毛细管在带电粒子传输和导向方面的应用文献综述

毛细管在带电粒子传输和导向方面的应用文献综述
（王洪成，2010年5月23日）
摘要：本文首先回顾了离子束技术的整体状况，在此基础上介绍了具有各种形状及尺寸的毛细管在离子束聚焦及导向方面的国内外研究进展，包括纳米尺寸直管、宏观弯管毛细管及宏观锥形毛细管分别对电子束，高电荷态离子束的聚焦和导向技术研究进展。

指出电荷的自组织充电是毛细管对带电粒子束具有聚焦和导向效应的重要原因。

关键词：毛细管；带电离子束；电荷的自组织充电；聚焦
1引言
微米尺寸的带电粒子束在生命科学、材料科学等学科涉及的微细加工、改性、改性的微观机理研究以及核反应分析等方面有着极其重要的应用。

2001年，日本原子物理实验室Y. Kanai和日本理化所的T. Azuma等人在研究高电荷态离子（HCI）与平靶面碰撞的机理时，发现使用平靶面进行实验时，很难观察到所产生的中空原子[1]的性质，原因在于中空原子的固有存在时间比原子在表面上方的形成距原子到达表面之间的时间间隔要稍短。

为了克服这个缺点，Y. Kanai等人采用内径尺寸为100nm的微毛细管作为靶材在真空中产生中空原子，实验中发现，HCI沿微毛细管轴向冲击毛细管时，部分离子形成的中空原子能够在撞击管壁之前穿过微毛细管，从而较为方便的对中空原子的产生和弛豫机理进行研究。

[2]该现象引起了世界各国学者的广泛关注，并掀起了对纳米毛细管和带电粒子的相互作用研究的热潮。

在一定距离处，若表面电子的势垒高度同离子某一轨道能级能量相近，入射离子将此表面电子共振俘获到其相应轨道能级上。

这个过程将持续进行直到离子完全被中和。

俘获的电子处于主量子数很大的高激发亚稳定轨道上，内部有大量空穴的存在，这就是所谓的“中空原子”
长期以来，人们都在发展各种技术手段和方法来提高远距离传输带电粒子的效率。

高电荷态离子与平靶面碰撞时产生的中空原子在撞击毛细管前穿过毛细管的现象跟远距离带电粒子的传输带来了新的希望。

2纳米尺寸毛细管对带点粒子的导向效应
二十世纪后期，人们已经对带电粒子和固体表面的相互作用现象及机理进行了较为深入的研究，并在其应用方面取得了重大进展。

然而本世纪初，人们发现，当带电粒子以一定角度入射入纳米尺寸毛细管内壁时，出现了不同于以往的物理现象：带电粒子能够以较小的能量损失穿过毛细管，并产生稳定的中空原子，为带电粒子的远距离传输及研究中空原子带来了新的锲机。

2.1离子与固体表面的碰撞
离子与固体表面的相互作用包含一系列基本过程，例如：散射、注入、溅射、表面损伤、光发射、电子发射、电离与中和、表面化学及表面热效应等等。

粗略估计一个离子与固体表面相互作用引起各种过程的总驰豫时间（Relaxation Time）低于10-12s，其中包括离子穿入，级联碰撞引起地扰动等。

假设一个离子与表面相互作用的总截面小于1000A2，当初级离子束密度低于10-6A/cm2时，可以认为不同离子对表面的作用不会重叠或相互干扰。

虽然离子束包含很多离子，并且它与包含很多原子的表面都有相互作用，但一个离子与表面上一个原子间的碰撞是一个最基本的过程。

离子进入靶材后所产生的碰撞级联常常可以看成是一系列的二体碰撞。

碰撞过程中产生
的主要物理化学现象如图1 所示。

其中伴随着入射离子注入、入射离子引起的反弹注入、入射离子背散射、二次离子发散、二次电子光子发散、材料溅射、辐射损伤、化学变化、材料加热等[3]
图1 荷能离子与固体表面作用的主要物理现象
2.2电荷的自组织充电
Stolterfoht N等人利用电子回旋加速器共振产生的3keVNe7+离子入射到与束流方向成±25°角放置在聚对苯二甲酸乙二醇酯绝缘薄膜内的纳米尺寸毛细管（内径100nm，长10μm）中（如图2a所示），发现了大量出射的Ne7+离子保持了入射前的电荷态，说明大量的Ｎｅ离子在入射以后并没有与管壁发生直接碰撞而出射。

他们认为该现象是由于高电荷态离子在绝缘毛细管壁内表面上进行自组织充电（self organized charged up）而产生的。

电荷的自组织充电使电荷在管壁内表面积累，并形成有规律分布的电场，从而阻止了高电荷态离子与管壁直接碰撞并把它们导出管外。

[4]影响电荷的自组织充电的因数包括：管道的材料、尺寸、带电粒子的种类、能量等等。

目前国内外大多研究人员均采用这一理论来解释毛细管与带电粒子束之间相互作用的机理。

a)孔式b)平板式
图2 高电荷态离子束毛细管导向效应实验示意图电荷的自组织充电向人们展示出一种远距离高效率传输带电粒子的新方法以及在小尺度内控制束流尺寸，得到微米束、甚至纳米束的可能途径，为核反应分析提供新的离子束控制手段。

2.3纳米尺寸毛细管对HCI的导向效应
Stolterfoht N等人提出自组织充电理论之后，对纳米尺寸毛细管对HCI的导向效应进行了更进一步的研究，采用孔式[5]（图2a）和平板式（图2b）两种纳米毛细管进行实验研究，通过实验研究了如下因数对导向效果的影响。

（1）纳米毛细管轴线与离子束之间的倾斜角度；[6]
（2）不同离子束的传输（1.6kVH+1和3 keV Ne+7）[7]
（3）离子发射能量的[8]
（4）纳米毛细管内径大小[9]
（5）粒子所带电荷量（采用40keVXe+9）[10]
（6）入射离子束强度[11]
（7）采用更精确的二维测量方法[12]
（8）毛细管的密度[13、14]
瑞典科学家P. Skog a等人使用放置在聚对苯二甲酸乙二醇酯绝缘薄膜内的SiO2和Al2O3纳米毛细管作为HCI导向器件进行了相关研究，发现毛细管材料不同对导向效果也存在较大的影响。

[15、16]意大利科学家K. Schiessl等人也对导向效应进行了相关的研究，并建立了理论模型[17]
同时，日本Y. Iwa等人在进行Ni毛细管对N离子导向实验时还发现了X射线的产生[18、19]，且X射线的产生强度只取决于离子最后的电荷状态，而非取决于入射离子K-壳孔数量
的多少。

2.4纳米尺寸毛细管对电子束的导向效应
在人们探究HCI与纳米毛细管相互作用的同时，美国S. Das等和塞尔维亚 A. osavljevic等研究人员开始对纳米毛细管与带负电的电子束之间的作用进行了初步的研究。

[20、21]他们分别使用500～100eV和200～350eV的电子束穿过内径分别为200nm和140nm 的纳米毛细管进行实验。

实验表明，纳米毛细管对低能电子束具有导向的作用。

但与HCI的导向相比，绝缘毛细管对电子束的导向作有其自身的特点：传输效率比高电荷态离子束的情形低很多，而且在入射电子能量较高的情况下被传输电子的能量损失很大。

无论是对于HCI还是对电子束，目前这方面的研究有两个特点：第一，实验中使用的带电粒子束流强都很弱（一般在皮安量级）；第二，使用的绝缘管都是小尺寸的毛细管（微米到纳米量级）。

3宏观尺寸毛细管（或石英管）对带点粒子的聚焦和导向作用
纳米尺寸毛细管因电荷的自组织充电，对入射的带电粒子具有明显的导向效应。

类似地，近几年来，人们也对经加工后的宏观尺寸毛细管和入射入其中的带电粒子束两者之间的相互作用进行了初步的研究，并取得了进展。

[22-30]其中，加工后的宏观尺寸毛细管形状有两种：弯曲形[22]和锥形[23-30]。

宏观尺寸毛细管（或石英管）对带电粒子的聚焦和导向机理研究在带电粒子远距离传输和核反应分析等方面具有重大意义。

3.1弯曲形宏观尺寸石英管对中低能电子束的导向作用
中国科学院近代物理研究所蔡晓红等人[22]研究了宏观尺寸的弯曲圆柱形石英管对不同能量的电子束的导向作用，并与同材质同尺寸的直管进行对比分析。

图3 圆柱形弯曲石英管的实验示意图
如图所3示为蔡晓红等人的实验装置示意图，电子束经直径为1mm的光栏孔进入内径长度分别为Φ2.3mm和50mm的石英管，并用距出口约30mm的位置灵敏的法拉第筒探测出口电子沿垂直于电子束轴线方向的分布。

电子束由一电子枪提供，且电子束强度及能量可调，实验得出如下结果：
（1）宏观尺寸石英管（内径Φ2.3）对电子束具有导向效应；
（2）与纳米尺寸毛细管类似，导向效应也可归因于电荷的自组织充电；
（3）石英管道对的电子束导向的影响因数包括：电子束的强度、能量、管道的材料、尺寸等；
（4）圆管的尺寸直接影响着电荷的自组织充电过程，圆管尺寸越大，电荷损失越大且充电时间越长；
（5）电子束的能量直接影响了导向效果，电子束能量过高，则电子很可能克服自组织充电形成的电场直接轰击管壁形成二次电子，从而影响导向效果。

特别是入射离子束非电子束时，影响更大。

目前，宏观尺寸毛细管（石英管）对电子束导向效应正处于起步阶段，各影响因数对导向效果的影响机理有待进一步研究。

3.2宏观尺寸锥形毛细管对HCI的聚焦和导向作用
伴随着纳米毛细管对带电粒子的导向研究，宏观尺寸锥形毛细管（锥形管）对HCI的聚焦和导向效应研究也取得了初步进展。

[23-30]HCI在射入宏观尺寸锥形毛细管也存在电荷的自组织充电现象，使入射离子无电荷损失地从锥形管出口射出，且离子束能量能增强至入射时的十倍左右，这使得锥形管在核反应分析方面具有重大的应用价值。

3.2.1HCI聚焦系统的组成
如图4为HCI聚焦实验系统组成示意图。

由离子发生装置发出的离子束经过光栏、铝板孔入射沿锥形管轴向射入锥形管内部，由锥形管出射的离子束经磁偏转器偏转后射入位置灵敏探测器上。

光栏的作用是限制入射离子束的直径保持某一固定尺寸，铝板和镀于锥形管入射端的铝制薄膜是收集离子束外层散射出的离散离子，以将离子束入射前的散射角控制在一定范围内。

位置灵敏探测器用来测量经磁偏转器偏转的出射粒子或核反应产物的空间位置或角度，间接评定经锥形管对高电荷态离子束的聚焦效果。

实验中所使用的锥形管是有直玻璃毛细管受热拉制而成，成形工艺简单，具有相对较低的软化温度、较为光滑的内表面结构使其能够胜任HCI传输管道。

这也是锥形管聚焦系
统备受关注的一个重要原因。

图4 高电荷态离子束聚焦系统
3.2.2国内外研究现状
锥形管对高电荷态离子束的聚焦系统研究，国内尚无文献报道。

国外也仅日本理化所及相关机构作了一些初步的研究。

2003年T. Nebiki等人[23]使用入口和出口内径分别为1mm和10～100μm的锥形管进行离子束聚焦实验。

该锥形管是由内外径分别为0.8mm和2mm毛坯毛细管热拉制而成，总长约50mm。

实验中发现：锥形毛细管对离子束具有较好的聚焦功能，且离子束的强度在无能量损失的前提下能达到原束的四阶水平。

但由于实验中所使用的锥形管制作粗糙，实验干扰多，在锥形管出口处只收集到的离子数量仅为入射时的1%。

日本原子物理实验室T Ikeda等人用8 keV Ar8+离子束入射到总长50mm，入口和出口内径分别为800µm、24µm的锥形管中，离子束与毛细管收敛锥面夹角约为±100mrad，实验结果显示：出口离子所带电荷量不变，出口离子束尺寸与毛细管出口内径相同，发散角约±5mrad，强度为射入时的10倍左右，具有很好的聚焦效果。

[24-29]
2008年Nebiki等人改用7 mrad、160 mrad 、76 mrad三种不同锥角的锥形管（如图5所示）做6.4 MeV 15N2+离子束聚焦实验，得到锥角与聚焦效果的关系：锥角越小对离子束的聚焦越有利。

[30]
a) 7 mrad b) 160 mrad c) 76 mrad
图5 不同锥角锥形管的显微照片
本文回顾了离子束技术的整体状况，介绍了具有各种形状及尺寸的毛细管在带电粒子束聚焦及导向方面的国内外研究进展，包括纳米尺寸直管、宏观尺寸弯曲毛细管及宏观尺寸锥形毛细管分别对电子束，高电荷态离子束的聚焦和导向技术研究进展。

国内外在本世纪开始时才对这方面的进行一系列的研究，所以研究的成果较少，尽限于得出的一些粗略的实验结果，尚未进行深入的研究，对聚焦及导向机理也未达成完整的理论解释。

所以，毛细管对带电粒子束聚焦及导向效应方面的研究仍有大量工作可做。

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