方向。随着微孔内部电荷斑的逐渐增强，在电荷斑辅助下，粒子会受到微孔内部表面原子层的强烈的集体散射作用，表现出类似于“镜像反射”的掠射行为；经过2~4次的电荷斑辅助的镜面反射效应，离子最终沿着入射离子方向出射。同时，基于不同束流强度和不同角度的系统实验，发现以上电荷斑辅助的镜面散射效应对于百千电子伏作用的入射离子，只在角度小于2度，束流密度较大时（大于100pA/mm2）才是显著的。该项目的研究结果弥补了目前国际上对于离子在微孔中传输机制物理图像。