利用锥形毛细管的聚焦效应获取低速高电荷态离子微束

The slow highly charged ions (HCIs) microbeam has an extensive application prospect. The focusing effect of ions passing through a tapered capillary provides a new method to obtain slow HCIs microbeams with simple structure and low cost. Based on the 320 kV platform for multi-discipline research with highly charged ions at the Institute of Modern physics, Chinese Academy of Sciences, which is able to produce high-current slow HCI beam, the present proposal will devote particular attention to investigate the focusing mechanisms of slow HCIs passing through a tapered capillary systematically both in experiments and with the Monte-Carlo simulations. And then the relative importance of different mechanisms such as self-organized charging and discharging of the inner-wall and multiple small-angle scattering will be extracted in different experiment conditions. Emphasis will be given to unravel the depentence of the focusing effect on the dimension parameters of a capillary such as the material, length, outlet diameter and taper angle, as well as the influence of these parameters on the current, beam size and energy spread of the transmitted beam. Thus the optimum dimension parameters of a tapered capillary will be selected to produce high-current slow HCIs microbeams with high-quality but low cost.

低速高电荷态离子微束具有广泛的应用前景。锥形毛细管对离子聚焦效应的发现为实现结构简单、成本低、强流低速高电荷态离子微束提供了新的实用方法和技术。本项目将基于中国科学院近代物理研究所的320kV高电荷态离子综合研究平台，充分利用该平台能够提供强流低速高电荷态离子的特点，通过系统的实验测量和Monte-Carlo模拟，着重研究锥形毛细管对低速高电荷态离子的聚焦机制，明确管内壁自组织充放电机制和多次小角度散射机制在不同条件下的贡献；认清锥形毛细管材质、长度、出口内径、锥角与聚焦效应的关系，以及它们对出射束流流强、束斑尺寸和能量分散的影响，从而获取最佳的毛细管规格参数，实现高品质、低成本的强流低速高电荷态离子微束。

绝缘毛细管对离子的导向聚焦效应是获取强流低速（几百keV）高电荷态离子微束的一种新方法和技术，对导向和聚焦效应机制的认知决定了所获微束的品质。研制了穿透式法拉第筒（束流密度计）和具有位置分辨的多通道皮安计系统；制备了不同规格的锥形毛细管；建立了离子与毛细管相互作用的自洽场模型；设计了特殊构型的毛细管，利用强流带电粒子束开展了相应的实验。.穿透式法拉第筒（束流密度计）已用于入射带电粒子束密度的实时监测及束流通过毛细管管后即时传输效率的获取。测量范围涵盖pA—μA量级；无需拦截束流中断实验测量，提高了束流利用效率；可降低测量过程中束流强度变化引入的不确定性。具有位置分辨的多通道皮安计系统已用于获取出射束流的流强分布及位置信息。最新版本的皮安计系统有128 通道，每道位置分辨为0.3 mm，灵敏度好于5fA，可独立选量程（5 pA—200 nA）及实时采样（5 Hz）。这些独特的装置和技术使我们成为国际上唯一能够同时获得强出射带电粒子束的电荷态、能量、出射偏转角和角分布信息的研究组。研究发现了几百keV离子的不完全导向现象及沉积电荷释放方式的出人意料之处——自身电场作用下沿表面迁移损失不再占主导地位，可能在入射束流的轰击下释放到真空中。本项目拓展了强流条件下自组织演化过程的认知，为利用毛细管获取强流低速高电荷态离子微束奠定了基础。