纳米孔和玻璃毛细管对离子束的导向作用课件

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 Ne7+ 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; dependence 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。 l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 Nanocapillaries 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 Capillary 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。 l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 。 l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 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) 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： （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 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 拟值，空心三角形为 实验值。 K. Schiessl et al,Simulation of guiding of multiply charged projectiles through insulating capillaries, PHYSICAL REVIEW A 72, 062902 (2005) 对PET纳米孔中导向机制的总结 1.实验分析和模拟计算均表明： （1）电荷在纳米孔中的分布不是均匀的，在有倾角入 射的情况下，大多数电荷累积在距离入口很近的区域 内，形成一个有很强电场的散射区。在管中部形成电 荷分布稀疏的导向区，在出口处，离子还会受到一个 散射势的作用，形成一定的散角。 对PET纳米孔中导向机制的总结 不同的区域，离子的出射几率所对应的表达式不 同 离子经历入口区和散射区后的出射几率为： 其基本的物理意义是：离子动能的垂直分量按高斯分布 ，其值小于入口区电场所产生电势能的离子，被反弹回 去，能沿管继续传播。 对PET纳米孔中导向机制的总结 离子经历导向区后的出射几率为： 物理意义：导向区的势场大小为Ug,由于实际上fg可近似为 1，这一项也可以在计算中省略。 对PET纳米孔中导向机制的总结 （2）出口区域的散射势与入口区累积电荷的多少存 在联系，但这种联系或许并不唯一，散射势本身的起 源目前尚是一件有待研究的课题，可能存在多种影响 散射势大小的因素。 玻璃毛细管聚束 玻璃毛细管聚束技术是纳米孔导向作用的推广： 2002年，纳米孔阵列对HCIs的导向作用首次发表 2003年，玻璃毛细管对高能轻离子的聚束作用发表 2006年，玻璃毛细管对HCIs的聚束作用发表 对高能轻离子的聚束 管的入口内径Din=0.8mm, 出口内径Dout=0.3 m， 入射束流: 2MeV,He+ 出射束流: 2MeV,He +，即使在毛细管与入射束成一定夹角 时，也有出射束，夹角越大，出射比越低（如下图所示） 出射束流密度比入射束流高,最高时竟达1.8104倍 对HCIs的聚束 管的入口内径Din=0.8mm, 出口内径Dout=24 m， 入射束流: 8keV,Ar8+散角87mrad（ 5） 出射束流: 8keV,Ar8+散角5mrad, 出射束流长时间稳定，出射束流密度比入射束流高（ 如下图所示） 对聚束作用的初步研究（管锥角大小与聚束 ） 不同锥角的玻 璃毛细管对离 子束的聚束效 果不同 锥角越小，越 有利于聚焦高 能重离子束。 对玻璃毛细管聚束机制的初步研究 玻璃毛细管的聚束作用机制，对于HCIs来说，电荷积 累产生的电场导向作用是主要原因。 对于高能离子来说，由于能量很高，电场本身的作用 势大小不足以提供散射的能量，这时小角散射可能是 聚束的主要原因。 毛细玻璃管聚束技术的应用 粒子物理 无论是+子还是- 子，粒子流密度 的提高都与出口 内径（或管的锥 度）成同样的函 数关系。 Kojima T M, Tomono D, Ikeda T, Ishida K, Iwai Y, Iwasaki M, Matsuda Y, Matsuzaki T and Yamazaki Y 2007 J. Phys. Soc. Jpn. 76 9 093501 毛细玻璃管聚束技术的应用 直写技术 利用出口内径为8 微米的玻璃毛细 管聚束进行无掩 膜直写的X形图 案，（AFM像） T Ikeda, etal, Production of a nm sized slow HCI beam with a guiding effect, Journal of Physics: Conference Series 58 (2007) 6873 毛细玻璃管聚束技术的应用 环境分析（外 束PIXE） 图中A为玻璃毛 细管，B为X射 线探测器，C 为一滴污泥样 品. In-air PIXE analysis by means of glass capillary optics，T Nebiki, MH Kabir, T Narusawa - Nuclear Inst. and Methods in Physi