30 keV H+在聚碳酸酯微孔膜中动态输运过程的实验和理论研究∗

牛书通 潘鹏 朱炳辉 宋涵宇 金屹磊 禹楼飞 韩承志 邵剑雄 陈熙萌

(兰州大学核科学与技术学院,兰州 730000)

测量了30 keV的H+入射倾斜角度为−1◦和−2◦的聚碳酸酯微孔膜后,出射粒子二维分布图、角度分布、相对穿透率以及出射H+电荷态纯度随沉积电荷的演化.实验中30 keV的H+在微孔膜中输运特性与之前其他能区离子在微孔膜中输运特性有显著不同,实验中直接观测到出射粒子导向部分和散射部分的动态演化过程,出射的H+由沿微孔孔轴方向的导向H+和沿入射束流方向的散射H+两部分组成,随着微孔内电荷斑的沉积,出射的导向H+的占比不断减小,出射散射H+占比不断增加;出射H0占总出射粒子的比例不断减小,其中心方向逐步向入射束流方向偏转.微孔膜处于不同倾斜角度时,微孔内沉积电荷斑的位置和电场强度是不同的.同时模拟计算了入射H+在微孔内部的运动轨迹、微孔内部电荷斑电势和场强分布,实验结果和理论结果得到了很好的验证.对出射离子导向部分和散射部分的动态演化过程的观测和理论解释,使得对中能区离子在微孔膜中输运机制有更好的认识.

1 引 言

由于微孔膜材料的独特性能和应用潜力[1,2],利用离子束流在微孔膜中的输运过程的研究成为观测微孔膜的电特性和控制微束[3,4]的一种重要手段.不同的研究组利用不同能量的不同类型的离子与微孔膜的输运过程中发现了不同的实验现象和物理机制[5−8].

Stolterfoht等[5]在研究低能(100keV量级)离子在微孔中的输运过程时发现“导向效应”,他们使用3 keV的Ne7+离子入射一定倾斜角度的聚对苯二甲酸乙二醇酯微孔膜,实验发现离子沿微孔孔轴方向出射并且电荷态保持不变.研究表明微孔内壁随着时间演化逐个形成的自组织电荷斑倾向于抵消入射离子横向动量,从而使入射离子沿微孔孔轴方向出射[9−14].高能区(MeV量级)离子在微孔中的输运过程同样得到研究,当高能离子入射锥形玻璃管时发现微孔内壁沉积的电荷斑对高能离子穿过微孔没有影响[8,15,16].这是由于入射离子的能量过大,微孔内沉积的电荷斑不能使入射高能离子的轨迹发生偏转,入射离子直接进入微孔内壁以下并发生多次随机非弹性碰撞过程.

为了研究中能区(101—102keV量级)离子在微孔中的输运特性,周旺等[17]开展了100 keV的H+在聚碳酸酯(PC)微孔膜中输运过程的研究,出射粒子的中心峰位从微孔孔轴方向逐步偏转到入射束流方向.随后的研究发现无电荷斑时,主要是以表面以下的随机二体碰撞为传输机制;当达到充放电平衡后,主要传输机制为电荷斑辅助的近表面镜面散射行为[18].

由于中能离子的横向动量大于低能离子的横向动量而小于高能离子的横向动量,因此微孔内壁沉积电荷斑和离子在表面原子层散射作用对中能离子的出射方向有重要影响.出射离子中散射离子部分和导向离子部分之间的动态演化过程以及微孔中电势和电场的演化过程还没有很好的模拟解释,同时中能离子微束在离子注入和单细胞辐照等领域有广阔的应用前景,因此中能离子在微孔中的输运过程的解释仍需要进一步完善.

在本工作中,我们测量了30 keV的H+入射倾斜角度为−1◦和−2◦的PC微孔膜后的二维分布图,出射粒子相对穿透率及电荷态纯度分布随时间的演化特性.出射的H+由沿微孔孔轴方向出射的导向H+和沿入射束流方向出射的散射H+两部分组成,随着微孔内沉积电荷的增加,出射的导向H+占比不断减小,散射H+占比不断增加.实验结果很好地呈现了中能离子在微孔中的导向离子和散射离子的动态演化过程,并对这一过程进行很好的理论解释,对研究中能离子在微孔膜的输运过程有更好的帮助.

2 实验方法

本实验是在中国科学院近代物理研究所320 kV高电荷态离子综合研究平台上进行的,实验示意图如图1所示.由14.5 GHz电子回旋共振离子源产生30 keV H+经过两个狭缝和前偏转板的准直后轰击到倾斜的PC微孔膜上.PC微孔膜的厚度为30µm,孔的直径为200 nm(深宽比150:1,对应的几何张角为0.38◦),为防止束流在微孔膜表面形成的充电效应,在微孔膜前后平面镀有30 nm厚的金层[19].图1(a)为PC微孔膜的扫描电子显微镜图像.同时靶室的真空稳定在10−6Pa左右,出射离子经过竖直方向的静电偏转板的电荷分离后,被二维位置灵敏探测器记录.图1(b)为二维位置探测器记录的出射粒子二维分布图,其中上束斑为H+离子,下束斑为H0原子.

图1 实验装置示意图 (a)PC微孔膜扫描电子显微镜图像;(b)30 keV的H+入射倾斜角度为−1◦的微孔膜后出射粒子二维分布图Fig.1.The schematic view of the setup for the ion transmission experiments:(a)Scanning electron microscope(SEM)image of the PC nanocapillary membrane;(b)the typical 2D spectrum of transmitted particles with 30 keV incident energy and with a tilt angel of−1◦.

3 实验结果

在这一部分展示30 keV的H+入射倾斜角度为−1◦和−2◦的PC绝缘微孔膜后出射粒子的二维分布图和出射粒子在x轴投影谱图的演化过程.

3.1 30 keV的H+在倾斜角度为−1◦的PC绝缘微孔膜中的输运过程

图2 30 keV的H+入射倾斜角度为−1◦的PC微孔膜后出射粒子的二维分布谱图以及出射H+和H0在x轴方向上的投影分布图(a)实验刚开始阶段的二维谱图;(b)平衡建立阶段的二维谱图;(c)达到平衡后的二维谱图;(d)H+束斑在x轴方向的投影分布图;(e)H0束斑在x轴方向的投影分布图;图(d),(e)中黑线、红线和蓝线分别代表图(a),(b)和(c)的投影数据,其中B线表示入射束流方向,G线表示微孔孔道方向Fig.2.The typical two-dimensional spectrum and the projections of H+and H0in the x-axis direction of the transmitted particles after 30 keV H+transmitted through the nanocapillaries with a tilt angle of−1◦:(a)2D spectra were recorded at the beginning stage;(b)2D spectra were recorded at the build up stage;(c)2D spectra were recorded at the reached stage;(d)the projections of the 2D spectra of H+along the x-axis direction;(e)the projections of the 2D spectra of H0along the x-axis direction.The black,red,and blue solid lines present the projection data in(a),(b)and(c).The green dash dot lines and orange dash dot lines present the beam direction and guiding direction,respectively.

图3 30 keV的H+入射倾斜角度为−1◦的PC微孔膜后,出射离子的相对穿透率和电荷态纯度随沉积电荷的演化过程 (a)相对穿透率;(b)电荷态纯度Fig.3.The evolution of the relatively transmission rate and the charge purity of the transmitted H+ions for 30 keV H+transmitted through the PC nanocapillary at the tilt angle of−1◦:(a)Relatively transmission rate;(b)charge purity.

图2 给出了30 keV的H+入射倾斜角度为−1◦的PC微孔膜后出射粒子的二维分布图和出射粒子角分布图演化过程.在实验开始阶段时,见图2(a),出射粒子二维谱图由上束斑H+束斑和下束斑H0束斑两部分组成,其中出射H+束斑由沿0◦方向出射的散射H+束斑和沿−1◦方向出射的导向H+束斑两个峰组成.在实验平衡建立阶段,见图2(b),出射H+的谱图演化为沿0◦方向出射的散射H+主峰和沿−1◦方向出射导向H+肩部的叠加.当达到充放电平衡阶段时,见图2(c),出射H+束斑主要由散射H+束斑组成.出射H0离子的角度分布演化过程见图2(e),随着微孔沉积电荷的增多,出射H0的中心角度逐渐偏转到入射束流方向,出射H0占总出射粒子的份额不断减少.

图3(a)和图3(b)分别给出30 keV的H+入射倾斜角度为−1◦的PC微孔膜后,出射粒子的相对穿透率和出射H+的电荷态纯度随沉积电荷的演化过程.在测量初期,出射粒子的相对穿透率在25%左右,随着微孔内沉积电荷增加,出射粒子的相对穿透率迅速增加到90%,并保持稳定;出射H+的电荷态纯度在45%,随着实验进行出射H+的电荷态纯度增加到60%并保持稳定.

图4 30 keV的H+入射倾斜角度为−2◦的PC微孔膜后出射粒子的二维分布谱图以及H+和H0在x轴方向上的投影 (a)实验刚开始阶段的二维谱图;(b)平衡建立阶段的二维谱图;(c)达到平衡后的二维谱图;(d)H+束斑在x轴方向的投影分布图;(e)H0束斑在x轴方向的投影分布图;图(d),(e)中黑线,红线和蓝线分别代表图(a),(b)和(c)的投影数据Fig.4.The two-dimensional spectrum and the projections of H+and H0in the x-axis direction of the transmitted particles after 30 keV H+transmitted through the nanocapillaries with a tilt angle of− 2◦:(a)2D spectra were recorded at the beginning stage;(b)2D spectra were recorded at the build up stage;(c)2D spectra were recorded at the reached stage;(d)the projections of the 2D spectra of H+along the x-axis direction;(e)the projections of the 2D spectra of H0along the x-axis direction.The black,red,and blue solid line present the projection data in(a),(b)and(c).The green dash dot lines and orange dash dot lines present the beam direction and guiding direction,respectively.

3.2 30 keV H+在倾斜角度为−2◦的PC绝缘微孔膜中的输运过程

图4 (a)—(e)给出了30 keV的H+入射倾斜角度为−2◦的PC微孔膜后出射粒子的二维分布图和出射粒子角度分布图的演化过程.从图4上得到H+在倾斜角度为−2◦微孔膜中的演化过程与H+在倾斜角度为−1◦微孔膜中的演化过程基本一致,即出射粒子束斑由出射H+束斑和H0束斑两部分组成.实验开始时,出射H+束斑由沿−2◦方向出射的导向H+束斑和沿0◦方向出射的散射H+束斑两部分组成;随着微孔内充电过程的进行,出射H+中导向H+的相对份额不断减小,散射H+的相对份额不断增加,同时出射H0的中心角度逐渐偏转到入射束流方向,出射H0占总出射粒子的份额不断减少.

图5(a)和图5(b)分别给出30 keV的H+入射倾斜角度为−2◦的PC微孔膜后出射粒子的相对穿透率和出射H+的电荷态纯度随沉积电荷的演化过程.在实验测量初期出射粒子相对穿透率从55%迅速增加到95%左右并保持稳定.出射H+的电荷态纯度从20%增加到25%并保持稳定,对于处于−2◦微孔膜的出射H+电荷态纯度小于−1◦.

图5 30 keV的H+入射倾斜角度为−2◦的PC微孔膜后,出射离子的相对穿透率和电荷态纯度随沉积电荷的演化过程 (a)相对穿透率;(b)电荷态纯度Fig.5.The evolution of the relatively transmission rate and the charge purity of the transmitted H+ions for 30 keV H+transmitted through the PC nanocapillary at the tilt angle of−2◦:(a)Relatively transmission rate;(b)charge purity.

通过对30 keV的H+入射倾斜角度为−1◦和−2◦的PC微孔膜的实验结果分析,出射H+束斑由沿微孔孔轴方向出射的导向H+束斑和沿入射束流方向出射的散射H+束斑两部分组成,随着微孔内电荷沉积,导向H+束斑相对份额不断减小,而散射H+束斑相对份额不断增加,即直接在实验中观察到微孔内导向部分和散射部分之间的演化过程;出射H0中心角度逐步偏转到入射束流方向,出射H0相对份额不断减小.当微孔膜倾斜角度为−1◦时,出射的H+占总出射粒子的大部分,出射的H0占小部分;当微孔膜倾斜角度为−2◦时,出射的H0占总出射粒子的大部分,出射的H+占小部分.这种不同是由于入射的H+在−2◦时横向动量大于在−1◦时的横向动量,需要沉积更多的电荷才能避免入射H+与微孔内表面发生电荷交换.

4 理论模型

为了解释30 keV的H+入射倾斜角度为−1◦和−2◦的PC微孔膜演化特性,需对30 keV的H+入射倾斜角度为−1◦和−2◦的PC微孔膜的输运过程进行理论解释.

30 keV的H+在微孔膜输运过程中受到三种类型的作用,入射的H+在距离微孔内表面较远时会受到微孔内表面沉积电荷斑的库仑排斥作用,库仑排斥作用抵消入射H+横向动量,使入射H+沿微孔孔轴方向出射;随着入射H+运动到微孔内壁的近表面区域时,会受到微孔内表面几层原子的短程集体散射的作用,使入射H+以类似“镜面掠射”方式从入射束流方向出射;当H+入射到微孔内表面以下时,粒子与表面以下的靶原子会发生多次碰撞,在碰撞过程中使入射粒子忘记入射时初始信息,使粒子运动更加无规则[17,18].下面对这三个过程进行进一步分析.

当30 keV的H+运动到微孔表面以上并进入电荷交换距离附近时,入射的H+从微孔内壁的原子中俘获电子,同时在微孔内壁形成一个带正电荷的电荷斑.微孔内沉积的电荷势HG为

其中Zp为入射H+的核电荷数,qi和ri为沉积第i个入射离子的电荷态和位置矢量.

同时通过研究发现微孔内沉积的电荷斑以体扩散的方式进行缓慢衰减[20,21].其在dt时间内衰减规律为

其中Q(t)为t时间内沉积的电荷量,τd为微孔膜的放电常数,在模拟计算中取τd为5 min[22].

当入射的H+接近到微孔的表面时,微孔内表面的原子会对入射H+离子有集体散射力的作用.模拟中采用散射势为Moliere势HS[23],

其中rsi为入射离子与微孔内表面第i个表面原子的距离,Zt为靶原子的核电荷数,p为屏蔽长度,a0为玻尔半径.

结合以上分析,当入射能量为Ek的H+在微孔表面以上运动时,主要受到微孔沉积电荷斑的库仑排斥作用和微孔内表面原子的集体散射作用.其哈密顿量HU为

当入射H+接近微孔内表面并到达电荷交换距离时,入射H+从微孔内表面原子中俘获电子变为氢原子,这时只受到微孔内表面原子的集体散射作用,其哈密顿量HU为

通过求解哈密顿方程(5)和(6)得到入射H+在微孔表面运动方程的广义坐标qa和广义动量pa为

当30 keV的H+进入到微孔内表面以下时,主要作用是与微孔内表面以下原子的多次随机非弹性碰撞过程,使用蒙特卡罗模拟计算H+与微孔内原子核的库仑相互作用.两者之间的卢瑟福散射截面为

其中b为碰撞距离,θ为离子的散射角,Ec为质心系下的碰撞能量.

通过对微分截面积分,得到总反应截面σT为

为了避免微分截面在点出现歧离,本次模拟中取一个最小角θmin.

入射的离子散射到θ角度的概率p(θ)表示为

根据(12)式反推出离子出射角度θ为

由于30 keV的H+在PC材料中的射程为366 nm,H+进入微孔表面以下,其运动距离超过射程认为离子在表面以下沉积;对于重新进入到微孔中的离子通过蒙特卡罗随机抽样方法得到二体碰撞中的散射角和出射粒子电荷态,并对出射粒子电荷态选择对应的哈密顿方程求解随后粒子的运动轨迹,直至出射粒子从微孔穿出并记录其出射状态.

在模拟质子入射PC微孔膜时,得到一系列出射粒子数并进行归一化处理,从而得到模拟出射粒子的相对穿透率;对于出射粒子部分在模拟中记录其出射时电荷态状态,得到出射粒子的电荷态纯度.

5 讨 论

下面将对30 keV的H+入射倾斜角度为−1◦和−2◦的PC微孔膜的实验结果和模拟得到的结果进行分析讨论.

5.1 30 keV的H+在倾斜角度为−1◦的PC绝缘微孔膜中的输运过程

图6和图7分别模拟不同阶段30 keV的H+入射倾斜角度为−1◦的PC微孔膜,得到入射离子在微孔中运动轨迹、相应的微孔内电场和场强的分布以及出射粒子的角度分布情况.

30 keV的H+入射倾斜角度为−1◦的PC微孔膜的横向能量为9.1 eV.在初期阶段,几乎所有的入射H+进入微孔膜内壁表面以下并进行多次的随机二体碰撞而中性化成H0,中性化的H0在微孔中的轨迹非常曲折,最终从微孔孔轴方向出射,同时表面以下的随机二体碰撞导致出射H0角度发散.由于入射H+在微孔入口处沉积导致在微孔入口0—8µm的范围内形成了第一个电荷斑,电荷斑的电势大小为7 V左右,场强大小为1.4×107V/m.部分入射H+在微孔内沉积电荷库仑排斥作用和微孔表面原子层的集体散射作用下,使入射的H+以类似镜面反射的方式出射进入到微孔后半部分,在微孔后半部分以类似镜面反射的方式从入射束流方向出射;小部分入射H+在沉积电荷斑库仑排斥力作用下轨迹发生偏转并从微孔孔轴方向出射,出射的H+由沿−1◦方向出射的导向H+小峰和沿0◦方向出射的散射H+主峰两部分组成,该输运特性趋势与图6(a)和图7(a)描述一致.

图6 模拟不同阶段30 keV的H+入射倾斜角度为−1◦的PC微孔膜时,入射H+在微孔中的运动轨迹图以及相应的微孔内电场和场强的分布 (a)开始阶段的运动轨迹图;(b)平衡建立阶段的运动轨迹图;(c)达到平衡阶段的运动轨迹图;(d)微孔内电势随微孔长度的分布图;(e)电场场强大小随微孔长度的分布图Fig.6.Simulated trajectories,potential distribution and electric f i eld intensity distribution in the capillary of transmitted particles for 30 keV H+transmitted through the PC nanocapillary at the tilt angle of−1◦:(a)Trajectories at the beginning stage;(b)trajectories at build up stage;(c)trajectories at reached stage;(d)the simulated potential distribution in the capillary;(e)electric f i eld intensity distribution in the capillary during the beginning stage(the black line),build up stage(the red line)and the reached stage(the blue line).

图7 模拟不同阶段30 keV的H+入射倾斜角度为−1◦的PC微孔膜时,出射粒子的角度分布图 (a)实验开始阶段;(b)实验平衡建立阶段;(c)实验达到平衡阶段Fig.7.The angular distributions of transmitted particles for 30 keV H+transmitted through the PC nanocapillary at the tilt angle of−1◦:(a)The beginning stage;(b)build up stage;(c)reached stage.

随着H+的进一步沉积,如图6(b)和图7(b)所示,微孔内第一块电荷斑的电势增加为24 V左右,场强增加到为5.4×107V/m左右,在微孔深度为13—23µm处形成第二个电荷斑,电荷斑的电势大小为6.5 V左右,场强大小为−0.4×107V/m,这里的负号是指第二个电荷斑与第一个电荷斑不在微孔的同一侧.随着微孔内电荷斑的建立,入射H+进入到微孔内表面以下的概率逐渐减小,出射H0相对占比逐渐减小,出射H+的相对占比逐渐增加.出射的H+在微孔内电荷斑库仑排斥和表面原子的集体散射作用下,沿−1◦方向出射的导向H+相对占比逐渐减小,沿入射束流方向的散射H+相对占比逐渐增加,出射H+谱型为沿微孔孔轴方向的导向H+峰肩部和沿入射束流方向的散射H+主峰相叠加.

当微孔内充放电平衡后,微孔内第一块电荷斑的电势增加为32 V左右,场强增加到8.4×107V/m左右,在微孔第二个电荷斑的电势大小为13 V左右,场强大小为−1.3×107V/m.出射H0沿入射束流方向出射;在微孔内两块电荷斑作用下,沿入射束流方向出射的散射H+占总出射H+的绝大部分,沿微孔孔轴方向出射的导向H+只占很小一部分,即在微孔内充放电平衡后,出射H+基本上由沿入射束流方向的散射H+组成,这一点与图6(c)和图7(c)符合得很好.

图3中同样呈现了出射粒子的相对穿透率和电荷态纯度的理论计算结果,我们发现模拟较好说明了实验的主要趋势.随着微孔内沉积电荷增加,有更多的入射离子经过近表面的镜面散射过程从微孔中出射,这将大大增加入射离子的穿透概率,电荷斑的库仑排斥作用阻止入射H+进入电荷交换距离,从而显著提高出射H+的电荷态纯度.

5.2 30 keV的H+在倾斜角度为−2◦的PC绝缘微孔膜中输运过程

图8和图9分别展示了模拟不同阶段的30 keV的H+入射倾斜角度为−2◦的PC微孔膜时得到入射离子在微孔中运动轨迹和相应的微孔内电场和场强的分布以及出射粒子的角度分布情况.

对于30 keV的H+入射倾斜角度为−2◦的PC微孔膜的横向能量为36 eV.实验开始阶段,如图8(a)和图9(a),大部分入射H+进入微孔膜内壁表面以下并俘获电子转变为H0,出射的H0最终从微孔孔轴方向出射,出射角度发散.由于微孔内沉积电荷,在微孔入口0—6µm处形成电势大小为10 V左右,场强大小为2.4×107V/m的电荷斑,出射的H+一部分以类似镜面散射的方向从入射束流方向出射,一部分H+从微孔孔轴方向出射.在模拟开始阶段出射的H0占总出射粒子的绝大部分,其半高全宽较宽,角度发散;而出射的H+占总出射粒子的很小部分,并且由沿−2◦方向的导向H+和沿0◦方向的散射H+两部分组成.

图8 模拟不同阶段30 keV的H+入射倾斜角度为−2◦的PC微孔膜时,入射H+在微孔中运动轨迹图以及相应的微孔内电场和场强的分布 (a)开始阶段的运动轨迹图;(b)平衡建立阶段的运动轨迹图;(c)达到平衡阶段的运动轨迹图;(d)微孔内电势随微孔长度的分布图;(e)电场场强大小随微孔长度的分布图Fig.8.Simulated trajectories,potential distribution and electric f i eld intensity distribution in the capillary of transmitted particles for 30 keV H+transmitted through the PC nanocapillary at the tilt angle of−2◦:(a)Trajectories at the beginning stage;(b)trajectories at build up stage;(c)trajectories at reached stage;(d)the simulated potential distribution in the capillary;(e)electric f i eld intensity distribution in the capillary during the beginning stage(the black line),build up stage(the red line)and the reached stage(the blue line).

图9 模拟不同阶段的30 keV的H+入射倾斜角度为−2◦的PC微孔膜时,出射粒子的角度分布图 (a)实验开始阶段;(b)实验平衡建立阶段;(c)实验达到平衡阶段Fig.9.The angular distributions of transmitted particles for 30 keV H+transmitted through the PC nanocapillary at the tilt angle of −2◦:(a)The beginning stage;(b)build up stage;(c)reached stage.

随着微孔内充电过程的进行,微孔入口处第一个电荷斑的电势大小为60 V,场强大小为1.2×108V/m,同时在微孔内8—14µm处形成第二个电荷斑,电势大小为15 V,场强大小为−0.4×107V/m.大部分入射的H+仍然克服电荷斑的库仑排斥作用进入到微孔内表面以下,出射的粒子中H0仍占据很大部分.微孔内沉积电荷斑增加了入射H+在微孔内表面以上掠射通过的概率,沿入射束流方向出射的散射H+的占比不断增加,沿微孔孔轴方向出射的导向H+的占比不断减小,演化结果如图8(b)和图9(b)所示.

当微孔内电荷斑完全建立并达到充放电平衡后,如图8(c)和图9(c)所示,微孔入口处第一个电荷斑的电势大小为62 V,场强大小为1.5×108V/m,在8—14µm处第二个电荷斑的电势大小为16 V,场强大小为−0.5×107V/m,在22—28µm处形成第三个电荷斑的电势大小为6 V,场强大小为−0.1×107V/m.在微孔内电荷斑和表面原子的集体散射作用下,出射的H+呈现在入射束流方向的尖锐出射峰和沿微孔孔径方向的平缓峰的相叠加的谱图中.

图5同时给出30 keV的H+入射倾斜角度为−2◦的PC微孔膜后,理论模拟得到的出射粒子的相对穿透率和电荷态纯度随沉积电荷的演化过程.理论结果较好地说明了实验的主要趋势.

为了展示出射离子的电荷态纯度随微孔膜倾斜角度的变化过程,图10给出了30 keV的H+入射不同倾斜角度的PC微孔膜后,理论模拟得到的出射H+的电荷态纯度.随着微孔膜倾斜角度的不断增加,出射H+的电荷态纯度不断减小,这是由于随着倾斜角度的增加,入射H+的横向动量不断增加,微孔内需要沉积更多的电荷才能克服入射H+的横向动量,出射H+的比例不断减小,出射H+的电荷态纯度不断减小,理论结果较好地说明了实验的主要趋势.

通过分析30 keV的H+入射倾斜角度为−1◦和−2◦的PC微孔膜中的输运特性实验和理论结果表明,理论很好地解释了实验演化结果.处于不同倾斜角度的微孔膜,在微孔内沉积的电荷和形成电荷斑的数量和电场强度是不同的.

图10 模拟30 keV的H+入射PC微孔膜时,出射H+的电荷态纯度随微孔膜倾斜角度的变化Fig.10.The simulated charge purity of the transmitted particles at various tilt angles for 30 keV H+transmitted through the PC nanocapillary.

6 结 论

测量了30 keV的H+入射倾斜角度为−1◦和−2◦时穿过PC微孔膜后的二维分布图和出射粒子的角分布、电荷态纯度及穿透率随沉积电荷的演化.实验观测到出射的H+由沿微孔孔轴方向的导向H+和沿入射束流方向的散射H+两部分组成,随着微孔内电荷斑的逐步形成,出射的导向H+的占比不断减小,出射散射H+占比不断增加;同时出射H0占总出射粒子的比例不断减小,其中心角度逐步向入射束流方向偏转.模拟计算得到入射H+在微孔内部的运动轨迹和微孔内部电荷斑电势分布和场强分布,不同倾斜角度下微孔内电荷斑的数量和电势以及场强分布是不同的,实验结果和理论结果得到了很好的验证.

感谢中国科学院近代物理研究所320 kV高电荷态离子物理实验平台上的员工提供高品质稳定的离子束.