中低能区高电荷态离子在锥形管中传输机制的理论和实验研究

The micro-beams of low-to-intermediate energy highly charged ions have wide applications. The mechanism of this kind of ions transmitted through the tapered glass tubes is still a question. Based on the physical findings in our previous work of the transmission of ions in insulating nanocapillaries, we will investigate this question form both sides of theory and experiment. We will measure the time evolution of the position, charge state, and energy distributions of the transmitted partilces through the tapered glass tubes for incident ions with E/q=10~300kV. Meanwhile, we will simulate the transmission process and compare the results with the experimental data. Our aim is to find out the transmission mechanism of low-to-intermediate energy ions in tapered glass tubes, and to know the dynamic competitions between the guiding force of deposited charges, the collective scattering force of surface layers’ atoms, and the binary encounter force below the surface.

中低能高电荷态离子微束有广泛的应用前景，目前国际上对其在玻璃锥形管中输运的物理机制尚未有明确认识。基于本小组在中低能离子与微孔膜作用中的物理发现，本项目中我们拟从实验和理论两方面对中低能离子在锥形管中传输进行深入研究。实验上，利用二维位置灵敏探测系统测量E/q=10~300kV的多种离子穿过微纳尺度玻璃锥形管后，出射粒子角度、电荷态、能量等分布随着时间的演化。同时，完善已初步建立的理论计算离子动态输运过程。物理目标是通过精细的实验测量和详细的理论分析，揭示不同能量E、电荷q、及E/q条件下，锥形管内部电荷斑导向力、表面原子层集体散射力、表面以下二体碰撞力三者之间的动态竞争关系。深入理解从低能过渡至中能区时，离子在锥形管中传输机制的转变，及影响该转变的核心物理量。

中低能离子微束在材料、生物、化学等领域具有重要的应用前景。基于项目组在中低能离子与微孔膜相互作用研究的基础上，进行了中低能离子与锥形管作用的实验和理论研究。通过测量中低能离子穿过锥形管后的角度、电荷态、能量等随时间演化的信息，结合理论模拟计算，建立可适用于低、中、高能区离子输运的物理模型。通过分析实验数据和大量的系统性计算，发现中低能区离子在锥形管内输运的主要物理机制为电荷斑辅助的表面集体散射过程，在该能区，锥形管对质子具有较强的聚焦，并且随着离子能量及玻璃锥形管锥角的增加，存在从集体散射过程至表面以下多次散射过程的过渡。通过对不同束流强度条件下的结果进行初步分析得到，非线性充放电过程对中低能区离子的传输影响不大。同时，通过分析大量系统性计算结果，得到低能区离子穿过微米量级锥形管的标度律。该实验测量与理论研究可帮助该领域的研究工作者深入理解该能区离子的输运机制，帮助理解其中的物理过程和图像，对中低能离子微束的应用有较大帮助。