中低能区离子在锥型管中传输机制的理论研究

摘要

中低能离子微束具有广泛的应用前景，目前的研究对其在锥形管中的输运机制尚未有明确的认识。本论文主要对中低能区离子在锥形管中的输运机制以及特性进行深入研究。基于自主编程和蒙特卡洛方法，计算了中低能区质子以及低能高电荷态离子在锥形管中的动态输运过程。模型中主要考虑了三种物理过程，即表面沉积电荷长程库仑力作用、表面原子集体散射以及表面以下随机碰撞。为了对离子输运物理机制进行细致分析，程序中对离子运动轨迹进行标记。　　对于中能区质子的输运，通过对其穿透率、角分布的动力学演化过程进行分析发现：表面沉积电荷增强了质子在表面发生集体散射的几率，进而增加了质子的穿透率，即质子在锥形管中的输运机制为电荷斑辅助的表面集体散射效应。质子能量为100 keV时，其聚焦倍数为5~6倍。在这种作用机制下，质子穿透率随能量增加呈Ep?1趋势下降，与实验结果相符。这样的动力学演化过程分析有助于为中能区离子在锥形管中的输运提供清晰的图像。通过分析不同形状锥形管对质子的聚焦能力发现：中能区质子输运对锥形管形状有很强的依赖性，标准锥形管有利于形成强的中能微束。　　对于低能区离子的输运，其主要物理机制为电荷斑的导向效应。计算验证了透射离子角分布振荡以及半高宽增大过程，这些与锥形管内电荷斑的建立过程相对应，当电荷分布达到平衡时，离子沿导向方向出射。通过计算得到，高电荷态离子在锥形管中输运的标度律与其在微孔膜中类似。透射离子的穿透率以及半高宽与√q/Ep近似呈线性关系，标准锥形管有利于形成稳定的低能微束。

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第一章 研究背景

1.1低能高电荷离子在绝缘孔中的导向效应

1.2 低能高电荷态离子（HCI）与锥形管作用

1.2.1 锥形管以及锥形孔的制作工艺

1.2.2 利用锥形管产生低能高电荷态离子微束的装置

1.2.3 8 keV Ar8+离子与锥形管作用的实验研究

1.2.4 锥形管的形状对离子输运特征的影响

1.2.5 温度对离子输运的影响

1.3 高能带电离子与锥形管相互作用

1.4 中能区带电粒子与锥形管相互作用

1.5 电子与锥形管相互作用

1.6 本工作的意义

参考文献

第二章 不同能区粒子在锥形管中输运的理论研究进展

2.1 离子与绝缘体表面作用电荷交换效应

2.2 电荷斑的移动和输运

2.3低能高电荷态离子与锥形管作用理论计算

2.4高能离子与锥形管作用模拟计算

2.5电子与绝缘材料作用模拟计算

2.6总结

参考文献

第三章 理论计算模型

3.1 表面沉积电荷的导向势

3.1.1离子与表面电荷交换

3.1.2沉积电荷加速

3.1.3 沉积电荷的移动

3.2表面原子散射势

3.3表面以上离子运动方程构建

3.4表面以下随机碰撞

3.4.1弹性散射

3.4.2非弹性散射

3.4.3离子在固体内部运动的电荷交换效应

3.4.4带电离子与绝缘体材料作用的二次电子发射

3.5锥形管的定义

3.6离子入射时间间隔、角度以及聚焦倍数的定义

3.7离子入射方向的定义

参考文献

第四章 计算结果讨论与分析

4.1中能区质子在锥形管中输运

4.1.1 锥形管尺寸对质子输运的影响

4.1.2 100 keV质子在锥形管中输运的动力学演化过程

4.1.3 中能区质子在锥形管中输运与能量的关系

4.1.4 中能区质子输运与偏转角的关系

4.1.5 锥形管的锥角对聚焦倍数的影响

4.1.6锥形管的形状对聚焦倍数的影响

4.1.7入射束流强度对中能区质子输运的影响

4.1.8小结

4.2低能离子在锥形管中输运

4.2.1低能质子在锥形孔中的输运

4.2.2 低能高电荷离子在锥形管中的输运

4.2.3 锥形管形状对低能高电荷态离子输运的影响

4.2.4 5~27 keV Ar8+离子穿过锥形管标度律研究

4.2.5 小结

参考文献

总结与展望

在学期间的研究成果

致 谢

附录