离子在绝缘微孔中的导向实验和理论模拟研究

发布时间：2018-01-06 07:34

  本文关键词：离子在绝缘微孔中的导向实验和理论模拟研究　出处：《中国科学院研究生院(近代物理研究所)》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：近十几年来,低速高电荷态离子在绝缘微孔中的导向研究受到广泛关注,这主要得益于纳米技术的发展和微孔导向在实际应用中的潜在价值。因为金属微孔的电导率比较大,所以导向效应是绝缘微孔特有的一种物理现象。当离子进入倾斜的绝缘微孔后,离子会与微孔内壁碰撞而沉积电荷产生库仑场;当库仑场足够强时,离子不能与微孔内壁发生近碰撞,从而抑制离子与内壁上的原子发生电荷交换;离子经过多次偏转后,失去方向记忆,并以初始电荷态沿轴孔轴线出射,这就是所谓的自组织充电机制。本文主要从实验、理论分析和理论模拟三个方面研究了绝缘微孔对离子的导向效应。本文的实验是在中国科学院近代物理研究所320 k V高电荷态离子综合实验平台完成的上完成的。主要测量了7 200 ke V的H+2离子穿过多孔锥形PC孔膜的透射角分布。实验中证明了锥孔对离子的聚焦效应;此外,我们还发现7 50 ke V H+2离子穿过PC微孔后的角分布具有双肩峰结构—离子出射强度在0?有一个低谷(dip);这些双肩峰结构在能量升高后消失。因为随着能量的增加,双肩峰之间的距离随着离子能量的增加而增大,这与导向机制的预言违背,并且实验中也没有观察到离子对PC微孔的充电效应,所以双肩峰现象是由区别于导向的其他机制引起的。通过与他人的实验比较,我们认为双肩峰现象可能是由离子在锥孔内受到小角度的散射引起的。根据电荷守恒和Frenkel-Poole机制,对微孔导向进行了理论分析。通过渐近分析,发现,入射电流对微孔的充电时间近似等于由平衡沉积电荷量和Frenkel-Poole机制共同决定的放电时间,证明了充电时间和微孔的本征放电时间之间的关系;由于引入Frenkel-Poole机制,沉积电荷随入射电流的增大变化非常缓慢,从而可以解释实验中观察到的现象—离子出射率随入射电流轻微增大;另外还提出了一个解析表达式描述微孔导向出射率的时间演化,这个表达式既可以描述平衡导向出射,也可以描述阻塞出射。最后,模拟了低能离子在绝缘微孔中的导向过程。模拟程序重现了自组织充电机制,离子完成导向之前会在微孔内形成2 3个电荷斑。由于沉积电荷在微孔材料表面的输运过程,在达到导向平衡时,只有一个电荷斑位于微孔的入射口处。微孔内部电场的最大值与微孔的倾斜角和离子的能量几乎无关。微孔对离子的导向主要通过改变微孔电场的有效长度来完成,而不是通过改变电场强度。模拟结果还表明能量高的离子达到平衡出射的时间小于能量低的离子,这与实验结果符合;并且实验中观察到的导向效应的质量无关性也在模拟中得到证实,这说明微孔在操纵离子时不需要考虑离子的质量。我们也对Me V离子微束的导向进行了初步探讨,发现束流的电流和发散度对Me V离子微束导向有重要的影响。
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本文编号：1386910