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1、PET纳米孔和玻璃毛细管对离子束的导向作用,玻璃毛细管,纳米孔,本技术概要,起源发现纳米孔对离子束的传播有导向作用。 发展在孔径更大（微米、毫米量级）的玻璃毛细管中也发现了类似的导向作用。 深入研究导向作用的物理机制。 实际应用利用毛细管聚束，得到微米和亚微米量级的微束，用于 束流引出 微区分析 制备微米光源 细胞手术 等,本技术的起源,2002年，德国N. Stolterfoht第一次报道离子束在绝缘体纳米孔中的导向现象 离子束与纳米孔轴线方向成一定倾角入射时，有离子束沿孔的轴线方向从纳米孔的出口端射出。,N.Stolterfoht,etal,Transmission of 3 keV Ne
2、7+ Ions through Nanocapillaries Etched in Polymer Foils Evidence for Capillary Guiding,physics revew letters,2002,纳米孔的制备,材料：PET 膜（厚10微米，两面镀Ag） 制备方法：先用1GeV的Xe离子刻蚀，然后用NaOH溶液腐蚀，得到直径为100 nm的柱形纳米孔。,不同密度的纳米孔,纳米孔的SEM像,N.Stolterfoht,etal,Guided transmission of Ne7+ ions through nanocapillaries in PET; depen
3、dence on the tilt angle,实验过程,入射束流： Ne7+ ， 能量为 3 keV， 流强 1.3 nA， 束斑直径=1.5 mm, 散角0.5（受测量仪器精度限制，实际测量值约1 ）,实验结果（1）导向作用的证据,在倾角大于5时，仍然有数目可观的离子出射，这些出射的离子在孔中必然受到了一次以上的散射。 即使倾角不同，出射离子的散角都基本相等，并大于入射离子的散角（5 ），这说明离子在离开纳米孔时受到一个散射势的作用（对此后面还有深入研究）,N.Stolterfoht,etal,Transmission of 3 keV Ne7+ Ions through Nanocapi
4、llaries Etched in Polymer Foils Evidence for Capillary Guiding,physics revew letters,2002,实验结果（2）导向作用与电荷积累有关,出射束流的强度随时间变化的关系正好对应着电荷的累积消散过程。 从平衡流强建立的时间计算，只需要很少（2200个电子）就可以建立足够强的导向场。,N.Stolterfoht,etal,Transmission of 3 keV Ne7+ Ions through Nanocapillaries Etched in Polymer Foils Evidence for Capilla
5、ry Guiding,physics revew letters,2002,对导向机制的基本分析,若2200个电子均匀分布在纳米孔中，所产生的电场强度不足以使大倾角入射的离子被反弹。 电荷应主要集中在入口区，以产生足够强的势场使入射离子在此区域被反弹，并使离子的运动方向被集中在沿轴线方向。 离子在出口区会受到一个散射势的作用，散射势的成因有待进一步研究。,N.Stolterfoht,etal,Transmission of 3 keV Ne7+ Ions through Nanocapillaries Etched in Polymer Foils Evidence for Capillary
6、 Guiding,physics revew letters,2002,对导向作用的进一步分析(不同电荷态),倾角为0时(离子束平行于管轴线方向),不同电荷态的Neq+出射离子的角分布.,符合关系 表明散射势是静电场(即Ug).,N.Stolterfoht,etal,Guided transmission of 3 keV Ne7+ ions through nanocapillaries etched in a PET polymer，NIM B,2003,对导向作用的进一步分析(不同入射角),从实验结果看,出射几率与倾角成指数关系,尝试采用以下公式描述:,基本图像是：投影能量大于电荷沉积所
7、成电场的电势能的离子不能被传播。,对导向作用的进一步分析(不同入射角),其中 入口区累积电荷数Q(t)由下式决定,物理意义:累积电荷数=沉积电荷数(Jin-Jp)-漏电流损失电荷(Jd), 漏电流的大小与累积电荷数本身有以下非线性关系:,N.Stolterfoht,etal,Guided transmission of 3 keV Ne7+ ions through nanocapillaries etched in a PET polymer，NIM B,2003,对导向作用的进一步分析(不同入射角),模型的结果(右栏)表明理论假设基本符合实验事实(左栏).,对导向作用的进一步分析(不同入射
8、角),不同倾角的流强衰减曲线也说明不同倾角对应的累积电荷数目是不等的. 大倾角时,管口累积的电荷数目更多,关闭入射流后,电荷损失更快.,Time evolution of ion guiding through nanocapillaries in a PET polymer,对导向作用的进一步分析(流强、散角随时间变化),不同倾角情况下，出射束散角随时间变化的情况：,N.Stoletrfoht,etal,Time evolution of ion guiding through nanocapillaries in a PET polymer,对导向作用的进一步分析(流强、散角随时间变化),
9、累积的电荷数量越多，散角越大。 说明散射势的确是与累积电荷的数量有关的。这为寻找散射势的来源提供了思路：可能是由于多个纳米孔入口区累积的电荷产生的电场叠加而成。 在Q=0时，出射束也有一定的散角，而且这个散角大于入射束的散角。 说明散角形成的原因不全是电场本身，还有可能是纳米孔本身的方向分布存在不完全平行的情况。,对导向作用的进一步分析(流强、散角随时间变化),为了得到纳米孔本身不平行带来影响的更多信息，用1.6keV的质子做了同样的实验。,对导向作用的进一步分析(流强、散角随时间变化),结论：1.6keV的质子的散角、出射几率随时间变化的过程大体和3keV的Ne7+ 类似，但在数量上有所不同
10、： （1）质子的散角更小； （2）质子的出射总流强在电荷增加过程中不断增大，说明质子受孔本身不平直的影响更为明显，而Ne7+离子只是在电荷积累还很少的开始阶段受到较大的影响。,对导向作用的进一步分析(散角随倾角变化),在使用Krq+离子代替Xeq+离子进行刻蚀后，得到了平行度更高的纳米孔阵列。 结果发现出射束流的角分布与倾角有关。,对导向作用的进一步分析(不同孔径纳米孔),使用两种孔径（100nm、200nm的纳米孔相互对比）,（1）相同倾角下，100nm孔的出射几率更高，说明孔径越小，越有利于出射。(对此现象，目前仍缺乏有效的理论解释) （2）两种孔的出射束散角相同，说明散射势相同，这暗示入
11、口区累积的电荷数或许相同。,对导向作用的进一步分析(不同孔径纳米孔),200nm孔的充电时间为100nm孔的1/4，因为200nm孔的单孔截面积刚好为100nm孔的4倍， 所以两孔的最大累积电荷数基本相等。,对导向作用的进一步分析(不同纳米孔密度),所制备的两种不同孔密度的PET薄膜： 左图：1108 /cm2 右图：4106 /cm2 孔的直径均为200nm,对导向作用的进一步分析(不同纳米孔密度),对于高密度的纳米孔阵列，出射离子的散角与倾角无关； 对于低密度的纳米孔阵列，倾角越大，出射离子的散角就越大。,对导向作用的进一步分析(不同纳米孔密度),对于高密度纳米孔阵列，散角基本不变可以理解
12、为入口区域的电荷在非线性漏电电荷关系作用下，变化不大，从而使不同倾角条件下的散射势基本相等。 对于低密度纳米孔阵列，由于相邻孔之间相隔较远，入口区的电荷电场之间相互叠加之后，在出口区域产生的电场也仍然很小。因此，散射势有可能另有更为复杂的产生机制。 散射势的产生机制有待进一步研究。,对导向作用的进一步分析(不同离子能量),倾角为0时，入射离子的能量不同，对应的散角不同。但出射几率大致相等。,对导向作用的进一步分析(不同离子能量),倾角不为0时，出射几率与离子能量有关，能量越大，出射几率越低。 符合以下关系：,对导向作用的进一步分析(不同离子能量),对于Xe25+离子也是如此：,对导向作用的进一
13、步分析(不同离子能量),对于多种离子，不同能量条件下的特征倾角（出射几率为0值的1/e时的倾角）与能量之间的关系。满足公式：,对导向作用的进一步分析(不同离子能量),倾角不为0时，出射束的散角也与离子能量有关，能量越大，散角越小，散角与能量符合以下关系：,对导向作用的进一步分析(不同入射流强),左图：产额随时间变化曲线。 右图：出射几率随时间变化曲线。 可见流强增大后，产额达到稳定时所累积的电荷数和出射几率变化都不大。,对导向作用的进一步分析(不同入射流强),这必须要用累积电荷数与漏电流的非线性关系来解释。,RIKEN的结果,HMI的结果,对导向作用的进一步分析(不同入射流强),不同漏电流模型
14、之间的差异,对导向作用的电磁场模拟,从2005年起，奥地利的C.Lemell,K.Schiessl等人就利用CTMC(classical-tr ajectory Monte Carlo)模拟纳米孔中的离子输运问题。,模拟要点：（1）把管内空间划分为若干个四面体网格，每个网格格点处的电场近似认为不变，通过求解各网格内的运动方程，计算出离子进出网格的位置。,K. Schiessl et al,Simulation of guiding of multiply charged projectiles through insulating capillaries, PHYSICAL REVIEW A
15、72, 062902 (2005),对导向作用的电磁场模拟,模拟要点（2）：电场由3部分组成，入射离子在管壁上产生的镜像电场、管壁电荷累积产生的电场、多个纳米孔入口区电荷产生电场在出口区域的叠加说产生的平均场这个平均场在出口区产生散射作用（如下图所示）。,K. Schiessl et al,Simulation of guiding of multiply charged projectiles through insulating capillaries, PHYSICAL REVIEW A 72, 062902 (2005),对导向作用的电磁场模拟,模拟要点（3）：电荷沿表面迁移的速度大于
16、电荷沿绝缘体内部消散的速度（大约100倍），这样入射电荷就可以在绝缘体表面形成持久的带电区域。,K. Schiessl et al,Simulation of guiding of multiply charged projectiles through insulating capillaries, PHYSICAL REVIEW A 72, 062902 (2005),对导向作用的电磁场模拟,模拟结果(1):电荷主要分布在入口区，形成足够的势场，产生导向作用。,模拟结果(2):产生的束斑不是正圆形，存在一定的优先取向。,K. Schiessl et al,Simulation of guiding of multiply charged projectiles through insulating capillaries, PHYSICAL REVIEW A 72, 062902 (2005),对导向作用的电磁场模拟,模拟结果（3）：出射几率与倾角有关。 图中实心三角形为模拟
