绝缘毛细管微米/亚微米离子束聚焦及导向机制研究

锥型玻璃毛细管聚焦微米/亚微米离子束的实现和高聚物纳米孔对离子束导向作用的发现展示了一种可能的全新离子束操控方法-即不依赖外加电磁场、只提供边条件的离子束自组织方式。这是离子光学的一个新突破。可是对离子束在绝缘毛细管中导向及聚焦机制了解的欠缺使得人们还不能以这种方式实现对离子束随心所欲的操控。本项目将从离子与绝缘体表面相互作用以及离子光学双重视角，着重研究MeV能量的离子束在绝缘毛细管中的行为，包括表面电场的建立、小角散射过程以及离子束在这种环境下的自组织输运过程，提高绝缘毛细管聚焦微米/亚微米离子束的可操控性，探讨开发简单便宜而应用广泛的离子毛细管光学器件的可能性，对这种新的离子操控方法的发展前景作出初步评估。本项目的前景是形成全新的毛细管离子束技术，能按需设计出小巧的毛细管离子光学器件，开拓离子束应用的新领域。这无疑对离子束科学技术的发展有着重要意义，同时也具有很大的潜在应用价值。

本项目以了解MeV轻离子束在锥形毛细玻璃管中的输运行为为科学目标，以离子束微区分析为应用目标，基于北京大学核物理与核技术国家重点实验室的2×1.7 MV串列加速器，建立了玻璃毛细管聚焦的微米离子束实验平台，成功获得了从 m到百m的不同束径的2 MeV单电荷态He离子的聚焦离子束，并通过对出射束流参数的诊断测量，研究了MeV能量的轻离子束在绝缘毛细管中的输运过程，证实了锥形毛细玻璃管对MeV轻离子束有一定导向和聚焦作用，但弱于对低能高电荷态离子束的作用；了解了毛细管几何形状对出射束流参数，特别是能谱的影响，初步研究的结果表明，毛细玻璃管对MeV轻离子束的约束是几何边界约束，毛细管几何形状是调控出射束品质的最重要的参数；据此提出了适合获得单色性好的出射束的毛细管形状及制备要点，提高了实验的可重复性，在这个实验平台上已经获得单色性很好的微米束，可以用来进行微区离子束分析；在对束流特性参数仔细诊断的基础上提出以小角散射和卢瑟福散射混合为主的锥形毛细玻璃管对MeV轻离子束的聚焦和导向机制，为毛细管形状的设计以及微区离子束分析平台的设计提供了物理依据。