白雄飛 牛書(shū)通 周旺 王光義 潘鵬 方興陳熙萌?邵劍雄?

1)(蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,蘭州 730000)2)(蘭州空間技術(shù)物理研究所,真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000)

20 keV質(zhì)子在聚碳酸酯微孔膜中傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)演化過(guò)程?

白雄飛1)牛書(shū)通1)周旺1)王光義2)潘鵬1)方興1)陳熙萌1)?邵劍雄1)?

1)(蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,蘭州 730000)2)(蘭州空間技術(shù)物理研究所,真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000)

(2016年12月12日收到;2017年1月29日收到修改稿)

測(cè)量了20 keV質(zhì)子穿過(guò)傾斜角為+1?的聚碳酸酯微孔膜后,出射粒子的位置分布、相對(duì)穿透率以及電荷純度隨時(shí)間的演化.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),能量電荷比E/q≈101kV的質(zhì)子穿過(guò)絕緣納米微孔的物理機(jī)理與E/q≈100kV和E/q≈102kV區(qū)域離子有顯著不同.對(duì)于E/q≈101kV的質(zhì)子穿過(guò)絕緣納米微孔,存在一段相當(dāng)長(zhǎng)的導(dǎo)向建立之前(導(dǎo)向前)的過(guò)程,在該時(shí)期內(nèi)出射質(zhì)子及氫原子的特性和導(dǎo)向建立后的特性有很大差異.在導(dǎo)向前的演化過(guò)程中,我們可以觀察到出射質(zhì)子的峰位逐漸向孔軸向附近轉(zhuǎn)移;出射氫原子由束流方向的尖峰以及孔軸向的主峰構(gòu)成,峰位角保持基本不變且尖峰逐漸消失.這一過(guò)程的主要機(jī)理為微孔內(nèi)表面以下的多次隨機(jī)二體碰撞和近表面鏡面反射兩種傳輸方式逐步向電荷斑約束下的“導(dǎo)向效應(yīng)”過(guò)渡的過(guò)程.對(duì)E/q≈101kV區(qū)間離子“導(dǎo)向前過(guò)程”的完整觀測(cè),使得對(duì)低能向中能過(guò)渡區(qū)間離子穿過(guò)絕緣微孔膜物理機(jī)制和圖像有更深入和完整的認(rèn)識(shí),有助于約10 keV離子微束的精確控制和應(yīng)用.

微孔膜,電荷斑,導(dǎo)向效應(yīng),導(dǎo)向前

1 引 言

近年來(lái),應(yīng)用很高精度的離子徑跡蝕刻技術(shù)可以制作出納米尺寸到微米尺寸的導(dǎo)電和絕緣微孔膜［1,2].為了對(duì)不同材料納米微孔的內(nèi)部電特性以及微束的操縱進(jìn)行研究,越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)小組［3?6]參與到帶電粒子與微孔膜相互作用的研究當(dāng)中.而后“導(dǎo)向效應(yīng)”［6]的發(fā)現(xiàn),不僅對(duì)絕緣納米微孔電特性研究有理論的啟示,也對(duì)微束的操縱和應(yīng)用［7,8]有指導(dǎo)意義.

通過(guò)對(duì)3 keV Ne7+離子在絕緣納米微孔中輸運(yùn)的研究,Stolterfoht等［6]發(fā)現(xiàn)了“導(dǎo)向效應(yīng)”:入射離子會(huì)保持初始電荷態(tài)并沿著孔軸向出射.此后的研究表明［9?14],在納米微孔內(nèi)壁形成的幾塊自組織電荷斑,阻止入射離子和微孔內(nèi)壁發(fā)生近距離碰撞,并約束離子按照微孔軸向運(yùn)動(dòng).該類(lèi)實(shí)驗(yàn)的E/q約為100kV量級(jí),低能區(qū)高電荷態(tài)離子容易在短時(shí)間內(nèi)沉積大量電荷形成足夠強(qiáng)的電荷斑以抵消入射離子的橫向動(dòng)量,進(jìn)而使離子順孔軸向運(yùn)動(dòng),這就是電荷斑和導(dǎo)向過(guò)程在E/q≈100kV區(qū)域很快建立的原因所在.

周旺等［15]在研究100 keV質(zhì)子在聚碳酸酯(PC)納米微孔中輸運(yùn)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)在充放電平衡后,出射粒子的峰位從孔軸向逐漸轉(zhuǎn)移到束流入射方向.此實(shí)驗(yàn)的E/q約為102kV,比Stolterfoht等［6]的實(shí)驗(yàn)參數(shù)高出兩個(gè)數(shù)量級(jí).周旺等［15]認(rèn)為,實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段,中能區(qū)低電荷態(tài)質(zhì)子可直接進(jìn)入微孔內(nèi)表面以下,受到多次隨機(jī)二體碰撞,丟失電荷態(tài)及軌跡等初始信息,最后不得不順著微孔管道出射,這是“表觀”上的導(dǎo)向過(guò)程.經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間充電后,電荷斑形成,但仍不能抵消中能區(qū)入射質(zhì)子的橫向動(dòng)量,入射粒子仍會(huì)有較大機(jī)會(huì)和微孔內(nèi)壁發(fā)生近距離鏡面反射.這種電荷斑輔助下的臨近表面的鏡面反射最終使粒子沿束流入射方向出射,該機(jī)制正是E/q≈102kV區(qū)域離子在微孔內(nèi)部傳輸有別于E/q≈100kV區(qū)域離子的最根本原因.

在MeV能區(qū),E/q約為103kV的離子在絕緣納米微孔中的輸運(yùn)機(jī)制也得到了深入的研究［16?18].研究結(jié)果表明:由于離子能量很高,電荷斑對(duì)入射離子的作用可忽略,離子直接進(jìn)入微孔內(nèi)表面以下,受到多次隨機(jī)碰撞,最終只能沿著微孔軸向出射.基于二體盧瑟福散射的運(yùn)行軌跡模擬可再現(xiàn)該能區(qū)離子穿過(guò)絕緣納米微孔的徑跡和出射離子能量分布.

在約10 keV能區(qū),E/q約為101kV的離子在絕緣納米微孔中傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)演化過(guò)程還沒(méi)有被充分研究.我們認(rèn)為對(duì)這個(gè)能區(qū)的研究,會(huì)對(duì)E/q≈100kV和E/q≈102kV區(qū)域離子在絕緣微孔中輸運(yùn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提供有力的銜接和補(bǔ)充.考慮到質(zhì)子電荷交換形式簡(jiǎn)單,只有H+和H0,不存在其他干擾.同時(shí),約10 keV能區(qū)的質(zhì)子,速度較快,電荷態(tài)低且僅有一個(gè)電荷,就需要很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)形成足夠強(qiáng)的電荷斑,我們也就會(huì)有足夠時(shí)間來(lái)仔細(xì)觀察導(dǎo)向前(pre-guiding)的整個(gè)演化過(guò)程,對(duì)更深入了解導(dǎo)向建立是有益的.

在本文中,我們測(cè)量了20 keV質(zhì)子穿過(guò)傾斜角為+1?的PC納米微孔后出射粒子的相對(duì)穿透率、電荷純度、出射角(出射粒子與入射束流的夾角)分布以及半高全寬(FHWM)隨時(shí)間的演化.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于E/q≈101kV的質(zhì)子入射,的確存在一段相當(dāng)長(zhǎng)的導(dǎo)向前時(shí)期,在該時(shí)期內(nèi)出射質(zhì)子及氫原子的特性和導(dǎo)向建立即平衡后的特性有很大不同.在導(dǎo)向前演化過(guò)程中,我們可以觀察到出射質(zhì)子的峰位逐漸轉(zhuǎn)移到孔軸向附近;出射氫原子的+0.2?尖峰和+0.9?主峰的峰位角基本不變,而尖峰的相對(duì)份額逐漸減小.

2 實(shí)驗(yàn)方法

圖1 (網(wǎng)刊彩色)整套實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 (a)對(duì)導(dǎo)向方向和束流方向的定義,其中,導(dǎo)向方向標(biāo)為“G”,意為Guiding,束流方向標(biāo)為“B”,意為Beam;(b)20 keV H+以+1?傾斜角入射PC納米微孔后所呈現(xiàn)的最終典型二維譜圖,其中上下束斑分別為出射H+和H0;(c)PC納米微孔膜的SEM圖像Fig.1.(color online)Schematic diagram of the whole experiment:(a)De fi nitions of the guiding direction(G)and the beam direction(B);(b)the fi nal typical two-dimensional spectrum of the transmitted particles with 20 keV incident energy through+1?nanocapillaries in PC membrane.The upper and lower beam spots present the transmitted H+and H0,respectively;(c)SEM image of the PC nanocapillary membrane.

本實(shí)驗(yàn)的束流源來(lái)自中國(guó)科學(xué)院蘭州近代物理研究所320 kV高電荷態(tài)離子物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的14.5 GHz ECR離子源.20 keV,1 nA/mm2的質(zhì)子束經(jīng)過(guò)兩組相距75 mm,尺寸為1.5 mm×1.5 mm的矩形光欄準(zhǔn)直后(角發(fā)散度為0.2?),與固定在高真空靶室中央豎直軸上的PC微孔膜碰撞,其中靶室真空度為10?6Pa.在實(shí)驗(yàn)中,束流與微孔軸的夾角(傾斜角)Φ通過(guò)調(diào)節(jié)精度為0.1?的調(diào)角器,旋轉(zhuǎn)中央豎直軸來(lái)獲得.束流與中央豎直軸的夾角(方位角)通過(guò)微孔膜前端10 cm處的一對(duì)靜電偏轉(zhuǎn)板(前偏轉(zhuǎn)板)來(lái)調(diào)節(jié),使束流以90?的方位角垂直入射微孔膜.膜后端7 cm處的另一對(duì)偏轉(zhuǎn)板(后偏轉(zhuǎn)板)是用來(lái)使出射粒子中的H+和H0在y軸方向上分開(kāi),并且使x軸方向上的位置不變.出射粒子在xy平面上的位置信息被膜后端30 cm處的二維微通道板探測(cè)器記錄.圖1是整套實(shí)驗(yàn)裝置示意圖.圖1(a)定義了束流方向(B)和導(dǎo)向方向(G).圖1(b)所示為最終所得典型圖像,其中上下束斑分別代表出射的H+和H0,可以看出上下束斑相互獨(dú)立,且本底計(jì)數(shù)較低.

本實(shí)驗(yàn)所采用的微孔膜制備過(guò)程如下［19]:首先,利用德國(guó)GSI實(shí)驗(yàn)室11.4 MeV/u的鈾離子對(duì)30μm厚的PC膜進(jìn)行輻照.其次,用5 M(1 M=1 mol/L),50?C的氫氧化鈉溶液對(duì)PC膜進(jìn)行蝕刻,使PC膜中的重離子徑跡形成微孔.微孔的直徑為200 nm,長(zhǎng)度為30μm,對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)徑比為150:1,幾何張角為0.38?.最后,為了防止離子束對(duì)微孔膜表面進(jìn)行宏觀充電,我們?cè)?5?傾斜角方向?qū)ξ⒖啄さ那昂蟊砻驽?0 nm厚的金層.圖1(c)所示為該P(yáng)C微孔膜的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像,從圖中可看出微孔的開(kāi)口為圓形,且孔徑基本一致.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2所示為20 keV質(zhì)子穿過(guò)傾斜角為+1?的PC納米微孔后,出射粒子位置譜在x軸上的投影譜隨測(cè)量時(shí)間的演化過(guò)程(注:由于初始相對(duì)穿透率很小,所以將譜按照最高峰值拉平,視覺(jué)上更容易分辨).從圖2(a)—(d)可以看出:1)在初始階段,出射H+占總出射粒子的相對(duì)份額很小,峰位在+0.75?附近;隨著充電過(guò)程進(jìn)行,出射H+的相對(duì)份額增加,峰位逐漸向+1?靠近,FHWM有明顯增加;充放電平衡后,出射H+的相對(duì)份額達(dá)到最大,且遠(yuǎn)大于出射H0的相對(duì)份額,出射H+的峰位保持在+1.1?附近,FHWM也增加至最大;2)在初始階段,出射H0的角分布呈現(xiàn)出雙峰現(xiàn)象,在+0.2?附近有一個(gè)尖峰,主峰則出現(xiàn)在+0.9?附近;隨著充電進(jìn)行,出射H0的左側(cè)尖峰和主峰的峰位角基本沒(méi)變,而左側(cè)尖峰在逐漸減弱,出射H0的相對(duì)份額也在逐漸減小;充放電平衡后,出射H0的左側(cè)尖峰已消失,主峰保持在+1?附近,且出射H0的相對(duì)份額已遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于出射H+的相對(duì)份額.

為了對(duì)20 keV質(zhì)子在納米微孔中傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)演化過(guò)程做進(jìn)一步的討論,我們?cè)趫D3—圖6中詳細(xì)給出出射粒子的相對(duì)穿透率、電荷純度、峰位角以及FWHM隨時(shí)間演化的特性圖.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)出射粒子位置譜在x軸上的投影譜隨測(cè)量時(shí)間的演化 (a)—(d)分別為200,2600,5800和8200 s時(shí)的投影譜圖;黑色實(shí)線和紅色實(shí)線分別表示出射的H+和H0Fig.2.(color online)The time evolution of the transmitted particles projected in x axis panels.Panels(a)–(d)present the projected spectra of 200,2600,5800 and 8200 s.The black and red solid lines present the transmitted H+and H0,respectively.

圖3所示為出射H+和H0的相對(duì)穿透率以及插圖中電荷純度隨時(shí)間的演化特性.從圖3可以看出:1)0—3000 s,大約對(duì)應(yīng)圖2(a)到圖2(b)的過(guò)程,出射H+和H0的相對(duì)穿透率和電荷純度很小,且變化不大,說(shuō)明這是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的電荷斑預(yù)建立過(guò)程;2)3000—8000 s,大約對(duì)應(yīng)圖2(b)到圖2(d)的過(guò)程,出射H+和H0的相對(duì)穿透率和電荷純度明顯上升,說(shuō)明這段時(shí)間電荷斑逐漸建立對(duì)粒子的相對(duì)穿透率有明顯的增強(qiáng)作用,且阻止入射質(zhì)子與微孔內(nèi)表面進(jìn)行電荷交換,導(dǎo)向過(guò)程逐漸建立;3)8000 s以后,約為圖2(d)以后,出射H+和H0相對(duì)穿透率和電荷純度均增加至最大,且基本不變,說(shuō)明足夠強(qiáng)度的電荷斑已建立,使粒子的相對(duì)穿透率增大至最大,且阻止絕大部分入射質(zhì)子與內(nèi)表面進(jìn)行電荷交換,約束質(zhì)子順孔軸向運(yùn)動(dòng),進(jìn)入了導(dǎo)向過(guò)程.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)20 keV質(zhì)子以+1?傾斜角入射PC納米微孔后出射粒子的相對(duì)穿透率以及插圖中H+占總出射粒子的相對(duì)份額(電荷純度)隨時(shí)間的演化,其中黑色實(shí)心方形和紅色實(shí)心方形分別表示出射的H+和H0Fig.3.(color online)The time evolution of the relative transmission rate and relative proportion of protons(charge purity)of the transmitted particles with 20 keV incident energy and+1?nanocapillaries tilt angle.The black solid square and red solid square present the transmitted H+and H0,respectively.

出射H+峰位角的時(shí)間演化如圖4所示.結(jié)合圖2(a)—(d)可以看出:約3000 s以前,H+的峰位在+0.75?附近;隨著充電過(guò)程進(jìn)行,在3000 s以后逐漸增大;約7000 s后,峰位處于+1.1?附近,說(shuō)明出射質(zhì)子基本沿著微孔軸向出射.

圖5所示為出射H0的雙峰峰位角隨時(shí)間的演化過(guò)程,結(jié)合圖2(a)—(d)可以看出,左側(cè)尖峰和右側(cè)主峰的峰位角基本沒(méi)有變化,尖峰基本在+0.2?附近,且大約8000 s以后消失,而主峰在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,基本保持在微孔軸向附近.

出射粒子FWHM隨時(shí)間的演化如圖6所示,結(jié)合圖2(a)—(d)可以看出:1)約3000 s以前,H+的FHWM約為0.5?,且基本不變;隨著充電的進(jìn)行,在3000 s以后有明顯上升;約8000 s以后,H+的FHWM基本在1.2?左右;2)H0的FHWM在整個(gè)過(guò)程中緩慢上升,這說(shuō)明電荷斑的建立對(duì)H0的出射也有一定的作用.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)20 keV質(zhì)子以+1?傾斜角入射PC納米微孔后出射H+峰位角隨時(shí)間的演化Fig.4.(color online)The time evolution of the centroid angle of the transmitted H+with 20 keV incident energy and+1?nanocapillaries tilt angle.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)20 keV質(zhì)子以+1?傾斜角入射PC納米微孔后出射H0峰位角隨時(shí)間的演化,其中黑色實(shí)心方形表示束流方向尖峰,紅色實(shí)心方形表示導(dǎo)向方向主峰Fig.5.(color online)The time evolution of the centroid angle of the transmitted H0with 20 keV incident energy and+1?nanocapillaries tilt angle.The black solid square presents the small left peak and the red solid square presents the right main peak of the transmitted H0.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)20 keV質(zhì)子以+1?傾斜角入射PC納米微孔后出射粒子FHWM隨時(shí)間的演化,其中黑色實(shí)心方形和紅色實(shí)心方形分別表示出射的H+和H0Fig.6.(color online)The time evolution of the FWHM of the transmitted particles with 20 keV incident energy and+1?nanocapillaries tilt angle.The black solid square and red solid square present the transmitted H+and H0,respectively.

4 討 論

考慮到20 keV質(zhì)子速度比keV離子快很多,且質(zhì)子電荷態(tài)低,僅有一個(gè)電荷,需要很長(zhǎng)時(shí)間來(lái)積累電荷并逐步形成足夠強(qiáng)的電荷斑.所以我們對(duì)20 keV質(zhì)子(E/q約為101kV)在傾斜角為+1?的PC納米微孔中傳輸進(jìn)行了研究,觀察到較長(zhǎng)時(shí)間的導(dǎo)向前過(guò)程.下文中,我們將對(duì)20 keV質(zhì)子在傾斜角為+1?的PC納米微孔中傳輸?shù)闹饕匦宰龆ㄐ缘奈锢矸治?

在測(cè)量初始階段,微孔內(nèi)壁無(wú)電荷沉積,入射粒子容易靠近微孔內(nèi)表面,并有較大機(jī)會(huì)穿入表面以下,只有很少一部分以類(lèi)似于“鏡面反射”的形式從表面以上掠射通過(guò).大部分入射質(zhì)子穿入表面以下,由于低能區(qū)質(zhì)子的電荷俘獲截面遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其電荷損失截面,所以穿入表面以下的質(zhì)子經(jīng)過(guò)若干次表面以下隨機(jī)碰撞,幾乎都會(huì)俘獲電子變?yōu)闅湓?并丟失入射軌跡等初始信息,不得不隨微孔管道出射.只有很少一部分穿入表面以下的質(zhì)子沒(méi)有電荷交換,也經(jīng)過(guò)若干次表面以下隨機(jī)碰撞,最終以質(zhì)子形式靠近孔軸向出射,但其份額很少.由于多次隨機(jī)二體碰撞,角度發(fā)散,孔軸向出射的氫原子和質(zhì)子的FHWM較寬.同時(shí),對(duì)于那些少部分以“鏡面反射”的形式從表面以上掠射通過(guò)的粒子,20 keV所對(duì)應(yīng)的橫向動(dòng)量足以使其接近表面而發(fā)生電荷交換變?yōu)闅湓?這就造成出射氫原子中會(huì)有一小部分經(jīng)過(guò)了兩次“鏡面反射”的過(guò)程從入射束流方向附近,即0?左右出射.由于兩次鏡面反射受微孔的幾何構(gòu)型限制,所以呈現(xiàn)小尖峰.

綜上所述,在初期無(wú)電荷沉積,出射粒子中絕大部分應(yīng)當(dāng)是處于微孔軸向的氫原子,伴隨少量經(jīng)過(guò)兩次近表面鏡面反射在入射方向出射的氫原子;由于進(jìn)入表面以下的入射質(zhì)子較容易發(fā)生電荷交換,所以在孔軸向出射的質(zhì)子極少.這一點(diǎn)與圖2(a)—(b)測(cè)量結(jié)果的主要特征相符.

隨著充電過(guò)程進(jìn)行,微孔內(nèi)表面電荷斑逐漸建立起來(lái),由于電荷斑對(duì)入射質(zhì)子的排斥作用,并傾向于約束入射質(zhì)子順著微孔軸向運(yùn)動(dòng),所以入射粒子進(jìn)入微孔內(nèi)表面以下的概率明顯減小,從而,經(jīng)過(guò)多次表面以下隨機(jī)碰撞而順著微孔軸向出射的氫原子相對(duì)會(huì)減少,而由導(dǎo)向力約束沿孔軸向出射的質(zhì)子相對(duì)份額會(huì)顯著升高.同時(shí),由于導(dǎo)向力的排斥,入射離子接近表面原子層發(fā)生鏡面反射并電荷交換的概率也會(huì)降低,所以,在0?出射的氫原子尖峰也不再明顯.這一點(diǎn)和圖2(c)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致.

最終,當(dāng)電荷斑完全建立并達(dá)到充放電平衡時(shí),可以預(yù)想會(huì)有更多的入射質(zhì)子被導(dǎo)向力約束沿微孔軸向出射,而在表面以下發(fā)生隨機(jī)碰撞并電荷交換的概率會(huì)進(jìn)一步受到抑制,將導(dǎo)致+1?附近出射的氫原子份額相對(duì)變得更少,且0?附近尖峰也將不再存在,而絕大多數(shù)出射的粒子都是導(dǎo)向方向的質(zhì)子,以上特性在圖2(d)中可以得到驗(yàn)證.

5 結(jié) 論

在本實(shí)驗(yàn)中,我們測(cè)量了20 keV質(zhì)子在PC微孔膜中傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)演化過(guò)程.發(fā)現(xiàn)E/q≈101kV的離子,仍可以逐漸達(dá)到導(dǎo)向過(guò)程,并觀察到很長(zhǎng)時(shí)間的導(dǎo)向前過(guò)程,這一點(diǎn)與E/q≈100kV和E/q≈102kV區(qū)域離子有一定的不同.在導(dǎo)向前過(guò)程中,起主要作用的是表面以下的隨機(jī)二體碰撞過(guò)程和相對(duì)較弱的近表面的鏡面反射過(guò)程;在導(dǎo)向過(guò)程建立后,導(dǎo)向力才逐漸占據(jù)統(tǒng)治地位.該實(shí)驗(yàn)結(jié)果把E/q≈100kV至E/q≈102kV區(qū)間離子在微孔膜中輸運(yùn)的物理圖像聯(lián)接起來(lái),形成更加完整的物理認(rèn)識(shí):中低能區(qū)(近玻爾速度區(qū))離子通過(guò)微孔,存在表面以下隨機(jī)二體碰撞、近表面散射和導(dǎo)向三種輸運(yùn)方式的動(dòng)態(tài)競(jìng)爭(zhēng),隨著入射能量的不同表現(xiàn)出不同的競(jìng)爭(zhēng)形式.這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果也對(duì)E/q≈101kV區(qū)域離子微束在空間和電荷品質(zhì)的控制上有一定的理論指導(dǎo)意義.

感謝中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所320 kV高電荷態(tài)離子物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的員工為我們提供高品質(zhì)穩(wěn)定的質(zhì)子束.

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PACS:34.50.–s,79.20.Rf,68.49.SfDOI:10.7498/aps.66.093401

Dynamic evolution of 20-keV H+transmitted through polycarbonate nanocapillaries?

Bai Xiong-Fei1)Niu Shu-Tong1)Zhou Wang1)Wang Guang-Yi2)Pan Peng1)Fang Xing1)Chen Xi-Meng1)?Shao Jian-Xiong1)?

1)(School of Nuclear Science and Technology,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)2)(National Key Laboratory of Science and Technology on Vacuum Technology and Physics,Lanzhou Institute of Physics,Lanzhou 730000,China)

12 December 2016;revised manuscript

29 January 2017)

In recent years,by using the etching techniques with great precision,the ion tracks in materials were converted into insulator and metal nanocapillaries.The physical and chemical properties of the inner surface on micro and nano-scales of these capillaries can be investigated by the interaction of ions with the surfaces.

Stolterfoht et al.(2002Phys.Rev.Lett.88 133201)have found the evidence for capillary guiding in studying the transmission of 3 keV Ne7+ions(energy/charge E/q≈100kV)through the polymer nanocapillaries.The self-organized charge-up process was thought to inhibit close contact between the ions and the inner capillary walls.Skog et al.(2008Phys.Rev.Lett.101 223202)investigated the guiding e ff ect of 7 keV Ne7+ions(E/q≈100kV)transmitted through SiO2nanocapillaries,and found the evidence of sequentially formed charge patches along the capillary.For these keV highly charged ions with E/q≈100kV,the charge patches were formed in a very short time,and then the repulsive electric fi eld rapidly becomes strong enough to de fl ect the ions,then the ions move along the capillary axis without charge exchange.

Zhou et al.(2016Acta Phys.Sin.65 103401)have investigated the transmission of 100 keV protons(E/q≈102kV)through the nanocapillaries in polycarbonate(PC)membrane.It was found that the transmitted ions are located around the direction of the incident beam,rather than along the capillary axis.This indicated that the transmission mechanism of hundreds of keV protons through nanocapillaries is signi fi cantly di ff erent from that for keV highly charged ions.For 100 keV protons,several charge patches suppress the protons to penetrate into the surface,and the protons are transmitted via twice specular scattering near the surface and fi nally emitted along the incident direction.However,the study of the transmission of E/q≈101kV ions through nanocapillaries is still lacking.

In this work,we measure the time evolution of the relative transmission rate,charge state and angular distribution as well as the full width at half maximum of 20 keV protons(E/q≈101kV)transmitted through the nanocapillaries in PC membrane at a tilt angle of+1?.We observe a very long time pre-guiding period before the stable guiding process is established.During the pre-guiding period the direction of the transmitted H+ions changes to the direction of capillary axis gradually.The transmitted H0particles are composed of two peaks:the higher and sharper one is nearly in the beam direction,the wider and lower one is around the guiding direction.With the continuous charging-up process,the intensities of the narrow and sharp peak of transmitted H0near the beam direction will decrease and disappear at the end.The data indicate that the scattering and guiding forces are both important for E/q≈101kV ions during the period of pre-guiding process,and the guiding force is dominant till a long time pre-guiding period is ended.This fi nding will fi ll in the gap between E/q≈100kV and 102kV of previous studies of ions transmitted through nanocapillaries.It is also helpful for fi nding the applications of nano-and micro-sized ion beams produced by tapered glass capillary with E/q≈101kV.

nanocapillary membrane,charge patch,guiding e ff ect,pre-guiding period

10.7498/aps.66.093401

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):11675067)和國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):11605078)資助的課題.

?通信作者.E-mail:chenxm@lzu.edu.cn

?通信作者.E-mail:shaojx@lzu.edu.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.11675067)and the Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China(Grant No.11605078).

?Corresponding author.E-mail:chenxm@lzu.edu.cn

?Corresponding author.E-mail:shaojx@lzu.edu.cn