李鵬飛 袁華 程紫東 錢立冰 劉中林 靳博 哈帥張浩文 萬城亮 崔瑩 馬越 楊治虎 路迪 Reinhold Schuch 黎明 張紅強(qiáng)8)? 陳熙萌?

1) (蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,蘭州 730000)

2) (湖北科技學(xué)院核技術(shù)與化學(xué)生物學(xué)院,咸寧 437100)

3) (RIKEN Nishina Center,RIKEN,Wako,351-0198,Japan)

4) (中國科學(xué)院近代物理研究所,蘭州 730000)

5) (Department of Physics,University of Gothenburg,SE-41296 Gothenburg,Sweden)

6) (Physics Department,Stockholm University,SE-10691 Stockholm,Sweden)

7) (中國工程物理研究院電子工程研究所,綿陽 621900)

8) (蘭州大學(xué)稀有同位素前沿科學(xué)中心,蘭州 730000)

采用900 eV 能量的電子對(duì)直玻璃管進(jìn)行了穿透實(shí)驗(yàn),測量了玻璃管在傾角為–0.15°,–0.4°和–1.15°時(shí)充電過程角分布的時(shí)間演化,以及平衡態(tài)下出射電子能譜.發(fā)現(xiàn)穿透率隨時(shí)間先下降后上升最后趨于平穩(wěn),下降的時(shí)間隨傾角的增大而減小.當(dāng)傾角為–0.4°和–1.15°時(shí),電子穿透率下降到最低點(diǎn)時(shí)幾乎看不到穿透電子(穿透率小于3‰),這種穿透率最低點(diǎn)狀態(tài)保持時(shí)間隨傾角增大而增大.穿透電子的角分布中心隨著時(shí)間變化.在平穩(wěn)狀態(tài)時(shí),發(fā)現(xiàn)穿透電子的能量損失隨傾角增大而增大.采用蒙特卡羅方法模擬了電子經(jīng)過管壁不同次數(shù)反射后的能譜,與測量能譜進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)–0.15°,–0.4°和–1.15°傾角下,穿透電子分別經(jīng)歷了管壁的一次、兩次和三次與表面的反射過程.基于此,本文對(duì)電子穿越玻璃管的充電過程動(dòng)力學(xué)給出了物理解釋.實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析表明,在小傾角下玻璃管內(nèi)能形成宏觀負(fù)電荷累積,排斥后續(xù)電子形成反射,增加電子出射概率,這對(duì)應(yīng)用絕緣體微結(jié)構(gòu),例如玻璃錐管產(chǎn)生穩(wěn)定的電子微束具有重要的參考意義.

1 引言

利用絕緣毛細(xì)管對(duì)帶電粒子進(jìn)行整形與聚焦是近期被廣泛研究的課題[1?18].這種方法價(jià)格低廉、體積小巧、操作簡單而且不需要外接電源.對(duì)于帶正電的低能高電荷態(tài)離子,由于其在絕緣通道中存在導(dǎo)向效應(yīng)[19],利用玻璃毛細(xì)管對(duì)其進(jìn)行整形與聚焦,不會(huì)發(fā)生電荷態(tài)交換和能量損失.目前,高電荷態(tài)離子在絕緣通道中輸運(yùn)過程的物理機(jī)制已經(jīng)被研究清楚[20?26]:對(duì)于低能離子,初始入射離子的電荷沉積在通道內(nèi)壁表面,自組織形成電荷斑,電荷斑的庫侖場阻止后續(xù)入射離子與內(nèi)壁碰撞,而使后續(xù)離子沿著通道的軸向直接出射;對(duì)于高能離子,離子不能完全被電荷斑的庫侖場偏轉(zhuǎn)而與管壁碰撞,必須考慮散射過程[25].Liu 等[27?29]也開展了對(duì)帶電粒子在絕緣通道中輸運(yùn)機(jī)制的實(shí)驗(yàn)和理論探索,為理解輸運(yùn)過程的機(jī)制做出了貢獻(xiàn).基于大量的實(shí)驗(yàn)和理論工作的積累,利用玻璃毛細(xì)管對(duì)高電荷態(tài)離子進(jìn)行聚焦來制造微束已在多個(gè)實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)[1,11,13?18].

然而對(duì)于帶負(fù)電的電子,其在絕緣微孔膜中的輸運(yùn)過程與高電荷態(tài)離子完全不同[30].穿透電子有明顯的能量損失,充電曲線也與高電荷態(tài)離子迥異,且在不同的材料中,甚至出現(xiàn)完全相反的充電趨勢[31?36].這說明電子在絕緣微孔中發(fā)生的物理過程要比高電荷態(tài)離子復(fù)雜得多.通過模擬計(jì)算[37],一些研究認(rèn)為鏡面散射和多次小角度散射是穿透電子經(jīng)歷的主要物理過程,而入射電子基本不會(huì)在微孔表面形成負(fù)電荷斑.由于二次電子激發(fā),微孔內(nèi)壁表面可能會(huì)形成正電荷斑,因而會(huì)吸引而不是排斥后續(xù)電子.這種電荷沉積模式會(huì)導(dǎo)致穿透電子強(qiáng)度隨時(shí)間的變化而減小.但這種機(jī)制只能對(duì)電子的一部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行解釋,如Al2O3微孔膜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[33].而對(duì)于電子在其他材料(如PET 微孔膜[31])中,穿透電子強(qiáng)度隨時(shí)間的變化而增強(qiáng),另一些研究者認(rèn)為這是由于電子特殊的沉積深度以及對(duì)應(yīng)的電場強(qiáng)度變化導(dǎo)致的[31,34?36].而在電子穿越單玻璃管的研究中,情況更加復(fù)雜,穿透電子發(fā)生不穩(wěn)定的振蕩[4,5],甚至出現(xiàn)了多個(gè)穿透電子斑的情況[8,9].對(duì)于電子穿越絕緣通道的研究,電荷的沉積模式仍有爭議,其中的物理機(jī)制仍需要大量的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算工作來理解.

我們之前開展了一系列低能電子穿越單根玻璃管的實(shí)驗(yàn)[7,10,38],電子能量從900—1500 eV,束流密度從20 fA/mm2—400 pA/mm2,玻璃管種類從直管到錐管,其中直管又分為裸玻璃管和外層導(dǎo)電屏蔽的玻璃管.通過實(shí)驗(yàn)可總結(jié)出低能電子在玻璃管中進(jìn)行穩(wěn)定輸運(yùn)的實(shí)驗(yàn)條件[38]:1)玻璃管外壁和出入口兩端涂導(dǎo)電層并接地;2)在條件允許的情況下,盡量選擇較低能量的電子;3)合適的電子束密度.本文采用900 eV 電子,對(duì)導(dǎo)電屏蔽的玻璃管在不同傾角下對(duì)充電過程中角分布隨時(shí)間演化過程進(jìn)行測量,通過分析穿透電子的穿透率、角分布以及能譜特征,研究了電子在玻璃管中的輸運(yùn)機(jī)制,并結(jié)合模擬計(jì)算對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行解釋.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

本次低能電子穿越導(dǎo)電屏蔽的玻璃圓形毛細(xì)管實(shí)驗(yàn)在蘭州大學(xué)的低能粒子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[7,10,38]完成.能量為900 eV 的電子束從電子槍引出后經(jīng)過一次90°偏轉(zhuǎn),然后被偏轉(zhuǎn)板透鏡組偏轉(zhuǎn)和聚焦后由一對(duì)可調(diào)狹縫準(zhǔn)直,之后被螺線管再次準(zhǔn)直進(jìn)入μ金屬制作的靶室.該靶室可以屏蔽外部磁場.電子束的束斑大小為2 mm × 2 mm,束流的發(fā)散角被控制在0.5°以內(nèi),束流密度為–0.8 pA/mm2.靶室的真空度優(yōu)于5 × 10–8mbar (1 mbar=100 Pa).穿越玻璃毛細(xì)管的電子先經(jīng)過能量分析柵網(wǎng)組,再被二維微通道板熒光屏探測器探測.能量分析柵網(wǎng)組由三片等間距柵網(wǎng)組成,中間柵網(wǎng)加可調(diào)負(fù)電壓,前后兩片柵網(wǎng)接地.二維探測器可以同時(shí)獲取計(jì)數(shù)和角分布信息.整個(gè)裝置放置在一個(gè)三維赫姆霍茲線圈內(nèi),防止地磁場影響電子束的傳輸.用五維調(diào)節(jié)裝置控制玻璃管沿著上下、左右、前后3 個(gè)空間維度平移,同時(shí)在水平面和鉛錘面兩個(gè)平面上旋轉(zhuǎn).玻璃管的傾角、仰角分別是水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角和鉛錘面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角[7,10,38].探測器的觀測角度同樣分為水平面內(nèi)的φ角和在鉛錘面上的θ角[7,10,38].實(shí)驗(yàn)所用的高硼硅玻璃圓形毛細(xì)管內(nèi)徑為0.5 mm,長為28.5 mm,用縱橫比計(jì)算出幾何張角為1°.一片鋁箔被緊靠在玻璃入口端,并在玻璃管入口中心處開一個(gè)略小于玻璃管直徑的圓形孔.將玻璃管外壁和入口出口兩個(gè)端面涂上導(dǎo)電銀膠,進(jìn)行電子的穿透測量.實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖見圖1.

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖Fig.1.A schematic drawing of the experimental setup.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 展示了在充電達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),穿透電子的穿透率隨玻璃毛細(xì)管傾角的變化曲線.穿透電子強(qiáng)度在 ± 0.5°傾角內(nèi)隨傾角變化劇烈,當(dāng)傾角為–0.5°—–1.2°時(shí),穿透電子強(qiáng)度隨傾角微弱變化.當(dāng)傾角為–1.5°時(shí),穿透電子強(qiáng)度基本為0.在 ± 1°傾角內(nèi)的穿透電子強(qiáng)度隨傾角的變化規(guī)律與文獻(xiàn)[38]中報(bào)導(dǎo)的結(jié)果類似.與之前不同的是,在傾角大于幾何張角時(shí),也觀察到了穿透電子.

圖2 900 eV 電子涂導(dǎo)電膠玻璃毛細(xì)管的穿透率隨傾角變化的分布曲線Fig.2.The steady-state values of the transmission rate as a function of the tilt angle for 900 eV electrons through conductive-coated glass capillary.

由–0.15°傾角開始,對(duì)電子在玻璃管中的充電過程進(jìn)行測量.向負(fù)角度方向每移動(dòng)0.25°進(jìn)行一次充電,一直到–1.15°.每次測量前都不對(duì)玻璃管進(jìn)行放電,上個(gè)角度充電完成后立即移到當(dāng)前角度進(jìn)行充電測量.圖3 展示了電子對(duì)傾角為–0.15°,–0.4°和–1.15°的玻璃管進(jìn)行充電時(shí),穿透電子強(qiáng)度隨充電時(shí)間變化的充電曲線.在這3 個(gè)傾角下,穿透率曲線都隨充電時(shí)間呈先下降后上升直至平穩(wěn)的趨勢.在–0.15°,–0.4°和–1.15°傾角下,從開始的穿透率最大點(diǎn)下降至穿透率最低點(diǎn)所經(jīng)歷的充電時(shí)間分別為100,40 和20 s.傾角越遠(yuǎn)離0°,下降至最低點(diǎn)所需的充電時(shí)間越短.從–0.4°傾角開始,電子穿透率在最低點(diǎn)后會(huì)保持一段時(shí)間而呈現(xiàn)出一個(gè)平臺(tái)區(qū).–0.4°傾角的穿透率最低點(diǎn)為0.0025,平臺(tái)持續(xù)時(shí)間為50 s.在–1.15°傾角上,穿透率最低點(diǎn)為0.0005,平臺(tái)持續(xù)時(shí)間為400 s.傾角越大,出射電子非常低的穿透率持續(xù)時(shí)間也越長.

圖3 不同傾角下,900 eV 電子對(duì)涂導(dǎo)電膠的玻璃毛細(xì)管的充電過程中,穿透率隨時(shí)間的演化曲線Fig.3.The measured time evolution of the transmission rates of the charge-up process in the glass capillary at various tilt angles for 900 eV electrons.

圖3 中3 個(gè)傾角下的穿透率曲線對(duì)應(yīng)的穿透電子的二維圖像隨充電時(shí)間的變化展示在圖4 中.對(duì)穿透電子的二維圖像在φ角上計(jì)算權(quán)重中心,得到如圖5 所示穿透電子權(quán)重中心隨充電時(shí)間的變化曲線.對(duì)于–0.15°傾角的玻璃管,穿透電子中心基本跟隨穿透率同步變化,先從–0.65°向負(fù)角度方向快速移動(dòng)至–0.85°,再向正角度方向緩慢移動(dòng)至–0.25°,并仍有繼續(xù)向正角度方向緩慢移動(dòng)的趨勢;觀察穿透率達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)后的穿透電子圖像變化,發(fā)現(xiàn)在正角度上的電子斑越來越清晰,從0°蔓延到1°,整個(gè)電子圖像呈現(xiàn)倒“V”形.對(duì)于–0.4°傾角的玻璃管,電子中心的移動(dòng)趨勢與–0.15°傾角下相同,從–0.55°向負(fù)角度方向移動(dòng)至–0.78°再向正角度方向移動(dòng)至–0.5°,并在–0.5°保持平穩(wěn);觀察平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的穿透電子圖像,在–0.8°有一個(gè)亮度較強(qiáng)的豎條“1”形圖像,在–0.6°—1°,散落著大量電子.對(duì)于–1.15°傾角的玻璃管,電子中心在前20 s 內(nèi)由–1.6°移動(dòng)到–1.7°,在20—400 s,電子穿透率基本為0,圖像中心變得不可分析,400 s 時(shí)電子在–1.9°出現(xiàn),之后向正角度方向引動(dòng)到–1.6°,又在900 s時(shí)向負(fù)角度方向移動(dòng)至–1.9°,并有繼續(xù)向負(fù)角度方向移動(dòng)的趨勢;整個(gè)過程,穿透電子中心的角度移動(dòng)跨度不超過0.4°,穿透率平穩(wěn)時(shí)的圖像集中在一個(gè)圓形區(qū)域內(nèi).

圖4 不同傾角下,900 eV 電子對(duì)涂導(dǎo)電膠的玻璃毛細(xì)管的充電過程中選取的穿透電子的二維角分布圖像 (a)–0.15°;(b)–0.4°;(c)–1.15°Fig.4.The 2D images of electron angular distribution at different stages during the charge-up process at various tilt angles for 900 eV electrons:(a)–0.15°;(b)–0.4°;(c)–1.15°.

圖5 在–0.15°,–0.4°和–1.15°傾角下,900 eV 電子對(duì)涂導(dǎo)電膠的玻璃毛細(xì)管的充電過程中,穿透電子在φ 平面的投影中心隨時(shí)間的演化曲線.數(shù)據(jù)空白處為等待時(shí)間Fig.5.The time evolution of the projection center of the transmitted electron angular distribution on the φ-plane during the charge-up process at various tilt angles (–0.15°,–0.4° and–1.15°) for 900 eV electrons.The blanks of data are waiting time.

在–0.15°,–0.4°和–1.15°傾角上,在穿透率平穩(wěn)階段對(duì)穿透電子進(jìn)行能譜測量.穿透電子強(qiáng)度與能量分析柵網(wǎng)組中間柵網(wǎng)電壓(V)的關(guān)系如圖6 所示.能量分析柵網(wǎng)組用加負(fù)電壓排斥電子的方式來測量穿透電子的能量,只有能量大于中間柵網(wǎng)電壓的電子才能穿過柵網(wǎng)組被探測器記錄.不難看出,傾角遠(yuǎn)離0°時(shí),穿透電子的能量損失變大.將柵網(wǎng)電壓為–850 V 時(shí)的電子計(jì)數(shù)除以柵網(wǎng)電壓為0 V 時(shí)的電子計(jì)數(shù)得出大于850 eV 的電子占總穿透電子的比例為0.65(–0.15°),0.48 (–0.4°),0.22 (–1.15°).

圖6 充電達(dá)到穩(wěn)定階段后,900 eV 能量的電子穿越不同傾角(–0.15°,–0.4°和–1.15°)玻璃管的穿透電子能譜圖Fig.6.The energy spectrum of transmitted electrons for 900 eV electrons at various tilt angles (–0.15°,–0.4° and–1.15°) in the steady stage.

4 計(jì)算和討論

入射電子受玻璃管內(nèi)壁鏡像電荷力的吸引,電子與管內(nèi)壁的碰撞角會(huì)發(fā)生極大變化.對(duì)于900 eV 的電子,碰撞角可以用6.9°+|α|°來近似計(jì)算[38],α為毛細(xì)管傾角.入射電子與管內(nèi)壁碰撞,發(fā)生彈性散射和非彈性散射過程.彈性散射過程不產(chǎn)生能量損失,而非彈性散射過程造成電子損失能量.非彈性散射的電子,會(huì)從以下兩種形式沉積電荷:一是入射電子在非彈性散射過程中不斷損失能量,最后沉積在毛細(xì)管體內(nèi),造成負(fù)電荷在體內(nèi)積累;二是入射電子與靠近內(nèi)壁表面的核外電子碰撞使核外電子從表面逃逸形成空穴,造成正電荷在靠近表面處累積.對(duì)于900 eV 能量的電子,在本文中涉及的碰撞角下,使用CASINO 軟件[39]模擬得出:約1/3 的入射電子因?yàn)閾p失能量而沉積在靶體內(nèi)部,造成負(fù)電荷累積;因二次電子逃逸造成的帶正電的空穴數(shù)目是入射電子數(shù)目的2.7 倍.沉積電子的深度分布中心(負(fù)電荷中心)約為8 nm,絕大部分的空穴(正電荷)則分布在表面以下0.5 nm(兩個(gè)原子層的厚度)內(nèi),兩者有較大的深度分布差異.由于玻璃管的絕緣性質(zhì),正電荷和電子不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)復(fù)合,而造成正電荷和電子同時(shí)存在.詳細(xì)計(jì)算結(jié)果可參考我們之前的工作[38].對(duì)于外層導(dǎo)電屏蔽的玻璃管,內(nèi)壁表面的正電場由于導(dǎo)電層的存在而呈現(xiàn)比較弱的強(qiáng)度,對(duì)毛細(xì)管內(nèi)飛行的入射電子略微吸引但影響有限[38].在0.8 pA/mm2的電子束密度下,正電場強(qiáng)度在極短的時(shí)間(<1 s)內(nèi)達(dá)到飽和,穿透電子在充電過程中的變化主要由體內(nèi)負(fù)電荷的積累造成.體內(nèi)的負(fù)電荷會(huì)排斥進(jìn)入到內(nèi)壁的入射電子而形成對(duì)入射電子的反射.每次反射都會(huì)造成電子損失一部分能量,因此經(jīng)歷的反射次數(shù)越多,穿透電子的能量損失越大,大于850 eV 能量的穿透電子所占的比例也會(huì)越少.

為了確定電子在管內(nèi)壁經(jīng)歷的反射次數(shù),計(jì)算了電子在管內(nèi)經(jīng)歷不同反射次數(shù)后的能譜,并與實(shí)驗(yàn)測量的能譜進(jìn)行對(duì)比,如圖6 所示.對(duì)能譜進(jìn)行計(jì)算時(shí)先用CASINO 軟件[39]計(jì)算了0—900 eV的電子分別在0°—90°入射角上的散射過程,建立了散射電子數(shù)據(jù)庫,再用蒙特卡羅方法確定經(jīng)玻璃管內(nèi)壁多次反射后的電子能量.計(jì)算得出的被管壁反射一次、二次和三次的電子能譜(圖6 中的黑線)分別與傾角為–0.15°,–0.4°和–1.15°時(shí)測量的電子能譜符合.注意到反射次數(shù)越多,計(jì)算出的能譜與測量的能譜差異越大.例如,反射一次時(shí),計(jì)算能譜與–0.15°傾角的實(shí)驗(yàn)?zāi)茏V在0—750 eV 區(qū)域符合得很好,而反射兩次時(shí),計(jì)算能譜與–0.4°傾角的實(shí)驗(yàn)?zāi)茏V只在0—600 eV 區(qū)域符合得很好.并且所有符合得不好的區(qū)域都是計(jì)算值比測量值低.這是因?yàn)槟M計(jì)算時(shí),內(nèi)壁的電荷累積對(duì)散射電子能量的影響無法被計(jì)算,而實(shí)際過程中,內(nèi)壁體內(nèi)累積的負(fù)電荷會(huì)產(chǎn)生對(duì)入射電子的排斥作用,產(chǎn)生庫侖偏轉(zhuǎn)從而減少能量損失.

確定電子經(jīng)歷的反射次數(shù)后,可得出不同傾角下,電子在外層導(dǎo)電屏蔽的玻璃管中穩(wěn)定穿透時(shí)的電子軌跡示意圖,如圖7 所示.在–0.15°的傾角下,大部分電子經(jīng)過正角度方向管壁的一次反射.負(fù)電荷累積,反射越來越強(qiáng),造成電子向負(fù)角度方向移動(dòng).該部分的電子組成了–1°—0°之間的穿透電子斑.很少一部分電子經(jīng)過正角度方向的反射后,打在負(fù)角度方向的管壁上,造成計(jì)數(shù)下降.負(fù)角度方向的管壁累積負(fù)電荷,再次對(duì)電子反射,造成這部分出射電子向正角度方向移動(dòng),同時(shí)計(jì)數(shù)升高,造成了0°—1°之間出現(xiàn)較弱的電子斑.在–0.4°傾角下,第1 次反射時(shí),基本所有電子被反射到負(fù)角度方向的管壁上,穿透電子向負(fù)角度方向移動(dòng)并造成穿透率下降到基本為0,之后被負(fù)角度方向的管壁再次反射,計(jì)數(shù)上升并使穿透電子向正角度方向移動(dòng).在–1.15°傾角下,在20 s 內(nèi),電子經(jīng)歷第1 次反射,穿透率降為0,之后花費(fèi)約400 s 的時(shí)間在負(fù)角度方向的管壁內(nèi)沉積負(fù)電荷,形成第2 次反射,并在約900 s 時(shí)出現(xiàn)第3 次反射.第3 次反射也可以從穿透電子斑的第3 次轉(zhuǎn)向移動(dòng)推斷出來.

圖7 充電完成達(dá)到穩(wěn)定階段后,電子在涂導(dǎo)電膠的玻璃毛細(xì)管內(nèi)的反射軌跡示意,其中紅線為電子軌跡Fig.7.The diagrams for the trajectories of the transmitted electrons through the conductive-coated glass capillary in the steady stage,where the red line is electron trajectory.

由于在測量過程中沒有經(jīng)過放電,正角度方向管壁體內(nèi)沉積的負(fù)電荷是持續(xù)累積的,即第1 次反射所需的負(fù)電荷量在–0.15°傾角的充電過程中已基本累積完成并在后續(xù)傾角下還會(huì)再次累積.因此隨著傾角遠(yuǎn)離0°,第1 次反射所需的充電時(shí)間會(huì)越來越短,也即測量中顯示的傾角越遠(yuǎn)離0°,穿透率下降至最低點(diǎn)所經(jīng)歷的充電時(shí)間越短.而傾角遠(yuǎn)離0°后,由于反射角的增大,負(fù)角度方向的管壁總會(huì)有一部分從未累計(jì)過電荷,即每個(gè)傾角下,第2 次反射所需的電量基本都需要從0 累積.在負(fù)電荷累積到可以排斥后續(xù)入射電子穿出管壁表面前,穿透率都會(huì)在最低點(diǎn)保持不變.傾角越遠(yuǎn)離0°,反射需要的負(fù)電場越強(qiáng),所以第2 次反射需要的充電時(shí)間也越多.因此在–0.4°和–1.15°傾角下,會(huì)測量到穿透率接近于零的時(shí)段,并且傾角越大,持續(xù)時(shí)間越長.

5 結(jié)論

我們研究了低能電子穿越外層導(dǎo)電屏蔽玻璃直管的動(dòng)力學(xué)過程.測量了不同傾角下電子的穿透率曲線和角分布以及平衡時(shí)的能譜.穿透率隨時(shí)間先下降后上升最后達(dá)到平穩(wěn).下降時(shí)間隨傾角增大而增大.在大傾角(<–0.4°)時(shí),穿透電子在穿透率最低點(diǎn)基本消失,消失時(shí)間隨傾角增大而延長.穿透電子角分布中心跟隨穿透率同步變化,經(jīng)歷兩到三次移動(dòng)方向的轉(zhuǎn)變.穿透電子能譜顯示,穿透電子的能量損失隨傾角的增大而增大.通過蒙特卡羅方法計(jì)算了電子經(jīng)過管壁不同反射次數(shù)之后的能譜.對(duì)比計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的穿透電子能譜,并分析穿透電子的分布中心的變化,確定了穿透電子在傾角為–0.15°,–0.4°和–1.15°的玻璃管內(nèi)部分別經(jīng)歷了1 次、2 次和3 次反射.最后對(duì)充電過程進(jìn)行了物理解釋.電子在玻璃管傾角大于幾何張角時(shí)充電過程的測量結(jié)果,是入射電子在管內(nèi)壁沉積造成負(fù)電荷累積而排斥后續(xù)電子形成反射這一物理過程的證據(jù).與低能離子的導(dǎo)向效應(yīng)不同,穿透電子經(jīng)歷了與管壁原子的碰撞過程,會(huì)產(chǎn)生能量損失.這種碰撞過程會(huì)減小電子在玻璃管尤其是玻璃錐管中的出射概率,不利于產(chǎn)生電子微束,還會(huì)造成制作出的電子微束有較大能量展寬.但這種碰撞過程在高能離子穿越玻璃管的過程中同樣廣泛存在.鑒于應(yīng)用玻璃錐管制造高能離子微束的成功經(jīng)驗(yàn),同時(shí)考慮到電子束在玻璃管體內(nèi)充電造成的反射會(huì)增加出射概率并減少能量損失,應(yīng)用玻璃錐管制造穩(wěn)定的電子微束將有極大的可能性成功.

Schuch R 教授感謝蘭州大學(xué)在他訪問期間的盛情接待.