粒子(束)与材料的相互作用
重离子束技术在材料研究和制备中的应用
重离子束技术在材料研究和制备中的应用材料科学是一门研究材料的性质和构造的学科，其在现代科技、电子、医学等领域中有着广泛的应用。
如何研究、制备出更优质的材料一直是材料科学家们的追求。
近年来，随着科学技术的不断发展，重离子束技术逐渐被应用于材料研究与制备中，其优异的性能在多方面得到了验证。
重离子束技术是指将带电粒子（通常是离子）加速至一定速度后，以高能束流的形式射入材料内部的技术过程。
这种技术可以控制粒子的能量、流量、轰击角度等参数，通过调整这些参数可以使得材料在粒子的轰击下发生退火、自组装、蚀刻、掺杂等反应，从而改变其结构和性质。
下面将从以下几个方面介绍重离子束技术在材料研究和制备中的应用。
一、表面改性将重离子束轰击材料表面，可以改变其表面形貌和化学性质。
通过单次甚至多次轰击可以使得表面纳米化，表面硬度和抗腐蚀性能大幅度提升。
这种技术已经在航空航天、汽车等领域得到应用。
二、材料合成以前很难合成的材料，通过重离子束技术可以轻松合成。
例如，通过重离子束轰击玻璃，可以使得玻璃变得更加耐磨、耐腐蚀，而且强度也得到了提高。
重离子束还可以用于纳米结构的制备，通过控制离子轰击的角度和能量可以呈现不同的纳米结构。
三、材料改性轰击材料可以对其内部结构进行改变，例如离子注入可以改变材料的电子结构，使得其导电性提高。
此外，重离子束还可以用于制备核反应堆的密封材料，这种材料可以快速地吸收辐射能量，有效避免核泄漏。
四、生物医学领域重离子束在生物医学领域也有着广泛的应用。
例如，通过改变生物大分子的二级和三级结构，可以影响生物体的生命活动。
同时，在肿瘤治疗中，重离子束技术可以通过高能离子束直接杀死癌细胞，而对正常细胞的伤害则很小。
综上所述，重离子束技术在材料科学中的应用是多样的。
它不但可以用于表面改性、材料合成和改性，同时在生物医学领域也有着广泛的应用。
未来，随着该技术的不断发展，它将在更多的领域中得到应用，为材料研究和制备带来更多的机遇和挑战。
核工程与核技术专业导论
专业导论2012核工程与核技摘要从应用的角度讲,核技术主要包括射线和粒子束技术与放射性核素技术。
前者主要包括核分析技术、辐射加工与离子束加工、无损检测、工业核仪表、核医学成像、肿瘤放疗和辐射诱变育种技术等;后者则主要包括放射性核素测年、放射性核素示踪和放射性药物。
射线和粒子束与物质的相互作用是核技术的物理基础,粒子加速器技术和核探测技术是核技术的主要支撑技术。
本文介绍了上述各技术领域的发展,并介绍北京大学的核技术及应用研究工作。
关键词核技术;应用;粒子加速器;核探测技术;射线;粒子束;放射性核素中图分类号TL5;TL8;TL92;TL99;O571.3术姓名：张朝平班级：双核二班学号：201206020212时间：2013-1-3一、培养目标本专业培养适应我国国民经济和国防核科技工业发展需要的，能在核技术及相关专业领域从事研究、设计、生产、应用和管理等的专门人才。
本专业培养的人才应具有良好的数理基础、扎实的专业知识和熟练的专业技能，能够适应核技术各个方向发展的基本需要；同时应具有较好的人文社会科学和管理知识，较高的道德素质和文化素质，身心健康，全面发展。
素质要求：热爱祖国，拥护中国共产党的领导，逐步树立科学的世界观和人生观。
具有健全的法治意识、诚信意识和集体主义精神，具有良好的思想品德、社会公德和职业道德。
具有较好的人文、艺术修养和文字、语言表达能力，了解历史和世界，积极参加社会实践活动，适应社会发展与进步，具有良好的心理素质和合作意识精神，具有健康的体魄和进取精神。
具有良好的理论基础和扎实的专业知识，掌握熟练的专业技能，勤奋、严谨、求实、创新，有科学精神和奋斗意识。
能力要求：具有较强的获取知识、更新知识和应用知识的能力，良好的表达能力、社交能力和计算机及信息技术应用能力。
在核技术及相关的科研、应用和开发领域，能够综合应用所学知识，发现和分析解决实际问题，具有通过创造性思维进行创新实验和科技研究开发的能力。
第八章 电离辐射及其医学应用
8.2.4 中子与物质的相互作用 (1) 中子分类
慢中子 (0~1 keV)、中能中子 (1 keV~500 keV)、快中子 (0.5 MeV~10MeV)以及高能中子(大于10MeV)。
慢中子: 又可分为热中子 (平均能量0.025eV)、超热中子 (能量1~10eV)、 共振中子(1 eV~1 keV)。 散射：弹性散射 & 非弹性散射 (2) 中子与物质的相互作用 核反应 (a) 弹性散射 中子损失的能量与相互作用原子核的质量有关。原子 核质量越小，获得能量越大。通常采用含氢的水、含 氘的重水、石墨或有机化合物作为中子的慢化剂。中 子用于治疗时，其与氢原子的作用不容忽视。
(3) 跃迁与内转换电子
① 跃迁：处于激发状态的核，跃迁到较低的激发态 直至基态，发射出 射线。
② 内转换电子：在某些情况下，原子核从激发态向较 低能态跃迁时，产生的能量直接交给内层电子， 使该电子脱离原子束缚成为自由电子。
｛内转换占11%
射线占89%
(4) 俄歇电子 在发生轨道电子俘获和发射内转换电子的情况下，核
8.1.1 基于非核过程的电离辐射 一、X射线 (1) X射线发生装置 普通X射线机包括：电子源，球形真空管，加速电场 和阳靶。
T:高速电子动能(~100keV) Z:靶原子序数(74W, 42Mo) 碰撞损失热量 辐射损失X射线
(2) X射线的强度和硬度 X射线的强度(intensity)是指单位时间内通过与X射线传 播方向垂直的单位面积的辐射总能量。
电离辐射的医学应用 ：放射学、核医学、放射免疫分析 (1) 放射学：包括诊断用的放射影像技术、治疗用的放射
治疗技术，以及作为介入手术导引的数字减影技术。
(2) 核医学：利用含放射性核素的放射性药物，通过其在
聚焦离子束技术
聚焦离子束技术一、简介聚焦离子束技术（Focused Ion Beam，FIB）是一种微电子束技术，它使用液态金属离子源产生离子束，然后通过一组电磁透镜将离子束聚焦到非常小的区域内。
这种技术在材料科学、半导体工程、生命科学和纳米科技等领域有着广泛的应用。
二、聚焦离子束技术的工作原理1. 离子源：聚焦离子束系统的核心是一个离子源，通常使用的是液态金属离子源。
液态金属离子源中的金属被加热到高温，使其蒸发并形成等离子体。
2. 离子提取：从等离子体中提取出金属离子，并将其加速到高速度。
3. 聚焦：通过一组电磁透镜将离子束聚焦到一个非常小的区域内。
电磁透镜可以是静电透镜或磁透镜，也可以是两者的组合。
4. 样品处理：聚焦的离子束可以用于切割、蚀刻、沉积和焊接样品。
离子束与样品的相互作用会产生二次粒子和溅射物质，这些二次粒子和溅射物质可以被用于分析样品的性质。
三、聚焦离子束技术的应用领域1. 半导体工程：聚焦离子束技术可以用于制造和修复半导体设备。
例如，可以使用FIB来切割芯片，或者修复集成电路中的缺陷。
2. 材料科学：聚焦离子束技术可以用于分析和处理各种材料。
例如，可以使用FIB来切割样品并进行元素分析，或者使用FIB来制造纳米结构和纳米器件。
3. 生命科学：聚焦离子束技术可以用于研究和操作生物样本。
例如，可以使用FIB来切割细胞或组织样本，或者使用FIB来制造纳米级的药物输送系统。
4. 纳米科技：聚焦离子束技术是纳米科技的重要工具。
它可以用于制造纳米结构和纳米器件，也可以用于研究纳米材料的性质。
5. 故障分析：FIB可以用于故障分析，通过在器件表面进行切割、刻蚀和显微观察，帮助确定电子器件中的故障位置和原因。
四、聚焦离子束技术的挑战和未来发展尽管聚焦离子束技术在许多领域都有广泛的应用，但它也面临着一些挑战。
例如，离子束与样品的相互作用会产生大量的二次粒子和溅射物质，这些二次粒子和溅射物质可能会污染样品和设备。
材料科学分析技术(材料科学研究与测试方法-绪论)
X射线的物理基础
（3）X射线的吸收
dIx ＝ Ix+dx－Ix
dIx I x dx I x ＝ Ix Ix
＝ -l· dx
X光减弱规律的图示
l为线吸收系数（cm-1)，与入射X射线束的波长
及被照射物质的元素组成和状态有关。
26
X射线的物理基础
X射线与物质的作用
X射线通过整个物质厚度的衰减规律：
6
performance
Tetrahedron
synthesis-processing
properties
composition-structure
7
Hexahedron
8
结构决定性能是自然界永恒的规律
“相” (phase)
在体系内部物理性质和化学性质完全均匀的一部分 成分和结构完全相同的部分才称为同一个相
11
检测分析
信号发生
分析仪器
信号发生器
分析过程
产生分析信号
信号检测 信号处理
信号读出
检测器 信号处理器
读出装置
测量信号 放大、运算、 比较 记录、显示
12
检测信号与材料的特征关系
1.2 衍射分析方法概述
衍射分析主要用于物相分析和晶体结构的测定。
13
定义:光在传播过程中能绕过障碍物的边缘而偏 离直线传播，并且在屏幕上形成明暗相间的条 纹分布的现象。 光的衍射不易发生的原因： （1）无线电波：波长几百米，天涯若比邻 （2）声波，波长几十米，未见其人先闻其声
I/I0 = exp(-l • d)
式中I/I0称为X射线透射系数， I/I0 ＜1。 I/I0愈小,表示X射线被衰减的程度愈大。
聚焦离子束——第四次组会
图二 液态金属离子源典型结构示意 图
离子光学柱
离子源发射离子束进入到离子光学柱，经过整形、质量
分析，最后聚焦到工件表面。离子光学柱中的主要部件
有：静电透镜、消像散器、束对中单元、质量分析器、
静电偏转闸和束偏转器。离子光学柱中还设置一系列限 N 束光阑，用来阻挡离轴较远的离子。
对于合金液态金属离子源系统，必须安装离子质量分析
聚焦离子束加工技术
————杨凯旋
聚焦离子束系统 （FIB）
聚焦离子束系统在本质上与电子束曝光系统没 有什么差别，都是由电子或离子发射源、电子或 离子光柱、工作台、真空与控制系统组成。利用 电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微加工仪 器。通过离子轰击材料表面，实现材料的剥离、 沉积、注入和改性。 （1）在离子柱顶端外加电场于液态金属离子源， 可使液态金属形成 细小尖端，再加上负电场牵 引尖端的金属，从而导出离子束 （2）然后通过静电透镜聚焦经过一连串然后通 过静电透镜聚焦，经过连串 可变化孔径可决定 离子束的大小，而后通过八极偏转装置及物镜将 离子束 聚焦在样品上并扫描。 （3）离子束轰击样品，产生的二次电子和 离子 被收集并成像或利用物理碰撞来实现切割或研磨
反弹注入
离子注入
离子束与材料的相互作用
（2）入射离子引起的反弹注入
入射离子把能量和动量传递给固体表面或表层 原子，使得后者进入表层或表层深处。
（3）入射离子背散射
入射离子通过与固体材料中的原子 发生弹性碰 撞，被反射出来，称作背散射离子。某些离子 也可能经历一定的能量损失
（4）二次离子发射 在入射离子轰击下，固体表面的原子、分子、 分子碎片、分子团以正离子或负离子的形式发 射出来，这些二次离子可直接引入质谱仪，对 被轰击表面成分进行分析。
离子束技术的应用与前景
离子束技术的应用与前景随着科学技术不断发展，离子束技术已经成为了一种非常先进的加工技术。
该项技术起源于50年代初期，它是一种利用离子束与材料相互作用的方法来加工物质表面的技术。
由于其独特的优势，离子束技术已经广泛应用于传感器制造、微电子器件制造、材料表面改性、能量材料制造、光学制造、生物医学和环境分析等领域，成为了许多行业的主要加工手段之一。
一、离子束技术的基本原理离子束技术是一种利用离子束与物质相互作用来加工材料的方法。
它是通过利用离子束与材料相互作用的方法来改变物质的物理、化学、结构等性质的。
离子束是一种能够通过电磁场和电场加速的带电粒子。
当它与物质相互作用时，它会与物质表面形成一个冲击区域，这会引起能量和质量转移，从而改变物质表面的结构和性质。
离子束加工的主要原理是离子束通过物质表面形成一个冲击区域，当离子束的能量足够大时，它会造成物质表面的损伤和改变。
这些改变通常包括表面结构的改变、化学键的形成和断裂、外围和体积等的缺陷，而这些改变正是改变物质性质的主要因素。
二、离子束技术的应用离子束技术已经广泛应用于各个领域，如电子学器件制造、材料科学、生物医学和化学制造等。
具体的应用如下：1.微电子器件制造离子束技术可以用于制造微电子器件和探测器。
特别是高纯硅材料的表面制造，离子束能够产生高强度的示踪剂，可以很好地摄取和检测。
此外，离子束还可以促进电阻、电导率和薄膜粘附力等化学或物理性能的形成和调节。
2.材料科学在材料科学中，离子束技术可以用来制造新型材料、合金和纳米颗粒。
一些硬度极高的材料，如氮化硅和氮化硼等，是使用离子束制备的。
此外，离子束技术还可以改变材料表面的化学性质，如改变溶液的润湿性和表面的扩散性。
3.生物医学在生物医学领域，离子束技术可以用来制造微流控器件和植入物件。
离子束可以通过微流控器件将刺激剂、药物和细胞注入到特定的细胞区域。
在植入物件方面，通过离子束加工可以制造出便于组织生长的模板和介质。
“碰撞打靶”实验中能量损失的分析
“碰撞打靶”实验中能量损失的分析
碰撞打靶实验是一种物理学实验，通过粒子束与靶材料的相互作用，观察粒子在靶材
料中发生的碰撞和发射等物理现象。
在碰撞打靶实验中，粒子束在进入靶材料之前具有一
定的能量，但进入靶材料后，粒子的能量会发生损失。
粒子在进入靶材料时，与靶材料原子核和电子发生相互作用，经历多次碰撞和散射过程，最终粒子能量会逐渐减小，这个过程被称为能量损失。
能量损失的主要原因包括靶材
料原子核和电子对粒子束的散射、电离和激发等过程。
靶材料原子核对粒子束的散射是能量损失的主要因素之一。
当粒子束与靶材料原子核
发生散射时，粒子的速度和方向会发生改变，从而导致粒子的能量发生损失。
散射过程中
能量损失与靶材料原子核的原子序数、粒子的入射速度和散射角度等因素有关，一般来说，入射速度越大，散射角度越小，能量损失越小。
除此之外，靶材料的密度和厚度等因素也会影响能量损失。
一般来说，厚度越大，能
量损失越大，密度越大，能量损失越小。
在碰撞打靶实验中，粒子在靶材料内的能量损失是不可避免的，但科学家们可以根据
粒子入射速度、靶材料原子序数、厚度等因素预测并计算能量损失的大小，从而准确地测
量粒子的能量、轨迹等物理量，为研究物理学中一系列现象提供了重要的实验手段。
综上所述，碰撞打靶实验中的能量损失来源繁多，可以通过各种因素进行分析预测。
科学家们能够准确地测量粒子的能量和轨迹，并利用得到的数据研究各种物理现象，为探
索宇宙、提高能源利用效率等领域的科学研究提供了有力的工具和基础。
材料分析测试方法
材料现代分析方法：（基于电磁辐射及运动粒子束与物质相互作用的各类性质建立）光谱分析、衍射分析、电子能谱分析、电子显微分析；（基于物理性质、电化学性质与材料的特征关系）色谱分析、质谱分析、电化学分析、热分析。
X射线产生的条件：1.以某种方式得到一定量的自由电子2.在高真空中，在高压电场作用下迫使这些电子作定向高速运动3.在电子运动路径上设障碍物，以急剧改变电子的运动速度连续谱的变化规律的产生机理：当X射线管两级间加高压时，大量电子在高压电场的作用下，以极高的速度向阳极轰击，由于阳极的阻碍作用，电子将产生极大的负加速度。
根据经典物理学的理论，一个带负电荷的电子作加速运动时，电子周围的电磁场将发生急剧变化，此时必然要产生一个电磁波，或至少一个电磁脉冲。
由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续Ⅹ射线谱。
量子理论认为，当能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子损失自已的能量，其动能的一部份以x射线光子的形式辐射出来，其余部份转变为热能。
在与阳极把相碰的众多电子中，有的辐射一个光子，有的则多次碰撞辐射多个能量各异的光子，它们的总和就构成连续谱。
激发电压：当管电压超过某临界值时，特征谱才会出现，该临界电压称激发电压。
特征X射线谱的频率只与阳极靶物质的原子结构有关，而与其他外界因素无关，是物质的固有特性。
1913-1914年莫塞莱发现物质发出的特征波长与它本身的原子序数存在下列关系：1/λ=K(Z−σ),式中，K和σ为常数。
该式称莫塞莱定律，它是X射线光谱分析的基本依据，是X射线光谱学的重要公式。
根据莫塞莱定律，将实验结果所得到的未知元素的特征X射线谱线波长，与已知的元素波长相比较，可以确定它是何种元素。
X射线与物质的相互作用：一束X射线通过物体后，其强度将被衰减，它是被散射和吸收的结果，并且吸收是造成强度衰减的主要原因。
X射线的散射（相干散射、不相干散射），X射线的吸收（光电效应、俄歇效应）俄歇效应：俄歇在1925年发现，原子中K层的一个电子被打出后，它就处于K激发状态，其能量为E K。
材料分析测试方法试题及答案
第一章电磁辐射与材料结构一、名词、术语、概念波数，分子振动，伸缩振动，变形振动（或弯曲振动、变角振动），干涉指数，晶带，原子轨道磁矩，电子自旋磁矩，原子核磁矩。
二、填空1、电磁波谱可分为3个部分：①长波部分，包括( )与( )，有时习惯上称此部分为( )。
②中间部分，包括( )、( )和( )，统称为( )。
③短波部分，包括( )和( )（以及宇宙射线），此部分可称( )。
答案：无线电波（射频波），微波，波谱，红外线，可见光，紫外线，光学光谱，X射线，射线，射线谱。
2、原子中电子受激向高能级跃迁或由高能级向低能级跃迁均称为( )跃迁或( )跃迁。
答案：电子，能级。
3、电子由高能级向低能级的跃迁可分为两种方式：跃迁过程中多余的能量即跃迁前后能量差以电磁辐射的方式放出，称之为( )跃迁；若多余的能量转化为热能等形式，则称之为( )跃迁。
答案：辐射，无辐射。
4、分子的运动很复杂，一般可近似认为分子总能量（E）由分子中各( )，( )及( )组成。
答案：电子能量，振动能量，转动能量。
5、分子振动可分为( )振动与( )振动两类。
答案：伸缩，变形（或叫弯曲，变角）。
6、分子的伸缩振动可分为( )和( )。
答案：对称伸缩振动，不对称伸缩振动（或叫反对称伸缩振动）。
7、平面多原子（三原子及以上）分子的弯曲振动一般可分为( )和( )。
答案：面内弯曲振动，面外弯曲振动。
8、干涉指数是对晶面( )与晶面( )的标识，而晶面指数只标识晶面的（）。
答案：空间方位，间距，空间方位。
9、晶面间距分别为d110／2，d110/3的晶面，其干涉指数分别为( )和( )。
答案：220，330。
10、倒易矢量r*HKL的基本性质：r*HKL垂直于正点阵中相应的（HKL）晶面，其长度r*HKL等于(HKL)之晶面间距d HKL的( )。
答案：倒数（或1/d HKL）。
11、萤石（CaF2）的（220）面的晶面间距d220=0.193nm，其倒易矢量r*220（）于正点阵中的（220）面，长度r*220=（）。
物理学中的高能粒子加速器技术
物理学中的高能粒子加速器技术一、引言物理学是自然科学中的一个重要领域，它通过对自然现象的研究，揭示了自然界的奥秘。
在这一领域，高能粒子加速器技术是一个重要工具，它能够产生高速运动的粒子，帮助科学家深入探究物质构成和宇宙演化。
二、高能粒子加速器的基本原理高能粒子加速器是通过电场和磁场作用，让带电粒子不断加速，最终达到高速运动的设备。
在一个简单的加速器中，通常包含一个加速电极、一个电源和一个控制系统。
加速电极中会产生强电场，把电子或者其他粒子加速到接近光速的速度。
具体来说，当带电粒子穿过加速电极时，它会受到电场力的作用，加速运动。
此时，粒子的能量和动量会不断增加，在电场和磁场的作用下，粒子逐渐达到高速运动的状态。
随着粒子加速，它的质量也会增加，这样就需要不断加大电场的强度，才能保证粒子继续加速。
三、高能粒子加速器的应用高能粒子加速器在物理学领域具有广泛的应用，下面列举几个典型的例子。
1、核物理研究在核物理研究中，高能粒子加速器被用来研究粒子结构和核反应。
例如，在加速器中可以加速质子，撞开原子核，研究原子核内部的粒子构成和相互作用。
同时，加速器还可以用来研究核反应的产物，例如放射性同位素等。
2、粒子物理学研究粒子物理学是研究物质最基本粒子的一门学科，高能粒子加速器在这一领域有着重要应用。
例如，通过加速器可以产生高能粒子束，利用粒子束与物质之间的相互作用，揭示物质的基本粒子构成和相互作用。
3、医学诊断在医学领域，高能粒子加速器也有着广泛的应用。
例如，放射性同位素在医学上可以用于诊断肿瘤和其他疾病，而这些同位素通常需要用高能粒子加速器来产生。
四、高能粒子加速器的发展现状高能粒子加速器技术的发展历史可以追溯到20世纪初期。
当时，还没有实现真正的加速，但是科学家们通过磁铁将粒子束沿着一条直线运动，开辟了这一领域的研究思路。
之后，随着加速技术和探测技术的发展，高能粒子加速器逐渐被广泛应用。
目前，世界上最大的高能粒子加速器是欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）。
材料现代分析方法PPT课件
第一篇 总论
（材料现代分析方法基础与概述）
第一章 电磁辐射与材料结构
第一节电磁辐射与物质波
一 电磁辐射与波粒二象性
电磁辐射（光的波动性）：在空间传播的交变电 磁场（电磁波）。
特点：不依赖物质存在；横波；同一介质中波速 不变；真空光速极限(c3108m/s)。
主要物理量：振幅；频率(Hz)；波长；相位。
• M叫谱线多重性符号，表示n与L一定的 光谱项由M个能量稍有差别的分裂能级 (光谱支项)构成。
• 能级的分裂取决于J，每一个光谱支项对 应于J的一个取值，M为J 可能取值的个 数(LS时，M=2S+1；L<S时，M=2L+1)
塞曼分裂
• 当有外磁场存在时，光谱支项将进一步 分裂为能量差异更小的若干能级，这种 现象叫塞曼(Zeeman)分裂。
真空中的相互关系：
=c
(1-1)
光的粒子性： 斯托列托夫实验（1872年，莫斯科大学）
• 实验结果 ：
• (1) 光照使真空管出现自 由电子。
• (2) 入射光的频率必须大 于某一确定值才有电子 出现，该值与真空管阴 极材料有关。
• 波动理论无法解释此现 象。
光电效应表明电磁辐射具有粒子性。
• 爱因斯坦的光电理论（1905年，1916年由 密立根实验证实）：
取值：L+S，L+S-1，…，|L-S|。当L<S 时有2L+1个值，当LS时有2S+1个值。
• M量J的称大总小磁，量取子值数：，0表，征±P1J,沿±外2,…磁,场±方J（向J分 为整数）或：0，±1/2，±3/2,…，±J(J 为半整数)。
原子的能级可用符号nMLJ表示，称为光 谱项
• 对应于L=0，1，2，3，4，… 常用大 写字母S，P，D，F，G，…表示。
高能离子束与物质相互作用的微观机理研究
项目名称：高能离子束与物质相互作用的微观机理研究首席科学家：肖国青中国科学院近代物理研究所起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：中国科学院一、研究内容本项目的核心是通过建立和强化特殊现象效应与实验条件的联系，充分发现和利用不同物质中离子束的行为与新现象，揭示离子束与物质相互作用的本质，为离子束及其相关技术在新型能源、特殊材料、先进信息等科学领域的重大应用提供科学支撑。
拟解决的关键科学问题和主要研究内容如下：科学问题一：离子束强激发产生高能量密度物质的机理特殊离子束在物质中的能量和质量沉积模式；高能、高电荷态离子与物质作用过程中电荷态的瞬变行为；离子束瞬间高密度能量沉积引起的瞬间辐射现象和过程、物质微结构和性质变化及其探测。
主要研究内容：（1）高电荷态重离子束与不同复杂物质体系（固体、稠密等离子体、纳米结构或薄膜等）相互作用规律，以及物质的结构效应、尺度效应、集体效应对重离子电荷态、能量沉积及靶物质电离与激发过程的影响。
（2）物质中强流离子束能量和质量沉积的多粒子输运过程及非线性效应理论和微观模型。
（3）离子束强激发产生的高能量密度状态物质以及瞬间辐射现象和过程、物质微结构和性质变化；离子束轰击产生瞬时激励信号的探测和实验方法。
（4）特殊粒子束与复杂物质相互作用理论模型与计算机模拟，开发出离子束在不同物质体系中能量沉积和输运过程的模拟软件。
科学问题二：强离子辐照场下的物质结构损伤离子辐照场下缺陷的产生及其演化规律；强离子辐照场下材料结构和性能演化机理；从原子尺度离子辐照缺陷的产生到宏观尺度物质结构损伤过程的建模与离子辐照损伤的多尺度模拟计算；离子辐照损伤探测新技术与方法。
主要研究内容：（1）离子辐照初级产生的缺陷，原子尺度上的缺陷行为，缺陷与缺陷、晶粒、晶界/界面区域等结构的相互作用机制。
（2）强离子辐照损伤水平条件下，材料结构演变新现象以及强辐照损伤引起材料结构和性能演化的机理。
（3）不同载能离子/粒子辐照损伤的等价关系，环境因素（如温度、磁场、电场等）对辐照损伤效应的影响。
粒子与物质相互作用-第一章_2011
32
第一章 引言
Proton Irradiation Facility at U of Michigan
33
第一章 引言
34
第一章 引言
35
MeV He irrad.
第一章 引言
High dpa irrad.
2*6 MV Tandem
H/He/HI co-irrad. Chamber
4.5 MV Van de Graaff
Jiali Li, et al. / Nature,2001,Vol. 412(12)
Z. Siwy, et al. Phys. Rev. Lett, 2002 Mara A, et al. Nano Lett, 2004
A. J. STORM, et al./Nature Materials,221003, Vol. 2
第一章 引言
nature materials | VOL 2 | AUGUST
2003 |
22
第一章 引言
Nano Lett., Vol. 6, No. 12, 2718(2006)
24
第一章 引言
Appl. Phys. Lett., Vol. 83, No. 17, 2003
25
第一章 引言
在向物质世界更深层次进军的同时，核物理学家同其它领域的 科学家们结合起来，利用核物理的知识及加速器这一工具，向原子分 子物理、固体物理以及材料、能源、化学、生物学和医学等方面渗透 与发展。这不仅大大促进了这些学科的发展和进化，也形成了一些生 命力很强的交叉学科。
3
第一章 引言
例如：
材料科学：半导体注入及光刻、载能束（离子束、电子束、X射线/同步辐射、 中子源）材料分析、金属（陶瓷、高聚物等）材料改性、核材料辐照损伤、纳 米材料及结构制备。 航天：单离子翻转、位移电流、电荷积累。 化学：离子/电子/光子束高分子接枝、电子/光子束辐照（固化、消毒）等。 环境：电子束辐照脱硫脱硝等。环境样品检测（AMS、PIXE）。 农业：载能束诱变育种等。 医学：诊断与检测；常规放疗及质子、重离子治癌等。微量元素分析。 地学：测年（AMS、裂变径迹）。 考古：测年（AMS）。 ……
粒子流灼灸仪的工作原理
粒子流灼灸仪的工作原理引言粒子流灼灸仪是一种利用高能粒子束对材料进行加工的设备，其工作原理主要涉及到粒子束的生成、加速、聚焦和与材料的相互作用过程。
本文将详细解释与粒子流灼灸仪的工作原理相关的基本原理，包括粒子束的生成、加速、聚焦以及与材料的相互作用。
1. 粒子束的生成粒子束是粒子流灼灸仪的核心部件，它由粒子源产生。
粒子源可以是离子源、电子源或中子源等，不同的粒子源会产生不同类型的粒子束。
1.1 离子源离子源是一种能够产生离子束的装置，常用的离子源有离子源发生器和离子注入器。
离子源发生器通过电离原子或分子产生离子，离子注入器则将已经产生的离子注入到加速装置中。
离子源发生器的基本原理是利用电离过程将中性原子或分子转化为带电离子。
它通常由离子源、电离室和抽气系统组成。
离子源将中性原子或分子引入电离室内，通过电离室内的电离装置对其进行电离，使其转化为离子。
电离室内通常包含电离电极和加速电极，通过施加适当的电压使原子或分子发生电离。
离子源发生器的输出离子束通常具有较低的能量和较大的束斑尺寸，需要进一步加速和聚焦。
1.2 电子源电子源是一种能够产生电子束的装置，常用的电子源有热阴极电子枪和冷阴极电子枪。
电子源发生器通过加热或冷阴极发射电子，产生电子束。
热阴极电子枪的基本原理是利用热电子发射现象将阴极表面的电子发射出来。
它通常由热阴极、阳极和加速电极组成。
热阴极通过加热使其表面电子发射，阳极和加速电极通过施加适当的电压加速电子束。
热阴极电子枪的输出电子束通常具有较高的能量和较小的束斑尺寸。
冷阴极电子枪的基本原理是利用冷阴极表面的场致发射现象将电子发射出来。
与热阴极电子枪不同，冷阴极电子枪无需加热，因此可以更快地启动和关闭。
冷阴极电子枪的输出电子束通常具有较高的电流和较小的束斑尺寸。
1.3 中子源中子源是一种能够产生中子束的装置，常用的中子源有中子发生器和中子注入器。
中子源发生器通过核反应将中子产生，中子注入器则将已经产生的中子注入到加速装置中。
材料介电常数的测量方法及应用
材料介电常数的测量方法及应用材料的介电常数是描述材料对电场的响应能力的物理量，通常用ε或εr表示。
它是材料在单位电场下的极化程度，与材料的分子结构、成分和性质有关。
测量材料的介电常数对于研究和应用材料的电学特性具有重要意义。
下面将介绍一些测量材料介电常数的方法及其应用。
1.平行板电容法平行板电容法是测量固体或液体材料介电常数最常用的方法之一、该方法利用平行板电容器的电容进行测量，通过改变电容器之间的距离或介质的性质，从而测量出不同条件下的介电常数。
其原理是根据介电常数与电容之间的关系C=εA/d。
通过测量器件的电容变化，可以得到介电常数。
平行板电容法主要应用在固体材料中，例如测量电子元器件的介电常数、研究电介质材料的性质等。
它在电路板设计中的应用很广泛，可以评估材料在电场中的行为，以确保设计的可靠性和性能。
2.微波谐振法微波谐振法是测量介电常数的一种非常精确的方法，在高频（微波）范围内使用。
它利用谐振腔的谐振模式和样品之间的相互作用，通过测量谐振频率的变化来确定介电常数。
微波谐振法适用于固体和液体材料的测量，并且可以在一定范围内测量材料的介电常数和电导率。
微波谐振法的主要应用包括材料分析和表征、无线通信系统中的射频器件设计和优化等。
它在高频电路设计和微波天线设计中有着广泛的应用。
3.粒子束共振方法粒子束共振方法是一种测量薄膜和薄层材料介电常数的方法，主要用于纳米材料和薄膜研究。
该方法利用加速电荷粒子束（例如电子束或离子束）与材料之间的相互作用，通过测量被照射材料的散射和吸收特性来确定其介电常数。
粒子束共振方法在纳米材料的研究和开发中具有重要应用，例如纳米电子器件、光电器件和生物传感器等。
它可以提供关于纳米材料结构、性质和电学性能的详细信息。
除了上述方法外，还有其他一些测量介电常数的方法，如瞬态电流法、悬臂梁法和开路法等。
这些方法根据不同的材料和测量要求选择适当的方法进行测量。
总的来说，测量材料的介电常数对于研究材料的电学性质、优化电子器件的设计和开发新的功能材料具有重要意义。
粒子与物质相互作用-第七章_2_2011
第七章一、级联碰撞荷能离子产生的损伤与溅射1、级联碰撞的概念 荷能离子的核碰撞（即弹性碰撞）会使靶原子发 生移位，即，使一部分能量传递给靶中的晶格使其进 入间隙位置，这就是初级原子移位（PKA）。
一个PKA 的出现实际上是产生了一个空位和一个间隙原子 (Frenkel pair)。
使晶格原子移位的最小能量称为移 位能或移位阈能(displacement energy)，用 Ed 表示 。
为了能够产生PKA, 所需中子能量> 1 keV, 电子能 量> 1 MeV, 离子能量> 100 eV。
1第七章荷能离子产生的损伤与溅射一般来讲，荷能离子与晶格原子碰撞会有两种 现象：一是传递给晶格原子的动能T＜Ed，则被撞击 的原子不离开晶格位置，而是以声子的形式在格点 周围振动（局域热源）；二是T＞Ed，则被撞击的原 子就可能越过势垒而离开晶格位置。
移位能的确切 计算是很复杂的，它不仅与固体的性质有关，而且 与晶格原子的反冲方向有关。
在离子束应用范围内 ，对一般靶材料，可选取Ed=20－35eV（依赖于晶体 方向）。
2第七章荷能离子产生的损伤与溅射3第七章荷能离子产生的损伤与溅射单元素金属的移位能与升华能正相关。
4第七章荷能离子产生的损伤与溅射如果移位原子的能量大于（或远大于）Ed，这 样的初级移位原子就可能象入射离子一样通过电子 激发或电离损失其能量，或者通过弹性碰撞使得其 它晶格原子移位，产生次级移位原子。
这样的过程 可以不断进行下去，直至碰撞传递的能量不足以使 得晶格原子移位。
这样一种级联碰撞移位过程就称 为级联碰撞或级联移位(collision cascade,或者 displacement cascade)，如下图。
5第七章荷能离子产生的损伤与溅射6第七章荷能离子产生的损伤与溅射TKA SKA线性级联碰撞PKA分形Energy per atom displacementsE 1E/2 2E/4 4E/2N 2N7第七章荷能离子产生的损伤与溅射2、移位原子数描述级联碰撞移位最重要的量是移位原子数。
PTFE溅射过程的仿真与实验研究
PTFE溅射过程的仿真与实验研究PTFE溅射过程的仿真与实验研究摘要：本文针对聚四氟乙烯（PTFE）的溅射过程进行了深入研究，采用了仿真和实验相结合的方法进行研究。
首先通过仿真模拟得到PTFE溅射过程中的离子轨迹和能量分布等关键参数，然后进行实验验证得到了相应的数据。
通过对仿真和实验数据的对比分析，发现仿真所得到的数据和实验数据有较好的一致性，证明了本研究方法的有效性。
在此基础上，进一步研究了影响PTFE溅射过程的参数，如离子能量、角度、种类等等。
最终得到了进一步优化PTFE溅射工艺的建议，为工业生产提供了一定的参考价值。
关键词：聚四氟乙烯；溅射；仿真；实验；参数优化1. 引言聚四氟乙烯（PTFE）是目前应用广泛的一种高分子材料，其耐高温、耐腐蚀等性能，使其在许多领域得到了广泛应用。
其中，PTFE薄膜的制备工艺中，离子溅射技术被广泛应用。
而PTFE的溅射过程会受到离子能量、角度、种类等参数的影响，因此深入研究PTFE溅射过程对于优化工艺具有重要意义。
2. 仿真模拟本研究采用了TRIM（Transport of Ions in Matter）软件对PTFE的溅射过程进行了仿真模拟。
其中，PTFE的化学组成和物理参数作为输入参数，通过TRIM软件得到了PTFE材料中离子的轨迹、能量分布等参数。
仿真结果表明，离子的能量越高，PTFE材料表面被轰击的概率也越大，同时溅射粒子的轨迹也更加直线化；而不同角度的离子轰击PTFE材料表面时，形成的削刻凸起结构的形态和大小也不同。
此外，不同种类的离子极性和质量也会影响PTFE溅射过程，但具体影响程度需要通过实验进行验证。
3. 实验验证基于仿真结果的参数，本研究进行了实验验证。
在实验中，使用离子束轰击PTFE材料表面，得到了溅射粒子的数量、角度、能量分布等参数。
通过对仿真和实验数据的对比分析，发现仿真模拟得到的离子轨迹分布、削刻凸起结构的形态和大小等参数与实验结果具有较好的一致性，说明了仿真模拟的有效性。
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11
入射电子与原子相互作用产生的各种信息
O入射电子 ●原子中的核外电子或二次电子 入射电子
12
1. 电子与固体作用产生的信号
电子激发诱导的X射线辐射强度I 电子激发诱导的 射线辐射强度 X 射线辐射强度 连续的X射线 ①连续的 射线 特征X射线 ②特征 射线 ③X射线荧光（二次特征X射线） 射线荧光（二次特征 射线） 射线荧光 射线 入射电 子流I0
第三章 用
粒子（ 粒子（束）与材料的相互作
第一节 电子束与材料的相互作用 第二节 离子束与材料的相互作用
1
第一节
电子束与材料的相互作用
一、散射 二、电子与固体作用产生的信号 三、电子激发产生的其它现象
2
入射电子照射固体时， 入射电子照射固体时，与固体中粒子的相互作用 照射固体时 包括： 包括： （1）入射电子的散射； ）入射电子的散射； （2）入射电子对固体的激发； ）入射电子对固体的激发； （3）受激发粒子在固体中的传播。 ）受激发粒子在固体中的传播。
哪些是入射电子？ 哪些是入射电子？哪些是 入射电子激发的信号？ 入射电子激发的信号？ 背散射电子流 背散射电子流IR ，包括 弹性背散射电子和非弹性 背散射电子。 背散射电子。 二次电子流 二次电子流IS ，它包括 （真）二次电子和特征二次 电子（俄歇电子） 电子（俄歇电子）
表面元素发射 的总强度I 的总强度 E 样品吸收电流 A 样品吸收电流I 吸收电流
原子中核外电子对入射电子的散射作用是一种非弹性散射。 原子中核外电子对入射电子的散射作用是一种非弹性散射。 非弹性散射 在非弹性散射过程中， 在非弹性散射过程中，入射电子所损失的能量部分转变为 部分使物质产生各种激发现象， 原子电离、 热，部分使物质产生各种激发现象，如原子电离、自由载 流子、二次电子、俄歇电子、特征X射线 射线、 流子、二次电子、俄歇电子、特征 射线、特征能量损失 电子、阴极发光、电子感生电导等 电子、阴极发光、电子感生电导等。 因为这些激发现象都是入射电子作用的结果，所以称为电 因为这些激发现象都是入射电子作用的结果，所以称为电 子激发。 子激发。
7
3. 散射截面
入射电子被原子核散射时 散射角 θ的大小与瞄准距离（ 入射电子被原子核散射时，散射角2θ的大小与瞄准距离（电子入射 电子被原子核散射 方向与原子核的距离） 原子核电荷Z 以及入射电子的加速电压V 方向与原子核的距离）rn、原子核电荷 e以及入射电子的加速电压 有关， 有关，其关系为 （3-2） ） πrn2叫做弹性散射截面，用σn表示。 叫做弹性散射截面， 表示。 弹性散射截面 入射电子与核外电子作用时 散射角2θ 当入射电子与核外电子作用时，散射角 θ为 （3-3） ） πre2为核外电子的非弹性散射截面，用σe表示。 核外电子的非弹性散射截面， 表示。
∆E = hν = h
c
λ
式中， 是普朗克常数 是光速 是普朗克常数， 是光速， 分别是X射线的频率与波长 射线的频率与波长。 式中，h是普朗克常数，c是光速，ν及λ分别是 射线的频率与波长。 射为连续X射线 此X射为连续 射线，没有特征性。 射为连续 射线，没有特征性。
6
2. 核外电子对入射电子的散射
3
一、散射
当一束聚焦电子沿一定方向射到固体上时， 当一束聚焦电子沿一定方向射到固体上时，在固体原子 的库仑电场作用下，入射电子方向将发生改变， 的库仑电场作用下，入射电子方向将发生改变，这种现 象称为（电子）散射。 象称为（电子）散射。 散射弹性和非弹性散射之分 之分。 有散射弹性和非弹性散射之分。 原子中的原子核和核外电子对入射电子均有散射作用。 原子中的原子核和核外电子对入射电子均有散射作用。 原子核 对入射电子均有散射作用
（1）入射电子的能量越大， ）入射电子的能量越大， 穿入深度越大。 穿入深度越大。 （2）电子损失的能量开始迅 ） 速增加，然后迅速减小， 速增加，然后迅速减小，直 至损失殆尽。 至损失殆尽。
入射电子在固体中传播时的能量损失曲线 （E0=1keV、3keV、5keV和8keV） 、
对比：物质对X射线的散射 对比：物质对 射线的散射
4
电子入射方向与 原子核或电子之 间的距离
苗准距离
核电荷数或 原子序数
注意： 注意：电子 经过原子核 和电子时偏 转方向不同! 转方向不同
散射角
与原子核作用 与核外电子作用
入射方向与 散射方向之 间的夹角
电子散射示意图
电子衍射及成像的基础
5
1. 原子核对入射电子的散射
透射电子流IT 透射电子流
入射电子束与固体作用产生的发射现象
13
从表面发射出去的二次电子流与入射电子流的比值 称为二次电子产额 二次电子产额， 表示。 （IS/I0）称为二次电子产额，用δ表示。
8
对一个原子序数为Z的孤立原子 对一个原子序数为 的孤立原子
弹性散射截面为σn 非弹性散射截面则为所有核外电子非弹性散射截 面之和Z 面之和 σe，则 σn/Zσe=Z 因此，原子序数越高， 因此，原子序数越高，产生弹性散射的比例就越 大。
9
4. 电子吸收
电子吸收：由于电子能量衰减而引起的强度（电子数）衰减。 电子吸收：由于电子能量衰减而引起的强度（电子数）衰减。 不同于X射线的 真吸收” 射线的“ 不同于 射线的“真吸收”。 电子被吸收时所达到的深度称为最大穿入深度 最大穿入深度（ ）。 电子被吸收时所达到的深度称为最大穿入深度（R）。
有弹性散射和非弹性散射。 弹性散射和非弹性散射。 散射损失的能量
如果是电子， 如果是电子，散射损 失的能量如何？ 失的能量如何？
电子的初始能量
半散射角 散射基元 (原子核 原子核) 原子核 的质量数 (质子数 质子数 与中子数 之和) 之和
散射角（ θ 即散射电子运动方向与入射方向之间的夹角。 散射角（2θ）即散射电子运动方向与入射方向之间的夹角。 非弹性散射损失的能量∆ 转化为 射线， 转化为X射线 非弹性散射损失的能量∆E转化为 射线，它们之间的关系是