100-keV质子在聚碳酸酯微孔膜中传输的动态演化过程

本工作测量了100 keV质子穿过倾角为+1°的聚碳酸酯(PC)纳米微孔膜后, 出射粒子电荷态、位置的分布以及相对穿透率随时间的演化. 实验发现, 100 keV(E/q约为100 kV)质子穿过绝缘纳米微孔的物理机理与keV能区的导向过程有根本的不同. 在实验测量初期, 微孔内部无电荷沉积, 质子主要通过在微孔内表面以下的多次随机二体碰撞过程为主要传输机理; 而当充放电平衡后, 微孔内部有明显的电荷斑, 主要传输机理为电荷斑辅助的表面以上(或近表面)的镜面散射行为. 这一物理图像使质子穿过微孔的物理认识更加深入和完整, 也将促进百千电子伏质子微束的应用.     

30 keV He~(2+)在不同倾斜角度的聚碳酸酯微孔膜中的传输过程

本文测量了30 keV的He~(2+)入射倾斜角度分别为-0.5~?,-1~?,-1.5~?和-2.5~?的聚碳酸酯纳米微孔膜后,出射粒子角度分布、电荷态分布以及相对穿透率随时间的演化.当微孔膜倾斜角度在-0.5~?,-1~?和-1.5~?时,出射的He~(2+)离子始终保持在入射束流方向,出射的He~0原子出射方向由微孔孔道方向逐渐转移到入射束流方向,在实验过程中观测到明显的电荷交换,这一现象与之前发现的导向效应不同,微孔内部沉积的电荷斑和微孔内表面原子的短程集体散射作用,克服入射离子的横向动量,使入射离子在微孔内表面以上以类似镜面掠射的方式出射,并发生时间演化效应,主要传输机制为电荷斑辅助的表面以上的类似镜面掠射行为.而当倾斜角度在-2.5~?时,出射的He~(2+)离子始终保持在入射束流方向,出射的He~0原子始终保持在微孔孔道方向,沉积的电荷斑很难克服入射离子的横向动量,没有时间演化效应,主要传输机制为微孔内表面以下的多次随机非弹性碰撞过程.这一物理图像使中能离子入射不同倾斜角度的微孔膜物理认识更加深入和完整.     

30 keV H+在聚碳酸酯微孔膜中动态输运过程的实验和理论研究

测量了30 keV的H⁺入射倾斜角度为-1°和-2°的聚碳酸酯微孔膜后,出射粒子二维分布图、角度分布、相对穿透率以及出射H⁺电荷态纯度随沉积电荷的演化.实验中30 keV的H⁺在微孔膜中输运特性与之前其他能区离子在微孔膜中输运特性有显著不同,实验中直接观测到出射粒子导向部分和散射部分的动态演化过程,出射的H⁺由沿微孔孔轴方向的导向H⁺和沿入射束流方向的散射H⁺两部分组成,随着微孔内电荷斑的沉积,出射的导向H⁺的占比不断减小,出射散射H⁺占比不断增加;出射H⁰占总出射粒子的比例不断减小,其中心方向逐步向入射束流方向偏转.微孔膜处于不同倾斜角度时,微孔内沉积电荷斑的位置和电场强度是不同的.同时模拟计算了入射H⁺在微孔内部的运动轨迹、微孔内部电荷斑电势和场强分布,实验结果和理论结果得到了很好的验证.对出射离子导向部分和散射部分的动态演化过程的观测和理论解释,使得对中能区离子在微孔膜中输运机制有更好的认识.     

20 keV质子在聚碳酸酯微孔膜中传输的动态演化过程

测量了20 ke V质子穿过倾斜角为+1?的聚碳酸酯微孔膜后,出射粒子的位置分布、相对穿透率以及电荷纯度随时间的演化.实验发现,能量电荷比E/q≈10~1k V的质子穿过绝缘纳米微孔的物理机理与E/q≈10~0k V和E/q≈10~2k V区域离子有显著不同.对于E/q≈10~1k V的质子穿过绝缘纳米微孔,存在一段相当长的导向建立之前(导向前)的过程,在该时期内出射质子及氢原子的特性和导向建立后的特性有很大差异.在导向前的演化过程中,我们可以观察到出射质子的峰位逐渐向孔轴向附近转移;出射氢原子由束流方向的尖峰以及孔轴向的主峰构成,峰位角保持基本不变且尖峰逐渐消失.这一过程的主要机理为微孔内表面以下的多次随机二体碰撞和近表面镜面反射两种传输方式逐步向电荷斑约束下的"导向效应"过渡的过程.对E/q≈10~1k V区间离子"导向前过程"的完整观测,使得对低能向中能过渡区间离子穿过绝缘微孔膜物理机制和图像有更深入和完整的认识,有助于约10 ke V离子微束的精确控制和应用.     

质子椭圆流与对称能的密度依赖性

基于同位旋和动量依赖的强子输运IBUU04模型, 研究了¹³²Sn+¹²⁴Sn碰撞系统中的质子椭圆流对对称能的敏感关系. 研究发现入射能量从每核子400MeV到800MeV时质子椭圆流在低横动量端对对称能的敏感性高于高横动量端, 同时发现随着入射能量的增大, 质子椭圆流对对称能的敏感性在降低. 在研究入射能量范围内, 当入射能量为每核子400MeV左右时质子椭圆流对对称能最为敏感.     

高能质子在散裂靶中的能量沉积计算与实验验证

高能质子在散裂靶中的能量沉积是散裂靶中子学研究的重要内容之一,准确掌握高能质子在散裂靶中引起的能量沉积分布与瞬态变化是开展散裂靶热工流体设计的重要前提.本文采用MCNPX,PHITS与FLUKA三种蒙特卡罗模拟程序,计算并比较了高能质子入射重金属铅靶、钨靶的能量沉积分布及不同粒子对总能量沉积的占比贡献;针对高能质子入射金属钨靶的能量沉积实验数据空白,采用热释光探测器阵列测量了250 MeV质子束入射厚钨靶的能量沉积分布,实验结果表明蒙特卡罗模拟程序在散裂靶中能量沉积的计算结果具有较高的可靠性.     

高能质子单粒子翻转效应的模拟计算

在分析质子与硅反应的基础上,提出质子单粒子翻转截面理论计算模型,建立了模拟计算方法.计算得到了不同能量的高能质子在存储单元的灵敏区内沉积的能量.指出高能质子主要通过与硅反应产生的重离子在存储单元灵敏区内沉积能量,产生电荷,导致单粒子效应,得到了单粒子翻转截面与质子能量以及随临界电荷变化的关系.并将计算得到的单粒子翻转截面与实验数据进行了比较.     

高能质子发射和冷原子核多重碎裂类型

通过高能质子发射和多重碎裂事件的关联研究了原子核多重碎裂. 在数值模拟随机Boltzmann-Langevin输运方程用于描述中能区重离子碰撞的基础上提出了冷原子核多重碎裂类型,即高能非平衡质子带走了体系很多能量,体系的碎裂是由于剧烈的、但很冷的膨胀引起的. 给出了在描述⁴⁰Ca+⁴⁰Ca反应系统中轰击能量为90MeV/u的中心碰撞时所出现的典型事例. 提出了采用4π探测器测量时可能给出的实验信号.     

16 keV C–离子在锥形玻璃管中的输运过程

鉴于经锥形玻璃管聚焦的离子束在微纳加工、微区分析以及辐照生物医学等领域具有广阔的应用前景,本文研究了16 keV C^–在不同倾斜角度的锥形玻璃管中输运过程.实验发现当处于0°倾斜角度时,出射粒子由核区和晕区构成,核区是从锥形管后锥孔中直接出射,未与锥形管内壁之间发生电荷交换,主要成分为C^–离子.晕区是C^–与锥形管内壁发生部分电荷交换作用,由C^–和C⁰构成.当倾斜角度为1°时,出射离子由两部分组成:C⁰原子束斑和C^–离子束斑,未出现核区.出射核区的离子方向始终保持在入射粒子方向,与锥形管倾斜角度无关.随着锥形管不断倾斜,相对透射率不断减小, C⁰束斑占比增加, C^–束斑占比减小.锥形管对入射离子有聚焦效应.本实验弥补了低能负离子在锥形管运输过程研究的欠缺,有助于聚焦离子束的后续开发应用.     

中能重离子碰撞中前平衡核子发射的同位旋效应

利用同位旋相关的输运理论,研究了中能重离子碰撞中丰中子和缺中子碰撞系统在较宽能区范围内前平衡发射核子的同位旋效应.结果表明除低能区外,在100MeV/u以上核子–核子碰撞动力学效应起主要作用的能区,前平衡发射的中子–质子比仍然对介质中核子–核子碰撞截面的同位旋效应不灵敏,然而对于对称势的改变非常灵敏.故从低能量到较高能量的较大能区内,前平衡发射的中子–质子比的理论值与实验值的比较是提取对称势形式和强度的灵敏探针.     

Collision site effect on the radiation dynamics of cytosine induced by proton

By combing the time-dependent density functional calculations for electrons with molecular dynamics simulations for ions (TDDFT-MD) nonadiabatically in real time, we investigate the microscopic mechanism of collisions between cytosine and low-energy protons with incident energy ranging from 150 eV to 1000 eV. To explore the effects of the collision site and the proton incident energy on irradiation processes of cytosine, two collision sites are specially considered, which are N and O both acting as the proton receptors when forming hydrogen bonds with guanine. Not only the energy loss and the scattering angle of the projectile but also the electronic and ionic degrees of freedom of the target are identified. It is found that the energy loss of proton increases linearly with the increase of the incident energy in both situations, which are 14.2% and 21.1% of the incident energy respectively. However, the scattering angles show different behaviors in these two situations when the incident kinetic energy increases. When proton collides with O, the scattering angle of proton is larger and the energy lost is more, while proton captures less electrons from O. The calculated fragment mass distribution shows the high counts of the fragment mass of 1, implying the production of H⁺ fragment ion from cytosine even for proton with the incident energy lower than keV. Furthermore, the calculated results show that N on cytosine is easier to be combined with low-energy protons to form NH bonds than O.     

射频离子源离子束成分光谱测量

为HL-2A 装置中性束注入器研制了引出束功率为1MW 的射频离子源。在测试平台上,实验离子源已经成功引出了束能量和束电流分别为35keV 和12.4A、束质子比为79%、脉宽为100ms 的氢离子束,达到了设计束功率要求的44%。在射频离子源实验平台上,利用多普勒频移光谱方法测量了离子源引出束流成分比例,对比了束流成分和射频离子源引出束流之间的关系。实验数据分析表明,在10A 引出束流的情况下,离子流成分 H⁺ ₁、H⁺ ₂ 和H⁺ ₃ 分别为75%、18%和7%。并且当引出束流从3.3A 升至10.4A 时,H⁺ ₁ 从37%升至78%,而H⁺ ₃ 则从19%降至9%。     

H+和Ar11+激发Si的K壳层X射线发射研究

测量了50–250 keV H⁺和1.0–3.0 MeV Ar¹¹⁺ 轰击Si表面过程中辐射的X射线. 结果表明, 在Ar¹¹⁺入射的情况下, 引起了Si的L壳层上3, 4个电子的多电离.计算了Si的K壳层X射线产生截面, 并将两体碰撞近似(BEA), 平面波恩近似, ECPSSR理论计算与实验值进行了对比. ECPSSR理论与质子产生的截面数据能够很好地符合; 而考虑多电离后, BEA理论与Ar¹¹⁺的实验结果符合较好. 关键词： X射线 高电荷态重离子 多电离     

Nd L-shell x-ray emission induced by light ions

The L-shell x-ray of Nd has been obtained for 300-600 keV He²⁺ ions impacting, and compared with that produced by H⁺ and H₂⁺ ions. The threshold of projectile kinetic energy for L-shell ionization of Nd is crudely verified in the energy region of about 300-400 keV. It is found that the energy of the distinct L-subshell x-rays has a blue shift. The relative intensity ratios of Lβ_{1, 3, 4} and Lβ_{2, 15} to Lα_{1, 2} x-ray are enlarged compared to the atomic data, and they decrease with the increase of the incident energy, and increase with increasing the effective nuclear charge of the incident ions. That is interpreted by the multiple ionization of outer-shells induced by light ions.     

Mechanism of defect evolution in H+ and He+ implanted InP

The defect evolution in InP with the 75 keV H⁺ and 115 keV He⁺ implantation at room temperature after subsequent annealing has been investigated in detail. With the same ion implantation fluence, the He⁺ implantation caused much broader damage distribution accompanied by much higher out-of-plane strain with respect to the H⁺ implanted InP. After annealing, the H⁺ implanted InP did not show any blistering or exfoliation on the surface even at the high fluence and the H₂ molecules were stored in the heterogeneously oriented platelet defects. However, the He molecules were stored into the large bubbles which relaxed toward the free surface, creating blisters at the high fluence.     

The primary target model of energetic ions penetration in thin botanic samples

The ion transmission spectra of very low current MeV H⁺ ions through two kinds of botanic samples, kidney bean slices and onion endocuticle, were carried out. The experimental spectra confirmed the botanic sample is inhomogeneous in mass density. A target model with local density approximation was suggested to describe the penetration of the energetic ions in such kind of materials. From the fitting of proton transmission spectra of two-energies, this target model was verified primarily. Including the influence of surface roughness and irradiation damage, this target model could be improved to predict the profile of penetration depth and range distribution of the energetic ions in the botanic samples.