中低能负离子在玻璃锥形管中传输机制及强聚焦微束的研究

The investigation of negative ions transmission through tapered glass tubes is still lacking, and the scenario and mechanism of this process is unknown. For the potential applications of low to intermediate enegry negative ions, we will study the transmission of negative ions through tapered glass tubes and try to form the strong focused micro-sized beams fo negative ions. The charge and position distributions as well as the time evolutions of the transmitted particles through the tubes will be recorded by 2D-MCP detector. With the numerical calculations, we try to understand well of the charge deposition, exchange and loss, also the charge enhanced surface scatterings for negative ions in tube. After this, we will to produce the strongly focused micro-sized negative ion beam with very high quality tubes. This work will be much helpful for the understanding of the transmission of negative ions through tapered tubes, also for the further appliacations for micro-sized beams.

目前，国际上利用玻璃锥形管形成负离子微束的研究尚未开展，对负离子在锥形管中输运机制并不了解，对负离子微束的特性没有认识。基于中低能负离子微束在不同领域的应用前景，以及目前尚属空白的研究现状，本研究小组拟进行中低能负离子在玻璃锥形管中输运机制的理论和实验研究，同时致力于强聚焦负离子微束的形成。利用二维位置灵敏探测器测量中低能区不同种类负离子经过微米量级玻璃锥形管后，出射粒子电荷态、位置分布，以及随时间演化的信息；同时结合已基本建立的理论程序计算，深入理解中低能负离子在玻璃锥形管中电荷带形成、负离子电荷交换和电子损失、表面电荷增强的散射等基本物理过程，理解负离子在锥形管中的输运机制，澄清物理图像。在此基础上，加工同轴度很好的优质锥形管，利用管内规则的电荷带以及规则的表面散射进一步增强聚焦性能，实现强聚焦的负离子微束，为进一步应用提供有价值的指导。

中低能区离子微束在物理、化学、材料等领域都有重要的应用价值，尤其是负离子微束，可应用于激光冷却、材料改性、微尺度 PIXE 分析、细胞辐照等方面。本项目从实验和理论上，通过改变负离子的种类、能量、束流强度、入射角以及锥形管的形状、温度等，对中低能负离子在锥孔中输运的动力学演化过程进行分析。利用负离子束与锥形管相互作用，在国际上首次得到聚焦负离子束。通过改变负离子入射角、锥形管的形状及温度，发现负离子的传输伴随多种力的竞争，沉积的电荷导致出射束流密度增强，沉积电荷和表面原子散射的协同过程也有部分贡献。同时，构建了探究负离子穿越绝缘孔的理论模型，发现对于pA量级的负离子束，其在纳米微孔中输运主要由散射造成，对实验结果进行了很好的解释。探究了中低能区质子在锥形管中的动态输运过程，发现电荷斑辅助的表面集体散射效应配合标准锥形管有利于形成强的中能微束。为了进一步探索离子束与锥形管内表面作用机理，开展了负离子与表面散射电荷交换的理论研究，理论结果可以很好地再现整个速度范围内的实验负离子产额。相关结果发表在Phys. Rev. A 、The Journal of Physical Chemistry C、The European Physical Journal D、Nuclear Instrument and Methods in Physics Research B等期刊上。