Управление пучками положительных ионов с помощью диэлектрических каналов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ
|
Вохмянина, Кристина Анатольевна
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2007
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.16
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
Московский государственный университет имени М В Ломоносова
Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д В Скобельцына
На правах рукописи
Вохмянина Кристина Анатольевна
УПРАВЛЕНИЕ ПУЧКАМИ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ИОНОВ С ПОМОЩЬЮ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАНАЛОВ
01 04 16 - физика атомного ядра и элементарных частиц
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
ООЗЗ-БОБВ«
Москва 2007
003160668
Работа выполнена на кафедре общей ядерной физики физического факультета Московского государственного университета имени М В Ломоносова и в отделе физики атомного ядра (ОФАЯ) Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д В Скобельцына
Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,
ведущий научный сотрудник Похил Григорий Павлович
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор
Курнаев Валерий Александрович
доктор физико-математических наук, профессор Варламов Владимир Васильевич
Ведущая организация: Санкт-Петербургский Государственный
Политехнический Университет
Защита состоится 01 ноября 2007 г на заседании диссертационного совета К 501 001 06 в Московском государственном университете имени M В Ломоносова по адресу 119991, Москва, Ленинские горы, НИИЯФ МГУ, аудитория 2-15
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ Автореферат разослан « 29 » сентября 2007 года
Ученый секретарь
диссертационного совета К 501 001 06 кандидат физико-математических наук
О В Чуманова
1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
1 1 Актуальность работы
Пучки заряженных частиц в настоящее время находят широкое применение в различных областях науки Они используются в фундаментальных исследованиях (создание материалов с заданными свойствами, изучение свойств материалов и т д), в технике (ионная имплантация, электронно-лучевая сварка и т п), в медицине (лечение онкологических заболеваний) Важной задачей является транспортировка пучка к объекту исследования или обработки, поэтому проблемы, решаемые в диссертации актуальны
Проблема взаимодействия пучков с диэлектриками до настоящего времени рассматривалась в основном в связи с необходимостью нейтрализации заряда, накапливаемого диэлектриком при его облучении заряженными частицами Влияние же заряженного диэлектрика на пучок изучено относительно слабо Но в последние годы проводится ряд экспериментов, указывающих на возможность транспортировки пучков ускоренных заряженных частиц с помощью диэлектрических каналов без потери энергии и без потери начального зарядового состояния Перенос положительных ионов через диэлектрический канал без соударения со стенками впервые наблюдался недавно, в 2002 году В экспериментах в основном используются цилиндрические и конусные капилляры, поскольку их использование уже сейчас представляет большой практический интерес
Однако чтобы понять физическую основу процессов, возникающих при взаимодействии ионов с поверхностью диэлектрика, необходимы численные и теоретические модели Такие модели проще построить для т н плоских капилляров, которые состоят из двух диэлектрических пластин, расстояние между которыми много меньше их длины Данная работа посвящена исследованию транспортировки заряженных частиц с помощью плоских
стеклянных капилляров Основные модельные предположения и выводы, сделанные в работе, могут быть использованы для изучения прохождения ионов через диэлектрические капилляры любой формы Кроме того, в ходе работы с плоскими каналами был получен новый эффект двойного управления пучками ионов, теоретическая модель которого также построена в диссертации
1 2 Цель работы
Целью настоящей диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследования прохождения пучков положительных ионов через плоские диэлектрические каналы и анализ свойств поверхностной проводимости диэлектриков при воздействии на них скользящих пучков ионов
1 3 Научная новизна работы
Впервые проведены экспериментальное и теоретическое исследования прохождения пучков положительных ионов через плоские диэлектрические каналы Впервые экспериментально обнаружен и объяснен эффект двойного управления пучками положительных ионов с помощью плоских диэлектрических капилляров Впервые показано, что поверхностная проводимость диэлектрика скачкообразно зависит от величины заряда, накопленного на нем, при воздействии на эту поверхность скользящих пучков ионов
1 4 Практическая и научная ценность работы
Работы по взаимодействию скользящих пучков с диэлектриками ранее не проводились Эта проблема возникла в связи с обнаружением эффекта бесконтактного прохождения ионов через цилиндрические диэлектрические капилляры Исследования прохождения ионов через плоские капилляры позволяет глубже понять изменение свойств поверхности диэлектрика,
подвергающегося облучению ионами, что важно для практического применения эффекта управления пучками с помощью капилляров Проведенные исследования позволяют подойти к проблеме изучения поверхностной проводимости диэлектриков при воздействии на них ионизирующего излучения Диэлектрические капилляры имеют широкие перспективы практического применения, в частности, в медицине и биологических исследованиях, и уже в настоящее время ведутся эксперименты по прицельной бомбардировке ядра биологической клетки единичными ионами
1 5 Основные положения, выносимые на защиту
1 Теоретическое доказательство того, что прохождение пучка через капилляр в области транспортировки обеспечивают два механизма воздействия заряда, возникающего на стенке канала, на движущиеся ионы Первый механизм обусловлен действием краевых сил, за которые ответственна конечная длина канала Эти силы обеспечивают движение частиц при условии, что аспектное отношение канала не слишком велико При большом аспектном отношении в средней части капилляра транспортировку ионов обеспечивает однонаправленная градиентная сила Миллера-Гапонова
2 Экспериментальное исследование и модель захвата пучка в режим управляемого движения при входе пучка в наклоненный капилляр
3 Метод исследования поверхностной проводимости изолятора при наличии заряда на его поверхности и одновременном воздействии скользящего пучка ионов
4 Экспериментальное обнаружение и теоретическая модель нового явления - двойного управления пучком ионов с помощью плоского диэлектрического капилляра Явление заключается в том, что плоский капилляр управляет пучком ионов не только при наклоне капилляра, но и при
повороте капилляра вокруг оси, перпендикулярной его плоскости, т е без нарушения симметрии относительного положения пучка и капилляра 1 6 Достоверность научных результатов и выводов подтверждается использованием стандартных методов работы с пучками положительных ионов, применением надежных методов моделирования изучаемых процессов и согласием ряда результатов с результатами других авторов для цилиндрических капилляров
1 7 Личный вклад автора
Все результаты, представленные в диссертации, получены при непосредственном участии автора в экспериментах по транспортировке пучка ионов через плоские капилляры, в обработке экспериментальных данных и в моделировании изучаемых процессов
1 8 Апробация работы
Материалы диссертации апробированы на семинарах по взаимодействию
излучения с веществом ЛВИВ НИИЯФ МГУ и на семинарах лаборатории
атомной физики научно-исследовательского центра RIKEN (Япония)
Результаты диссертации докладывались и обсуждались
1 На 17-ой Международной конференции ВИП - 2005, Звенигород,
2005 г
2 На 35, 36 и 37-ой Международных конференциях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, 2005, 2006 и 2007 г
3 На Международной конференции SCCS (Strongly Coupled Coulomb Systems), Москва, июнь 2005 г
4 На конференции «Ломоносов-2005», Москва, апрель 2005 г
5 На 21-ой Международной конференции по уравнениям состояния вещества, Эльбрус, март 2006 г
6 На 16-ой Международной конференции по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям ESACCEL, Обнинск, июнь, 2006 г
7 На 3-й Международной конференции SPARC, Париж, Франция, февраль, 2007 г
1 9 Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 5 статьях и 9 тезисах докладов, представленных на указанных в разделе 1 8 конференциях Полный список публикаций приведен в конце автореферата
110 Структура и объем диссертации
Диссертация включает в себя 49 рисунков, введение, три главы, заключение и список литературы (29 работ) Общий объем диссертации - 104 страницы
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении сформулированы цели и задачи диссертации, новизна и практическая значимость полученных экспериментальных и теоретических результатов Дан краткий обзор основных работ, посвященных проблеме транспортировки положительных ионов через цилиндрические и конусные капилляры
В главе 1 проведен анализ области транспортировки ионов в диэлектрическом канале, т е анализ возможных механизмов бесконтактного прохождения ионов через капилляр Во введении изложены принятые представления о том, что на поверхности капилляра формируется определенное распределение заряда, создающее поле, под воздействием которого частицы пучка перестают сталкиваться со стенками, и большая доля их проходит через капилляр без потерь энергии и без перезарядки Сначала на основе этих представлений было проведено компьютерное моделирование процессов движения ионов в цилиндрических капиллярах Было показано, что заряд, образующийся на поверхности диэлектрика, не формирует в цилиндрических каналах макроструктур, которые могли бы представлять собой либо линзы Энзеля, либо квадрупольные линзы Распределение заряда оказывается практически однородным по длине и аксиально-симметричным
Для построения более светосильных теоретических моделей распределения заряда на стенках капилляра было решено перейти к исследованию плоских каналов Оказалось, что механизм бесконтактного прохождения ионов через диэлектрические каналы может быть объяснен двумя причинами
При бесконечной длине капилляра поле внутри него отсутствует Поэтому естественно ожидать, что за появление поперечных сил, обеспечивающих бесконтактную транспортировку ионов, в первую очередь
ответственны краевые эффекты (п 1) Краевые силы вычисляются аналитически Поперечная составляющая силы поля, возникающего в плоском канале длиной Ь при расстоянии между плоскостями с1, дается выражением, которое приближенно можно записать в виде
1
х
Р. (х,г) = 4а е— Ь
При 2» (I
— 1- — Д ь
1 +-^-, при г~с1 ¿>>й?
(здесь х, т. - поперечная и продольная координаты соответственно, а— поверхностная плотность заряда)
Из формулы видно, что вдали от торцов (при г > (I) сила линейно зависит от л: Т е во всем канале кроме его концов потенциал квадратично зависит от поперечной координаты х Если длина канала не слишком велика, то краевые эффекты играют решающую роль в формировании поперечных сил и прекрасно объясняют бесконтактное прохождение ионов через канал Но, как видно из формулы, эта сила в средней части канала становится очень малой при большом аспектном отношении, и фокусирующее действие канала уже нельзя объяснить краевыми силами Это значит, что должен существовать другой механизм, который обеспечил бы бесконтактное прохождение пучка ионов через очень длинный канал
Известно, что быстро осциллирующая сила, действующая на частицу, приводит к возникновению однонаправленной силы, т н градиентной силы (силы Миллера-Гапонова) Заряд, возникающий на поверхности диэлектрика, является дискретным Благодаря кулоновскому отталкиванию система зарядов стремится образовать двумерный кристалл Тепловое движение препятствует организации полностью упорядоченной структуры Но должна образовываться структура типа "поликристалла" Это приводит к появлению осциллирующей силы при быстром движении иона вдоль поверхности
заряженного изолятора Поэтому в пространстве между двумя заряженными плоскостями образуется потенциальная яма (п 2, п 3) В последнем параграфе первой главы представлена модель, плотность поверхностного заряда в которой взята из экспериментальной работы N Stolterfoht, et al II Phys Rev Lett 2002 V 88, p 133201
Образующийся градиентный потенциал вполне достаточен, чтобы обеспечить "бесконтактное" прохождение ионов через капилляр Для иона Ne7+, движущегося вдоль капилляра под углом — 015° к его оси получаем
Эта аналитическая оценка подтверждена компьютерным моделированием Таким образом, показано, что два механизма краевые силы и градиентные силы Миллера достаточны для обеспечения "бесконтактного" прохождения ионов через капилляр при произвольном аспектном отношении капилляра
Глава 2 посвящена исследованию области рассеяния ионов при входе в диэлектрический канал
Эффект управления для плоского капилляра, т е отклонение пучка ионов при наклоне капилляра, исследовался для ионов Аг+8 Эксперимент нами был проведен в научном центре Я1КЕЫ, Япония Эксперимент показал, что зависимость проходящего тока от угла наклона капилляра меняется после пропускания через него большого тока (рис 1) Это означает, что какое-то свойство поверхности, существенное для управления пучком, меняется при обработке ее большим током
Затем была построена теоретическая модель, в которой, чтобы объяснить экспериментальные результаты, было введено предположение о скачкообразной зависимости поверхностной проводимости облучаемого изолятора от величины наведенного на ней заряда (рис 2)
-2 -15 -1 -0 5 0 «5 ф (.к-гс-е)
13кУ/я Аг_8+
Ч> Лед
Рис 1 Экспериментально измеренная зависимость проходящего тока от угла наклона капилляра а - до работы с большим током, б - после модификации поверхности большим током (500 нА)
При достижении поверхностной плотности заряда некоторой критической величины ст0, проводимость резко возрастает на порядки При таком предположении модель отклонения пучка можно сформулировать следующим образом
При падении пучка ионов под углом (р (рис 3) к оси капилляра после завершения переходных процессов и установления стационарного состояния, некоторая часть пучка {¡3) поддерживает плотность заряда <т0 на участке
плотность заряда 11
Рис 2 Зависимость поверхностной проводимости изолятора стенки от поверхностной плотности заряда плоского капилляра при воздействии пучка ионов
Рис 3 Схема движения ионов при отклонении пучка от оси капилляра
верхней пластины капилляра длиной I Плотность заряда на всей длине I постоянна и равна ао, т к при превышении этой величины благодаря ступенчатой зависимости проводимости (рис 2) излишек заряда мгновенно сбрасывается Величина необходимой части пучка {¡3) определяется длиной /, а длина I определяется тем, какой путь необходимо пройти ионам в однородном поле 2пао, создаваемом поверхностным зарядом, чтобы отклониться на угол^ На оставшемся участке капилляра ионы движутся так же, как при нулевом угле входа пучка в капилляр (область транспортировки)
Доля пучка падающих ионов, которая требуется для поддержания заряда на поверхности верхней пластины, необходимого для прохождения остальных ионов через капилляр
Е
Р = <Р1
ге 2л"сг„
Если Р становится равным поперечному размеру пучка й, то пучок перестает проходить через капилляр Отсюда получаем критический угол прохождения пучка через капилляр
j2тtzeгd --— д/сг.
Второй критический угол, характеризующий угловую зависимость прохождения пучка, соответствует ситуации, при которой вся длина верхней пластины капилляра уже заряжена и больше увеличиваться не может Отсюда, необходимая для отклонения на угол (р длина /
Такая ситуация возникает, если значения су0 или Ь не достаточно велики Если (р > ср 2, то перекрытие пучка происходит чисто геометрически, и форма угловой зависимости становится близкой к трапециевидной На рис 4 показано поведение критических углов (р 1 и (р 2 как функции сг0 Видно, что есть некоторая граничная величина <т ; слева от которой будет наблюдаться трапециевидная форма угловой зависимости, а справа -параболическая Из уравнения <р / = <р 2 получим положение границы
получаем
ше2Ь
2Ы
-Тр.
те Ь
<р 2
Рис 4 Зависимость критических углов (р / и (р 2 от оо
В нашем эксперименте длина капилляра не менялась, следовательно, форма угловой зависимости изменилась из-за того, что после обработки стенок капилляра большим током поверхность модифицировалась так, что величина критической поверхностной плотности заряда о» стала меньше
Модель позволила удовлетворительно объяснить полученные эффекты, что говорит о справедливости сделанного предположения Таким образом, можно утверждать, что обнаружено новое интересное свойство поверхностной проводимости изолятора, находящегося под воздействием ионного облучения
В главе 3 приведены описания экспериментов, в которых впервые был получен эффект двойного управления ионами с помощью плоских диэлектрических капилляров А также дано модельное описание полученного эффекта и показаны результаты расчетов, сделанных на основе изложенной модели
Схема эффекта управления пучком ионов при повороте плоского диэлектрического капилляра вокруг вертикальной оси без нарушения положения плоскости капилляра показана на рисунке 5 Впервые эффект был экспериментально обнаружен в НИИЯФ МГУ, а ^ затем повторно воспроизведен нами в Японии На рисунке 6 приведен результат
эксперимента по управлению пучком протонов с помощью плоского
i
стеклянного капилляра, полученный в НИИЯФ в 2005 году Пучок следует за капилляром в пределах 1 град Затем возвращается к исходному направлению Это наблюдение означает, что пучок, заряжая поверхность стенки, создает на ней какую-то структуру, которая сохраняется после поворота капилляра, п<эворачивается вместе с капилляром и заставляет пучок тоже поворачивать вслед за поворотом гониометра Эффект был надежно подтвержден недавним экспериментом, проведенным нами в научном центре RIKEN (Япония) Благодаря новой методике измерения удалось получить количественное описание эффекта двойного управления На рисунке 7 представлен график зависимости сдвига пятна на экране от угла поворота плоского капилляра
длиной 76 мм. Из графика видно, что пучок следует за поворотом капилляра в отношении один к одному в пределах градуса.
Рис.5 Схематичное изображение эффекта двойного управления пучком с помощью плоского диэлектрического капилляра при его повороте без нарушения положения плоскости на угол в (вид сверху)
.1 □ *
угол смещения следя гту^кл. грчд
Рис.6 Смещение следа пучка на флюоресцирующем экране при повороте пластин
Для объяснения полученного эффекта была создана модель на основе предположения о том, что поверхностная проводимость изолятора под
действием пучка изменяется, она увеличивается в области непосредственно под пучком из-за возбуждения электронов в приповерхностном слое изолятора В соседних частях поверхности, на которые не падают ионы пучка, проводимость существенно ниже Поэтому положительный заряд, образующийся в области под пучком за счет кулоновского расталкивания, стекает к границе области хорошей проводимости Поскольку на участках, где пучок непосредственно не взаимодействует с поверхностью, проводимость н язкая, заряд накапливается Таким образом, образуется распределение заряда, которое в направлении, поперечном движению ионов, имеет высокие брустверы вдоль границы области поверхности, подверженной воздействию частиц пучка Эта модель была проверена с помощью компьютерного моделирования Результаты расчетов удовлетворительно описывают эффект двойного управления
Рис 7 Зависимость сдвига пятна на экране от угла поворота плоского капилляра длиной 76 мм (сплошная линия соответствует следованию пучка повороту капилляра в соотношении один к одному)
Основные результаты и выводы
В диссертационной работе впервые исследована транспортировка пучков положительных ионов через плоские диэлектрические капилляры Обнаружен и исследован новый эффект - двойное управление пучком ионов с помощью таких каналов Обычное управление пучком осуществляется поворотс!м капилляра таким образом, что пучок ионов изменяет направление движения благодаря взаимодействию с наклоненной стенкой диэлектрического канала Эффект двойного управления заключается в том, что пучок изменяет направление движения не только при наклоне капилляра, но и при повороте плоского капилляра с сохранением ориентации его плоскости Созданы физические модели для объяснения обнаруженных эффектов
• показано, что транспортировка ионов в капилляре брз контакта со стенками обеспечивается кулоновскими силами, связанными с краевым эффектом, и градиентными силами, возникающими благодаря дискретной структуре заряда стенки канала,
• впервые экспериментально исследована «прозрачность» плоских капилляров при различных углах падения пучка относительно оси капилляра,
• на основе теоретической модели, объясняющей движение ионов в области рассеяния, показано, что пучок ионов отклоняется лишь один раз, не испытывая перерассеяния на противоположной стенке канала При этом обнаружено интересное свойство диэлектриков, заключающееся в том, что при воздействии скользящего пучка ионов на диэлектрик его поверхностная проводимость скачкообразно зависит от заряда, который накапливается на стенке канала,
• разработана конструкция плоских диэлектрических капилляров, позволившая впервые наблюдать и затем неоднократно
воспроизводить эффект двойного управления пучками положительных ионов,
• отработана методика проведения экспериментов по двойному управлению пучками протонов с энергией до 400 кэВ на ускорителе КГ-500 (НИИЯФ МГУ) и ионов Аг8+ с энергией до 100 кэВ на установке в исследовательском центре ШКЕЫ (Япония),
• впервые экспериментально показано, что пучок ионов следует за капилляром при его повороте без нарушения ориентации его плоскости вокруг оси, перпендикулярной плоскости капилляра, причем происходит поворот один к одному,
• построена теоретическая модель, объясняющая управление пучком при повороте пластин капилляра без нарушения ориентации их плоскости
3. СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ
1. К A Vokhmyamna, L A Zhilyakov, V S Kuhkauskas, V Р Petukhov, G Р Pokhil, Proton beam transportation via quarts tube // Proceedings of SPIE -The International Society for Optical Engineering, Bellmgham, Washington, USA, 2005 Vol 5943, p 35-39
2. К А Вохмянина, Л А Жиляков, А В Костановский, В С Куликаускас, Г П Похил, В П Петухов, А Ф Тулинов, Транспортировка пучка протонов через кварцевую трубку// Поверхность 2005 №3, с 55-58
3. Г П Похил, В П Петухов, К А Вохмянина, Л А Жиляков, А Ф Тулинов, Транспортировка и фокусировка пучков заряженных частиц с помощью диэлектрических каналов // Труды 17 Межд конф ВИП - 2005 Звенигород, 25 - 29 августа 2005, с 194 - 199 (расширенные тезисы)
4. Г П Похил, К А Вохмянина, Транспортировка и фокусировка пучков заряженных частиц с помощью диэлектрических каналов // Тез докл XXXV Межд конф по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами Москва, 31 мая - 2 июня 2005, с 22
5. К A Vokhmyamna, L A Zhilyakov, А V Kostanovsky,
V S Kuhkauskas, V Р Petukhov, G Р Pokhil, Transportation and focusing j}f accelerated protons beams by means of dielectric channels, SCCS 2005, poster 2005, 20-25 June, Moscow, Russia
6. К А Вохмянина, Г П Похил, Транспортировка и фокусировка пучков заряженных частиц с помощью диэлектрических каналов // Тез докл конференции «Ломоносов-2005», апрель 2005 Т 1,с 32
7. К А Вохмянина, Л А Жиляков, Г П Похил, В Б Фридман, А Ф Тулинов, Модель транспортировки пучков заряженных частиц в диэлектрических каналах // Поверхность 2006 №4, с 94-100
8. Г П Похил, К А Вохмянина, В Б Фридман, Л А Жиляков, Т Ikeda,
Y Iwai, Т Kojima, Y Kanai, Y Yamazaki, Двойной эффект управления
19
пучком ионов с помощью плоского капилляра // Тез докл XXXVI Межд конф по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами Москва, 30 мая - 1 июня 2006, с 20
9. JI А Жиляков, К А Вохмянина, А В Костановский, Г П Похил, В В Фридман, А Ф Тулинов, Механизм самоизоляции пучков ускоренных заряженных частиц при их скользящем взаимодействии с диэлектрической поверхностью // Тез докл XXI Межд конф по уравнениям состояния вещества, Эльбрус, Россия, 1-6 марта, 2006, с 121
10. К А Вохмянина, Л А Жиляков, В С Куликаускас, Г П Похил, В П Петухов, В Б Фридман, Эффект управления пучками ионов с помощью диэлектрических капилляров // Тез докл XVI Межд конф по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям ESACCEL, Обнинск, Россия, 6-8 июня, 2006
11. К A Vokhmyanina, LA Zhilyakov, AV Kostanovsky,
V S Kulikauskas, V P Petukhov, G P Pokhil, Transportation and focusing of accelerated proton beams by means of dielectric channels // Phys A Math Gen 3') (2006) 4775—4779(http //www юр org/EJ/abstract/-search=29664073 1/0305-4470/39/17/S73)
12. Г П Похил, В П Петухов, К А Вохмянина, Л А Жиляков, В Б Фридман, А Ф Тулинов, Транспортировка и фокусировка пучков заряженных частиц с помощью диэлектрических каналов // Изв РАН, серия Физическая, 2006 Том 70, №6, с 828-833
13. Г П Похил, К А Вохмянина, Л А Жиляков, Y Yamazaki, Т Ikeda,
Y Kanai, T Kojima, Y Iwai, Особенности прохождения ионов через плоский капилляр // Тез докл XXXVII Межд конф по физике взаимодействия зápяжeнныx частиц с кристаллами Москва, 29 мая - 31мая 2007, с 19
14. Г П Похил, К А Вохмянина, Дрейфовая модель guiding эффекта // Тез докл XXXVII Межд конф по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами Москва, 29 мая — 31 мая 2007, с 29
Подписано в печать 25 09 200 7 Формат 60x84/16 Бумага офсетная Гарнитура «Тайме» Печать цифровая Печ л 2,09 Тираж 100 зкз Заказ № Т-474
Отпечатано в типографии «КДУ» Тел /факс (495) 939-40-36 E-mail press@kdu ru
Введение.
Краткий обзор литературы.
Глава 1. Анализ области транспортировки ионов в диэлектрическом канале.
1.1 Модель движения частиц в цилиндрическом канале.
1.2 Упрощенные модели для цилиндрического и плоского каналов.
1.3 Механизм транспортировки заряженных частиц (краевые эффекты, силы
Миллера). п. 1 Краевые эффекты. п.2 Сипы Миллера. п.З Движение ионов в плоском канале, образованном двумя параллельными одномерными решетками. п.4 О возможности образования двумерного кулоновского кристалла на поверхности диэлектрика.
Глава 2. Анализ области рассеяния ионов.
2.1 Экспериментальное исследование зависимости тока ионов, прошедших через капилляр, от угла падения пучка на капилляр.
2.2 Теоретическая модель управления пучком ионов, проходящих через плоский капилляр.
Глава 3. Эффект двойного управления пучком положительных ионов с помощью плоских диэлектрических каналов.
3.1 Экспериментальное исследование эффекта. п.1 Эксперимент с пучком протонов. п.2 Эксперимент с пучком Аг
3.2 Модель эффекта двойного управления пучком с макрораспределением поверхностного заряда на стенке плоского капилляра.
Актуальность работы
Пучки заряженных частиц в настоящее время находят широкое применение в различных областях науки. Они используются в фундаментальных исследованиях (создание материалов с заданными свойствами, изучение свойств материалов и т. д.), в технике (ионная имплантация, электронно-лучевая сварка и т. п.), в медицине (лечение онкологических заболеваний). Важной задачей является транспортировка пучка к объекту исследования или обработки, поэтому проблемы, решаемые в диссертации актуальны.
Проблема взаимодействия пучков с диэлектриками до настоящего времени рассматривалась в основном в связи с необходимостью нейтрализации заряда, накапливаемого диэлектриком при его облучении заряженными частицами. Влияние же заряженного диэлектрика на пучок изучено относительно слабо. Но в последние годы проводится ряд экспериментов, указывающих на возможность транспортировки пучков ускоренных заряженных частиц с помощью диэлектрических каналов без потери энергии и без потери начального зарядового состояния. Перенос положительных ионов через диэлектрический канал без соударения со стенками впервые наблюдался недавно, в 2002 году. В экспериментах в основном используются цилиндрические и конусные капилляры, поскольку их использование уже сейчас представляет большой практический интерес.
Однако чтобы понять физическую основу процессов, возникающих при взаимодействии ионов с поверхностью диэлектрика, необходимы численные и теоретические модели. Такие модели проще построить для т. н. плоских капилляров, которые состоят из двух диэлектрических пластин, расстояние между которыми много меньше их длины. Данная работа посвящена исследованию транспортировки заряженных частиц с помощью плоских стеклянных капилляров. Основные модельные предположения и выводы, сделанные в работе, могут быть использованы для изучения прохождения ионов через диэлектрические капилляры любой формы. Кроме того, в ходе работы с плоскими каналами был получен новый эффект двойного управления пучками ионов, теоретическая модель которого также построена в диссертации.
Цель работы
Целью настоящей диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследования прохождения пучков положительных ионов через плоские диэлектрические каналы и анализ свойств поверхностной проводимости диэлектриков при воздействии на них скользящих пучков ионов.
Научная новизна
Впервые проведены экспериментальное и теоретическое исследования прохождения пучков положительных ионов через плоские диэлектрические каналы. Впервые экспериментально обнаружен и объяснен эффект двойного управления пучками положительных ионов с помощью плоских диэлектрических капилляров. Впервые показано, что поверхностная проводимость диэлектрика скачкообразно зависит от величины заряда, накопленного на нем, при воздействии на эту поверхность скользящих пучков ионов.
Практическая значимость
Работы по взаимодействию скользящих пучков с диэлектриками ранее не проводились. Эта проблема возникла в связи с обнаружением эффекта бесконтактного прохождения ионов через цилиндрические диэлектрические капилляры. Исследования прохождения ионов через плоские капилляры позволяет глубже понять изменение свойств поверхности диэлектрика, подвергающегося облучению ионами, что важно для практического применения эффекта управления пучками с помощью капилляров. Проведенные исследования позволяют подойти к проблеме изучения поверхностной проводимости диэлектриков при воздействии на них ионизирующего излучения. Диэлектрические капилляры имеют широкие перспективы практического применения, в частности, в медицине и биологических исследованиях, и уже в настоящее время ведутся эксперименты по прицельной бомбардировке ядра биологической клетки единичными ионами.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Теоретическое доказательство того, что прохождение пучка через капилляр в области транспортировки обеспечивают два механизма воздействия заряда, возникающего на стенке канала, на движущиеся ионы. Первый механизм обусловлен действием краевых сил, за которые ответственна конечная длина канала. Эти силы обеспечивают движение частиц при условии, что аспектное отношение канала не слишком велико. При большом аспектном отношении в средней части капилляра транспортировку ионов обеспечивает однонаправленная градиентная сила Миллера-Гапонова.
2. Экспериментальное исследование и модель захвата пучка в режим управляемого движения при входе пучка в наклоненный капилляр.
3. Метод исследования поверхностной проводимости изолятора при наличии заряда на его поверхности и одновременном воздействии скользящего пучка ионов.
4. Экспериментальное обнаружение и теоретическая модель нового явления - двойного управления пучком ионов с помощью плоского диэлектрического капилляра. Явление заключается в том, что плоский капилляр управляет пучком ионов не только при наклоне капилляра, но и при повороте капилляра вокруг оси, перпендикулярной его плоскости, т. е. без нарушения симметрии относительного положения пучка и капилляра.
Апробация работы:
Основные результаты работы докладывались на международных конференциях и совещаниях:
1. На 17-ой Международной конференции ВИП - 2005, Звенигород, Россия, август 2005 г.
2. На 35, 36 и 37-ой Международных конференциях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва, Россия, 2005, 2006 и 2007 года.
3. На Международной конференции SCCS (Strongly Coupled Coulomb Systems), Москва, Россия, июнь 2005 г.
4. На конференции «Ломоносов-2005», Москва, апрель 2005 г.
5. На 21-ой Международной конференции по уравнениям состояния вещества, Эльбрус, Россия, март 2006 г.
6. На 16-ой Международной конференции по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям ESACCEL, Обнинск, Россия, июнь, 2006 г.
7. На 3-й Международной конференции SPARC, Париж, Франция, февраль, 2007 г.
Результаты работы обсуждались на семинарах по взаимодействию излучения с веществом ЛВИВ НИИЯФ МГУ и на семинарах в лаборатории атомной физики научно-исследовательского центра RIKEN, Япония.
Личный вклад автора
Все результаты, представленные в диссертации, получены при непосредственном участии автора в экспериментах по транспортировке пучка ионов через плоские капилляры, в обработке экспериментальных данных и в моделировании изучаемых процессов.
Публикации
1. К.A. Vokhmyanina, L.A. Zhilyakov, V.S. Kulikauskas, V.P. Petukhov, G.P. Pokhil, Proton beam transportation via quarts tube // Proceedings of SPIE -The International Society for Optical Engineering, Bellingham, Washington, USA, 2005. Vol.5943, p. 35-39.
2. K.A. Вохмянина, Л.А. Жиляков, A.B. Костановский, B.C. Куликаускас, Г.П. Похил, В.П. Петухов, А.Ф. Тулинов, Транспортировка пучка протонов через кварцевую трубку// Поверхность 2005. №3, с. 55-58.
3. Г.П. Похил, В.П. Петухов, К.А. Вохмянина, Л.А. Жиляков, А.Ф. Тулинов, Транспортировка и фокусировка пучков заряженных частиц с помощью диэлектрических каналов // Труды 17 Межд. конф. ВИП - 2005. Звенигород, 25 - 29 августа 2005, с. 194 - 199 (расширенные тезисы).
4. Г.П. Похил, К.А. Вохмянина, Транспортировка и фокусировка пучков заряженных частиц с помощью диэлектрических каналов // Тез. докл. XXXV Межд. конф. по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Москва, 31 мая - 2 июня 2005, с. 22.
5. К.А. Vokhmyanina, L.A. Zhilyakov, A.V. Kostanovsky, V.S. Kulikauskas, V.P. Petukhov, G.P. Pokhil, Transportation and focusing of accelerated protons beams by means of dielectric channels, SCCS 2005, poster 2005,20-25 June, Moscow, Russia.
6. К.А. Вохмянина, Г.П. Похил, Транспортировка и фокусировка пучков заряженных частиц с помощью диэлектрических каналов // Тез. докл. конференции «Ломоносов-2005», апрель 2005. Том 1, с. 32.
7. К.А. Вохмянина, Л.А. Жиляков, Г.П. Похил, В.Б. Фридман, А.Ф. Тулинов, Модель транспортировки пучков заряженных частиц в диэлектрических каналах // Поверхность 2006. №4, с. 94-100.
8. Г.П. Похил, К.А. Вохмянина, В.Б. Фридман, Л.А. Жиляков, Т. Ikeda, Y. Iwai, Т. Kojima, Y. Kanai, Y. Yamazaki, Двойной эффект 7 управления пучком ионов с помощью плоского капилляра // Тез. докл. XXXVI Межд. конф. по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Москва, 30 мая - 1 июня 2006, с. 20.
9. JI.A. Жиляков, К.А. Вохмянина, A.B. Костановский, Г.П. Похил, В.В. Фридман, А.Ф. Тулинов, Механизм самоизоляции пучков ускоренных заряженных частиц при их скользящем взаимодействии с диэлектрической поверхностью // Тез. докл. XXI Межд. конф. по уравнениям состояния вещества, Эльбрус, Россия, 1-6 марта, 2006, с. 121.
10. К.А. Вохмянина, JI.A. Жиляков, B.C. Куликаускас, Г.П. Похил, В.П. Петухов, В.Б. Фридман, Эффект управления пучками ионов с помощью диэлектрических капилляров // Тез. докл. XVI Межд. конф. по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям ESACCEL, Обнинск, Россия, 6-8 июня, 2006.
11. К.А. Vokhmyanina, L.A. Zhilyakov, A.V. Kostanovsky, V.S. Kulikauskas, V.P. Petukhov, G.P. Pokhil, Transportation and focusing of accelerated proton beams by means of dielectric channels //. Phys. A: Math. Gen. 39 (2006) 4775-4779 (http://www.iop.org/EJ/abstract/-search=29664073.1/0305-4470/39/17/S73)
12. Г.П. Похил, В.П. Петухов, К.А. Вохмянина, JI.A. Жиляков, В.Б. Фридман, А.Ф. Тулинов, Транспортировка и фокусировка пучков заряженных частиц с помощью диэлектрических каналов // Изв. РАН, серия Физическая, 2006. Том 70, №6, с. 828-833.
13. Г.П. Похил, К.А. Вохмянина, JI.A. Жиляков, Y. Yamazaki, Т. Ikeda, Y. Kanai, Т. Kojima, Y. Iwai, Особенности прохождения ионов через плоский капилляр // Тез. докл. XXXVII Межд. конф. по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Москва, 29 мая - 31мая 2007, с. 19.
14. Г.П. Похил, К.А. Вохмянина, Дрейфовая модель guiding эффекта // Тез. докл. XXXVII Межд. конф. по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. Москва, 29 мая - 31мая 2007, с. 29.
Краткий обзор литературы
В 80-х годах была экспериментально продемонстрирована и исследована транспортировка и фокусировка импульсных сильноточных электронных пучков (энергия пучка до 800 кэВ, ток - до 80 кА) в вакуумных каналах с диэлектрическими стенками [1,2]. В вакуумном канале с металлическими стенками в отсутствии внешних фокусирующих полей пучок быстро расширяется и уходит на стенки. Однако в вакуумной камере в канале с диэлектрическими стенками пучок может сам создать условия для своего прохождения без контакта со стенками. Авторы работ [1,2] предложили следующее объяснение этого явления. На входе в канал фронтальная часть электронного сгустка рассыпается под действием сил пространственного заряда, и электроны пучка заряжают стенки канала до напряжения пробоя. В результате пробоя вблизи стенок образуется слой плазмы. Поле пространственного заряда основной части сгустка электронов вытягивает из плазмы ионы, которые, ускорившись, по инерции проникают в центр сгустка и компенсируют силы расталкивания электронов. Таким образом, фронтальная часть каждого сгустка пучка на всех участках канала обеспечивает условия беспрепятственного прохождения остальной части электронов.
Перенос положительных ионов через диэлектрический канал без соударения со стенками впервые наблюдался в 2002 году [3]. В работе исследовалось прохождение пучков многозарядных ионов Ne7+ через диэлектрические нанокапилляры с большим, порядка 100, аспектным отношением (отношение длины капилляра к его внутреннему диаметру), которые создавались следующим образом. Сначала пленка PET (polyethylene terephthalate) толщиной 10 мкм облучалась быстрыми ионами ксенона (несколько сотен МэВ), затем треки ионов химически травились в щелочи NaOH. В результате образовывались прямые капилляры диаметром 100 нм и длиной 10 мкм. Чтобы избежать зарядки фронтальной и задней поверхностей пленки и обеспечить стекание заряда, на обе поверхности напылялся слой золота толщиной около 30 нм.
Пучок ионов Ne с энергией 3 кэВ и током 1.3 нА пропускался через пленку под углом 0° к оси каналов, и на выходе исследовалось зарядовое состояние прошедших через капилляры ионов. Оказалось, что большая часть ионов сохраняет свое начальное зарядовое состояние, как если бы ионы не испытывали соударений со стенками. (Это удивительно, т. к. многозарядные ионы при движении в канале должны перезаряжаться благодаря захвату электронов с внутренних стенок канала.)
Причем первые несколько минут выход Ne был незначительным, но с течением времени он увеличивался и примерно через 3 мин. достигал насыщения (рис.1).
Затем ось капилляра наклоняли относительно оси пучка, и обнаружилось, что ток прошедшего пучка слабо меняется в пределах от -5 до +5 градусов. Захват ионов в капилляр наблюдался даже при наклоне на 25°, причем пик выхода прошедших ионов также отклоняется на 25°, т. е. капилляры оказывают направляющее действие на пучок (рис.2). Этот эффект был назван guiding-эффектом или эффектом управления пучком с помощью диэлектрического капилляра. Позже подобные результаты были неоднократно воспроизведены и исследовались для PET пленок [4-11] и при работе с капиллярами в изоляторах SiCb [11,12] и AI2O3 [13]. В большинстве
7+ экспериментов использовались пучки многозарядных ионов Ne с энергиями от 1 до 10 кэВ. Наряду с неоном в ряде работ исследовалась транспортировка ионов молекулярного водорода Н2+ и Нз+ с энергией 1 кэВ через PET пленки [9], транспортировка протонов с энергией 240 кэВ через стеклянные (боросиликатные) трубки длиной до 25 см и диаметром 0.2 мм [14]. Во всех экспериментах наблюдается эффект guiding-a.
Рис.1 Зависимость тока прошедших ионов Ие7+ [3], не испытавших перезарядку, от времени ю4 5
5 ю1 о К о К
10'
Ч ' • 1 1 1 " 1 ' ТГ"ТТ' ' ' Ч"Т",Т» • • • г 1 - 0' еС 3keV Ne'-on PET
-5 /
•\0°J j \ т"
ISV \ Ад / 0' / Ж15" ш \ ■ •20°jL V Л----| Л. . 1 ■ . . J i« ! f ]л>20с, /\Л . . . I Л . . 1 . .V
•25 -го -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 угол, град.
Рис.2 Угловое распределение ионов Ne7+, прошедших через капилляры в PET [3] (узкий пик в центре соответствует угловому распределению ионов, прошедших через капилляр, внутренняя поверхность которого была покрыта серебром)
Образованием плазмы этот эффект объяснить нельзя, т. к. объемный заряд пренебрежимо мал из-за малой плотности тока пучка. По мнению авторов [3-13,15], guiding-эффект является следствием самоорганизации системы пучок-капилляр за счет того, что ионы определенным образом заряжают стенки каналов. Было предположено, что в канале образуются две заряженные области: область рассеяния (scattering) и область транспортировки (guiding) (рис.3).
Предположение о наличии области транспортировки объясняется тем, что при любом повороте капилляров относительно оси пучка ширина углового распределения на выходе одна и та же. Т. е. пучок, пройдя определенный путь, как бы «забывает» изначальный угол входа, и движение во второй области продолжается так, как будто ионы вошли под нулевым углом к оси капилляра. В области рассеяния ионы падают на стенку до тех пор, пока на ее поверхности не образуется заряженное «пятно», которое препятствует дальнейшей зарядке стенки и способно отклонять все ионы пучка на определенный угол, практически параллельно оси капилляра. Далее частицы пучка, испытывая соударения со стенкой, подзаряжают ее. Постепенно образуется область, в которой основная часть пучка, потерявшая память о начальном направлении, транспортируется без взаимодействия со стенкой до выхода из капилляра. Причем эффективный потенциал удержания ионов Ne от соударения со стенками в области транспортировки можно оценить по расходимости пучка ±2.5 град, (после области рассеяния), он составляет порядка 1В. Авторы [3] оценили полный заряд, образующийся на стенке каждого капилляра в PET пленке при прохождении многозарядных ионов. Он оказался равен приблизительно 5500 е. Если предположить, что заряд равномерно распределяется на внутренней поверхности капилляра, то среднее расстояние между зарядами составляло около 25 нм. Однако, по мнению авторов [3], из-за слишком большой длины трубки поле в ней мало (в бесконечном капилляре поле равно 0) и недостаточно для транспортировки ионов.
Область трапа юртыроши
Рис.3 Схема движения ионов в капилляре [3]
Авторы [3] предположили, что заряд на внутренней поверхности капилляра распределен неравномерно по азимуту, т. е. может образовывать систему квадрупольных линз.
Эволюция тока в капилляре описывается следующим уравнением: о-ШО)-/,(б(')) (1) где 10 -ток ионов, падающих на вход капилляра, /, - ток прошедших ионов и Id -ток стекающих из капилляра зарядов. Затем авторы [4-5] вводят из общих соображений довольно экзотическую экспоненциальную зависимость тока разрядки от заряда, накопленного на поверхности капилляра. Созданная таким образом модель достаточно неплохо описывает полученные экспериментальные результаты, но, по мнению авторов, является лишь одним из возможных теоретических объяснений эффекта guiding и нуждается в дальнейшей доработке.
Для того чтобы определить вид распределения заряда на внутренней стенке капилляров в PET пленке при прохождении через нее многозарядных ионов был проведен ряд компьютерных расчетов [16]. Результаты расчетов затем сравнивались с экспериментальными результатами работ [3] и [11]. В работе [16] исследовался коэффициент прохождения ионов через капилляры и угловое распределение прошедших частиц на выходе. В расчетной программе были учтены зарядка поверхности падающими на стенку ионами, а также разрядка стенок за счет диффузии. Поскольку коэффициент диффузии зарядов по поверхности и в объеме материала PET неизвестен, то использовался один свободный параметр, а именно, характерное время разрядки, введенное в работе [3]. Этот параметр в модели варьировался для достижения результатов, наиболее близких к экспериментальным. Оказалось, что расчеты хорошо описывают экспериментально измеренные временные зависимости при значении свободного параметра, на порядок меньше измеренного в эксперименте [3]. Кроме того, расчетная ширина углового распределения прошедших через капилляры ионов оказалась много меньше реально измеренной для PET пленок и удовлетворительно описывала угловое распределение для капилляров в SiC>2. Авторы [16] связывают полученные расхождения компьютерных расчетов с экспериментальными данными со специфическими свойствами поверхностной проводимости материала PET. Более широкое угловое распределение в эксперименте они объясняют возможным образованием некоторого объемного заряда пленки вблизи выхода капилляров, который увеличивает расходимость пучка на выходе.
В работах, выполненных в 2001—2003 годах в НИИЯФ [17,18], изучалось взаимодействие скользящих пучков протонов с поверхностью диэлектрической пластины. Схема эксперимента следующая (рис.4). В вакуумной камере пучок протонов (диаметр пучка 1 мм, энергия от 50 до 500 кэВ, ток частиц от 0.5 до 100 мкА) направлялся вдоль поверхности диэлектрической (стеклянной) пластины и прижимался к ней с помощью электрического поля плоского конденсатора (пластина располагалась на отрицательной обкладке конденсатора). Длина отклоняющего конденсатора 130 мм, расстояние между его пластинами 10 мм. Отклоняющий конденсатор закреплялся на гониометре, позволяющем менять угол наклона плоскости конденсатора по отношению к пучку. На пластины конденсатора подавалось напряжение от 0 до 5000 В. Для изучения геометрических характеристик пучка после прохождения через указанную систему, за конденсатором помещался экран, покрытый сцинтиллятором. Расстояние от оси падающего пучка до диэлектрической пластины 1.5 мм. След исходного пучка - круг диаметром 1 мм. При постепенном увеличении напряжения на конденсаторе, прижимающего пучок к стеклянной пластине, сначала отмечалось смещение следа пучка на экране, затем происходило касание пластины (рис.5). При дальнейшем повышении напряжения сечение пучка преобразовывалось из круглого в тонкую (серповидную) изогнутую в направлении от пластины полосу с длиной в несколько раз превышающей диаметр исходного пучка.
1 А
Рис.4 Схема экспериментальной установки: 1- направление движения пучка; 2 - щелевая диафрагма; 3 - квадрупольная линза; 4 - диэлектрическая пластина; 5 - отклоняющий конденсатор; 6 - гониометр; 7 - экран, покрытый сцинтиллятором [17,18]
Рис.5 Зависимость смещения следа пучка на экране от отклоняющего напряжения [17,18]
Также было замечено, что при напряжении 2000 В след пучка разделяется на две области с повышенной интенсивностью свечения по краям. Между этими областями имеется промежуток с пониженной интенсивностью в центре. Измерение энергетических спектров ионов показало, что движение пучка вдоль поверхности происходит без ионизационных потерь энергии.
Таким образом, экспериментально было показано, что при прохождении пучка протонов, прижимаемого к диэлектрической пластине электрическим полем и падающего на поверхность под малым углом, поверхность диэлектрика приобретает одноименный с пучком заряд и вблизи поверхности создается электростатическое поле, изолирующее пучок от непосредственного контакта с поверхностью пластины.
Для более детального изучения структуры пучка движение частиц было промоделировано на компьютере. Результаты, полученные численным моделированием, качественно совпали с экспериментальными результатами и показали, что указанное выше взаимодействие обладает свойством самоорганизации - электризация поверхности диэлектрика происходит таким образом, что при этом обеспечиваются условия скольжения пучка вдоль поверхности без ионизационных потерь энергии.
Группа японских ученых не так давно опубликовала работу [19], в которой экспериментально изучалась фокусировка пучка ионов гелия с энергией 2 МэВ и интенсивностью 7*104 ионов/(с*мм2) диэлектрическим капилляром, имеющим форму конуса (рис.6). Пучок частиц проходил через стеклянный капилляр, длина которого 50 мм, диаметр входного отверстия 0.8 мм, выходного — 0.8 мкм. Максимальный выход ионов составил 1.8 % от входного пучка, это означает, что плотность частиц на выходе из капилляра увеличилась более чем на 4 порядка по сравнению с первоначальной плотностью пучка. Причем прошедшие ионы не испытали значительных энергетических потерь. Авторы работы предположили, что такое поведение
Display О
Secondary electron tector
Inlet ilia. 0.8mm Deflector \(П) |
1mm2 Scan
Fixed to 2-axis goniometer
12mm,
Display
Рис.6 Схема экспериментальной установки [19] пучка объясняется поверхностным каналированием, т. е. тем, что ионы, падающие на поверхность под очень малыми углами скольжения, отражаются от нее практически зеркально. Они также не исключили возможность зарядки стенок капилляра, однако такая электростатическая зарядка, по мнению авторов [19], лишь мешает бесконтактному прохождению ионов через канал.
В этот же период в НИИЯФ проводилось исследование [20] по прохождению протонов с энергией 0.1-0.3 МэВ через кварцевые трубки длинной 100 мм и диаметром 1.6 мм. Было обнаружено, что при параксиальном расположении трубки относительно направления распространения доля прошедшего пучка составляет примерно 80% исходного. Прохождение пучка через трубку наблюдалось и при отклонении оси трубки от направления пучка в пределах 3°. Объяснялся этот эффект следующим образом. В первые моменты прохождения пучка протоны сталкиваются со стенкой трубки и заряжают ее, забирая на себя заряд протона и благодаря электронной эмиссии. Столкновения частиц со стенкой происходят до тех пор, пока не образуется поверхностный заряд, создающий поле, которое отклоняет протоны от стенки. Таким образом, имеет место самоорганизация системы пучок - заряд стенки. Проводились также эксперименты по прохождению пучка через капилляр, имеющий форму конуса (длина 50 мм, диаметр входного отверстия 1.5 мм, диаметр выходного отверстия 0.5 мм). На выходе из конуса наблюдалось увеличение плотности пучка до 5 раз по сравнению с первоначальной плотностью.
В 2006 году была опубликована работа японских исследователей, в которой представлены результаты экспериментов по прохождению многозарядных ионов (Аг8+) с энергией 8 кэВ и током пучка порядка 0.1-0.01 пА через стеклянные конические капилляры длиной 5 см [21]. В экспериментах использовались капилляры с входными диаметрами 2 мм и 0.8 мм и выходными диаметрами 55 мкм и 24 мкм соответственно. Плотность пучка на выходе при его падении вдоль оси капилляра увеличивалась в 10 раз.
При прохождении через такие капилляры ионы сохраняли свое начальное зарядовое состояние даже при наклоне капилляров на угол ±100 мрад и управлялись капиллярами при повороте в соотношении один к одному (рис.7).
Авторы работы [21] объясняют полученные эффекты, так же как и авторы других работ по управлению пучками с помощью капилляров[3-15], образованием на внутренней поверхности капилляров самоорганизующейся системы зарядов, препятствующей столкновению проходящих ионов со стенками капилляра.
В настоящее время продолжается проведение экспериментов по транспортировке пучков различных ионов через пленки PET, трубки и капилляры в форме конусов [22-25]. Все эксперименты свидетельствуют о существовании эффекта управления пучком с помощью диэлектрических каналов различных форм.
Таким образом, эксперименты по прохождению заряженных частиц через диэлектрические капилляры указывают на самоорганизующийся характер взаимодействия пучка ионов со стенками капилляра, если он изготовлен из хорошего изолятора. Данная работа посвящена теоретическому и экспериментальному анализу, а также численному моделированию процессов взаимодействия заряженных частиц с поверхностью изолятора при их прохождении через каналы.
2 & Е з & з о V
•5 м о V м с о •п с
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 ТЛипк ап£1е оГ Ае сарШагу [тгай]
Рис.7 Зависимость положения пика пучка проходящих через конический капилляр ионов от угла поворота капилляра (в левом верхнем углу представлен сдвиг позиции пятна прошедшего пучка при повороте капилляра, полученный с помощью позиционно чувствительного детектора) [21]
Заключение
В диссертационной работе впервые исследована транспортировка пучков положительных ионов через плоские диэлектрические капилляры. Обнаружен и исследован новый эффект - двойное управление пучком ионов с помощью таких каналов. Обычное управление пучком осуществляется поворотом капилляра таким образом, что пучок ионов изменяет направление движения благодаря взаимодействию с наклоненной стенкой диэлектрического канала. Эффект двойного управления заключается в том, что пучок изменяет направление движения не только при наклоне капилляра, но и при повороте плоского капилляра с сохранением ориентации его плоскости. Созданы физические модели для объяснения обнаруженных эффектов.
• показано, что транспортировка ионов в капилляре без контакта со стенками обеспечивается кулоновскими силами, связанными с краевым эффектом, и градиентными силами, возникающими благодаря дискретной структуре заряда стенки канала;
• впервые экспериментально исследована «прозрачность» плоских капилляров при различных углах падения пучка относительно оси капилляра;
• на основе теоретической модели, объясняющей движение ионов в области рассеяния, показано, что пучок ионов отклоняется лишь один раз, не испытывая перерассеяния на противоположной стенке канала. При этом обнаружено интересное свойство диэлектриков, заключающееся в том, что при воздействии скользящего пучка ионов на диэлектрик его поверхностная проводимость скачкообразно зависит от заряда, который накапливается на стенке канала;
• разработана конструкция плоских диэлектрических капилляров, позволившая впервые наблюдать и затем неоднократно воспроизводить эффект двойного управления пучками положительных ионов,
• отработана методика проведения экспериментов по двойному управлению пучками протонов с энергией до 400 кэВ на
О I ускорителе КГ-500 (НИИЯФ МГУ) и ионов Аг с энергией до ЮОкэВ на установке в исследовательском центре ШКЕЫ (Япония),
• впервые экспериментально показано, что пучок ионов следует за капилляром при его повороте без нарушения ориентации его плоскости вокруг оси, перпендикулярной плоскости капилляра, причем происходит поворот один к одному;
• построена теоретическая модель, объясняющая управление пучком при повороте пластин капилляра без нарушения ориентации их плоскости.
1. Крастелев Е.Г., ЯблоковБ.Н. II Письма в ЖТФ, 1977. Т.З, №15, с. 115.
2. Агафонов A.B., Айрапетов А.Ш., Коломенский A.A. и др. И Физика плазмы, 1981. Т.7, №2, с. 267.
3. N. Stolterfoht, J.-H. Bremer, V. Hoffmann et al. //Phys.Rev.Lett. 2002. V.88, p. 133201.
4. N. Stolterfoht, V. Hoffmann et al.//Nucl. Instr. and Meth. in Phys. 2003. В 203, p. 246-253.
5. N. Stolterfoht, R. Hellhammer, Z.D. Pes~\с et al. //Vacuum 2004. У.13, p. 31
6. R. Hellhammer, P. Sobocinski, Z.D. Pester, J. Bundesmann et û/.//Nucl.Instr.and Meth. in Phys. 2005. В 232, p. 235-243.
7. R. Hellhammer, Z.D.Pesic, P. Sobocinski et al.// Nucl. Instr. and Meth. in Phys. 2005. В 233, p. 213-217.
8. Gy. Vitkor, R.T. Rajendra Kumar, Z.D. Pesic //Nucl. Instr. and Meth. in Phys. 2005. В 233, p. 218-221.
9. N. Stolterfoht, R. Hellhammer, P. Sobocinski H Nucl. Instr. and Meth. in Phys.2005. В 235, p. 460-467.
10. N. Stolterfoht, R. Hellhammer, J. Bundesmann, D. Fink, Y. Kanai, M. Hoshino //in press.
11. W.M.B. Sahana, P. Skog, Gy. Vikor, R.T. Rajendra Kumar, R. Schuch II Phys. Rev.2006. A 13 (4), p. 040901(R).
12. R.T.R. Kumar, X. Badel, G. Vikor //Nanotechnology 2005. V.16 (9), p. 1697.
13. P. Skog, I.L. Soroka, A. Johansson and R. Schuch //Nucl. Instr. and Meth. in Phys. 2007. В 258, p. 145-149.
14. Ф.Ф.Комаров, A.C. Камышан, A.E. Лагутин II Тез. Докл. XXXVII Межд. конф. по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, Москва,2007. с. 26.
15. К. Schiessl, W. Palfinger, К. Tokesi, H Nowotny II Phys. Rev. 2005. A 72, p. 062902
16. К. Schiessl, W. Palfinger, С. Lemell, J. Burgdorferi/Nucl. Instr. and Meth. in Phys. 2005. В 232, p. 228-234.
17. Жиляков Jl.A., Костановский A.B., Иферов Г.А и др.// Поверхность, 2002, №11, с. 65.
18. Жиляков Л.А., Костановский A.B., Куликаускас В.С и др.// Поверхность, 2003, №4, с. 6.
19. Т. Nebiki, Т. Yamamoto, T.Narusava //J. Vac. Sei. Technol. 2003. A 21(5), p. 1671.
20. K.A. Вохмянина, Л.А. Жиляков, A.B. Константиновский и др.// Поверхность, 2005,№3, с. 55-58.
21. T.lkeda, Y.Kanai,T.M.Kojima et al//App. Phys. Let. 2006. V.89,163502.
22. Y. Yamazaki // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. 2007. В 258, p.139-144.
23. K. Schiessl, W.Palfmger, K.Tokesi et al. // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. 2007. В 258, p.150-154.
24. Y.Kanai, M.Hoshino, T.Kambara et al. // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. 2007. В 258, p.155-158.
25. R. Hellhammer, J.Bundesmann, D. Fink, N. Stolterfoht // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. 2007. В 258, p. 159-162.
26. A.B. Гапонов, M. А. Миллер//ЖЭТФ, 1958. T.34, c.751.
27. A.B. Гапонов, M. А. Миллер//ЖЭТФ, 1958. T.34, c.242.
28. Ландау Л.,Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Механика, Т.1, раздел «Движение частиц в быстро осциллирующем поле». Наука, Москва, 1988г.
29. M.I.Dykman //E.Y. Andrei(ed.), Two-Dimensional Electron Systems, 1997. P.89-123, Kluwer Academic Publishers.
