强流电子束入射弯曲宏观石英管的导向效应研究

研究了强流（~129 nA）、 高能（1 500～1 900 eV）电子束在大角度(9°)弯曲宏观石英管中的导向效应。 实验分别测量了入射流强及能量对出射电子角分布值（FWHM）和传输效率的影响。 实验观察到出射电子角分布FWHM随着入射电子流强和入射电子能量增加变化均不明显; 发现电子传输效率随入射流强增加而增加, 但随入射能量增加而减小, 这与高电荷态离子导向中离子传输效率随入射能量增加而增加的现象相反。 分析发现, 与高电荷态离子导向机制不同, 电子束导向并非是由电子在石英管内壁的自组织充电过程引起的, 而是入射电子与管内壁弹性和非弹性散射碰撞共同作用的结果。 By using an incident electron beam with the high current and high energy, the guiding effect of the bended macroscopic quartz tube for the electron beam has been investigated. The angular distributions of outgoing electrons depending on the current and energy of incident electrons were measured. The dependences of electron transmitted fraction on energy and current of incident electrons are also shown. As the incident electron energy increasing, the electron transmitted fraction increases, but it decreases while the incident electron current increasing. The results have been compared with the present data. This work presents, the process of guiding electrons is essentially different from that of guiding highly charged ions, the guiding electron beam was caused by both elastic and inelastic collisions between electrons and inner walls of quartz tube, rather than self organized charging effect on the surface of inner wall of quartz tube.     

100keV质子与低高能质子在绝缘微孔中输运特性的对比分析

为研究中能区带电粒子在绝缘微孔中传输的物理图像,利用MATLAB程序和蒙特卡罗方法建立理论模型,得到入射能量为10 keV,100 keV和1 MeV的质子,以-1?倾斜角入射到微孔后,出射粒子角分布、沉积电荷斑分布,以及粒子在微孔内的运动轨迹等传输特性.研究结果表明,在10 keV的低能区,微孔内壁沉积电荷的导向效应是主要的传输机制.在1 MeV的高能区,进入表面以下多次随机非弹性碰撞是主要的输运机制.在100 keV的中能区,无电荷斑时,主要是以进入表面以下的随机二体碰撞为传输机制;在电荷斑累积过程中,增强的库仑排斥力逐渐抑制入射质子在微孔内壁表面发生电子俘获;当达到充放电平衡后,主要传输机制为电荷斑辅助的近表面镜面散射行为.这一特性加深了对中能区质子在微孔中输运行为的认识,有助于对百keV质子微束的控制和应用.     

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.     

离轴像散对高阶贝塞尔光束的影响EI北大核心CSCD

利用螺旋相位板-轴棱锥系统可以产生高阶贝塞尔光束。基于基尔霍夫衍射积分理论,推导了涡旋光斜入射轴棱锥后的衍射光场表达式。分析了光束斜入射引起的像散对轴棱锥聚焦涡旋光产生高阶贝塞尔光束的影响,提出了一种用于检测拓扑电荷数的简单可行的方案。结果表明当轴棱锥出现较小角度的偏转时,所产生的高阶贝塞尔光束出现中心亮环椭圆化;随着偏转角的增加,中心亮环椭圆率增大,并伴有暗核分裂的现象;继续增大偏转角,将发生由内至外的亮环破裂现象,最终形成具有点阵列结构的焦散光束。设计实验对上述结论进行验证,理论分析、数值模拟与实验结果基本吻合。     

离轴像散对高阶贝塞尔光束的影响

利用螺旋相位板-轴棱锥系统可以产生高阶贝塞尔光束。基于基尔霍夫衍射积分理论,推导了涡旋光斜入射轴棱锥后的衍射光场表达式。分析了光束斜入射引起的像散对轴棱锥聚焦涡旋光产生高阶贝塞尔光束的影响,提出了一种用于检测拓扑电荷数的简单可行的方案。结果表明当轴棱锥出现较小角度的偏转时,所产生的高阶贝塞尔光束出现中心亮环椭圆化;随着偏转角的增加,中心亮环椭圆率增大,并伴有暗核分裂的现象;继续增大偏转角,将发生由内至外的亮环破裂现象,最终形成具有点阵列结构的焦散光束。设计实验对上述结论进行验证,理论分析、数值模拟与实验结果基本吻合。     

高流强电子束在锥形SiO2毛细管中的导向效应

 研究了高流强电子束(1～10 μA)在单根锥形SiO₂毛细管中的导向效应,测量了出射电子的角分布,分析了入射能量对电子传输效率的影响。实验发现：出射电子呈高斯分布且时间稳定性好,随着入射能量增加,电子在毛细管中的传输效率降低,传输效率与入射能量呈负指数关系。实验结果与导向效应模型符合得很好。     

基于差分检测的球形碱金属气室导致线偏光转角的测量

对球形碱金属气室导致的线偏光振动方向转角进行了理论研究与差分检测实验测量。结果表明,当光束通过中心位置、入射面与振动方向相垂直或平行的位置时,气室对其偏振态没有影响,而其他位置均会产生一定偏转角,且偏转角随位置的不同而变化。对直径12mm、壁厚0.9mm的气室,偏离中心0.7 mm处产生的理论偏转角约为0.08°。在使用球形碱金属气室作为中心元件的仪器时,需要考虑其对线偏光转角的明显影响。     

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.     

圆锥透镜对倾斜球面波光束的衍射模式

由于球面波入射圆锥透镜所产生的出射光束具有焦深长和中心光斑直径较小的特点,适合激光通信以及长距离测量.在实际使用中,入射球面波很可能与圆锥透镜的光轴发生倾斜.研究了圆锥透镜对倾斜球面波光束的衍射特性,通过基尔霍夫衍射理论以及稳相法分析,分析了其径向衍射光场分布形式,并用计算机进行了仿真.使用了半径为15 mm、底角为1°的圆锥透镜进行实验,并对仿真结果进行了验证.仿真和实验证明,减小入射球面波曲率半径、出射光束传输距离和入射光束倾斜角都可以减弱入射光束倾斜对衍射图的影响.     

保偏光纤传输损耗与光偏振状态的研究

本文对截止波长为0.85μm的椭芯保偏光纤测试了其传输损耗系数与入射光波长及偏振态的关系。给出了测试原理和实验装置,并分析了实验结果。     

平行玻璃板对105 keV Ar7+离子的导向效应

研究了平行玻璃板对高流强（约80 nA）105 keV Ar7+离子的导向效应, 利用一维位置灵敏探测器测量了不同倾斜角下出射离子的强度及角分布。 实验结果表明, 平行玻璃板对Ar7+离子有导向作用。 与离子在微孔膜中的导向效应不同, 从平行玻璃板出射的Ar离子角分布的FWHM随着倾斜角的改变而改变, 并且出射离子角分布最大值处对应的观察角不等于倾斜角。 The transmission of 105 keV Ar7+ ions with high incident current (about 80 nA) through the gap formed by a paired parallel glass plates was investigated. The intensity and angular distribution of the transmitted ions for various tilt angles were measured using a one dimensional position sensitive detector. The results indicate the existence of a guiding effect when Ar7+ ions pass through the gap, but it is different from that for ions passing through nonacapillaries. We found a measurable dependence of the full width at half maximum (FWHM) of the transmitted ions as a function of the tilt angle. In addition, when the gap was tilted with respect to the direction of the incident beam, the observation angle related to the center of the transmitted ions profile was not equal to the tilt angle.     

Guided transmission of oxygen ions through Al2O3 nanocapillaries

The transmissions of oxygen ions through Al2O3 nanocapillaries each 50 nm in diameter and 10 μm in length at a series of different tilt angles are measured,where the ions with energies ranging from 10 to 60 keV and charge states from 1 up to 6 are involved.The angular distribution and the transmission yields of transported ions are investigated.Our results indicate both the existence of a guiding effect when ions pass through the capillary and a significant dependence of the ion transmission on the energy and the charge state of the ions.The guiding effects are observed to be enhanced at lower projectile energies and higher charge states.Meanwhile,the results also exhibit that the transmission yields increase as the tilt angle decreases at a given energy and charge state.     

Simulations of guiding of low-energy ions through a single nanocapillary in insulating materials

Simulations of guiding of low-energy ions through a single nanocapillary in insulating polymers are reported. The nanocapillary has a diameter of 100 nm and a length of 10 μm. Different from previous work, in our simulations a hyperbolic function is used to describe the decay of the charges deposited on the capillary surface. The present simulations reproduce the self-organized charge-up process occurring in the capillary. It is shown that lower-energy ions undergo more oscillations to get guiding equilibrium than those of higher-energy ions, resulting in a longer charging time, which is in good agreement with previous experimental results. Moreover, the experimentally observed mass independence of ion guiding is proved in our simulations. In particular, it is found that the maximum of the repulsive field within the capillary is independent of the ion energy as well as the tilt angle. To counterbalance the increasing of the transversal energy caused by increasing the tilt angle or incident energy, the effective length of the repulsive field is expanded in a self-organizing manner.     

Al_2O_3微孔膜对60keV O~+离子的“导向”效应

在不同入射角度条件下,研究了60keV的O+离子入射孔径分别为50nm和30nm,厚度为10μmAl2O3微孔膜的角分布.实验结果表明离子透射微孔膜时发生了导向效应,随着入射角度的增大,透射于孔径大的微孔膜离子计数下降比较快,透射于孔径小的微孔膜离子计数下降比较缓慢.建立了一个初步的理论模型,对以上现象给出了较好的解释.     

焊缝结构中超声相控阵聚焦声场的数值模拟及分析*

针对焊缝内相控阵声场聚焦问题,建立焊缝结构中多高斯声束法的相控阵声场计算模型,分别用直接聚焦和底面反射聚焦两种方式对焊缝内部的相控阵声场进行数值模拟,分析不同方式下的相控阵聚焦声场特性,讨论不同区域适用的聚焦方式,分析了界面倾斜角度对聚焦效果的影响。结果表明,在相同焊缝结构条件下直接聚焦的方式更适合对厚壁焊缝的中下部进行聚焦扫描,在焊缝上表面附近,当声束偏转角大于80°时,直接聚焦方式无法有效聚焦;反射聚焦的方式更适合对焊缝上表面附近区域进行聚焦扫描,随着焦点深度增加,反射聚焦的声束偏转角增大,当声束偏转角大于55°时,反射聚焦无法形成明显焦点;两种聚焦扫描方式可形成有效的互补。当设置的焦点固定时,直接聚焦的实际焦点随界面倾斜角度增大向预设点远处偏移,而反射聚焦的效果基本不受倾斜角的影响,实际焦点始终在预设焦点附近。     

不同Ep/q值的离子与氧化铝毛细孔的相互作用

绝缘材料毛细孔的离子导向效应研究在被动型离子光学元件开发方面有着重要的意义.进行了150keVO3+,0.32 MeVO+,2 MeV O2+等具有不同Ep/q值的离子与氧化铝毛细孔的相互作用研究.对于150keVO3+入射离子,离子沿毛细孔穿越的过程中存在着导向效应:随着毛细孔相对于入射离子束的偏转,入射离子依然能够显著地穿过毛细孔,而且保持电荷态不变;出射离子的角分布谱发生与毛细孔偏转相同的偏移;毛细孔不同偏转角度时的穿透率可以很好地被高斯函数拟合.对于0.32 MeV O+,2 MeV O2+离子入射氧化铝毛细孔,没有导向效应发生.导向效应能够发生的入射离子的Ep/q最大值小于320 kV.     

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.     

低能Cl^-在Al2O3绝缘微孔膜中的输运过程

研究了10 keV Cl^-离子穿越Al2O3绝缘微孔膜的物理过程,发现穿越的Cl^-其分布中心在初束中心即0°附近,Cl^-离子穿透率下降与几何穿透一致,这是典型的直接几何穿越有一定角发散的微孔导致的结果;而出射的Cl0和Cl^+以微孔轴向为中心分布,Cl^+和Cl0穿透率下降慢于几何穿透.模拟计算发现沉积电荷会使出射粒子中Cl^-占主要成分,并使出射Cl^-角分布中心移动到微孔轴向方向而随微孔膜倾角移动;而在不考虑沉积电荷的情况下,计算结果较好地符合了实验结果.通过分析在不同倾角下散射过程对出射粒子的角分布和电荷态分布的影响,发现绝大部分的Cl0是通过一次和两次散射出射的,其中一次散射出射的Cl0占主要成分,从而导致出射的Cl0沿微孔轴向出射而Cl^+主要是经过一次碰撞出射.这导致了随倾角增大,出射的Cl0穿透率下降速度比Cl^+小,Cl0所占比例相对增大较快,从而导致观测到的Cl^+/Cl0的比例下降.本文结果更仔细地描述了低能离子穿越绝缘体微孔的物理机理,印证了之前实验和理论工作的结果,发现在10 keV以上能区的Cl^-离子穿越绝缘微孔膜的过程中,沉积电荷并未起到主要作用,其主要穿透特征是散射过程造成的.     

低能电子在外层导电屏蔽的玻璃锥管中的传输

采用新的具有常数锥角的玻璃锥管,并对玻璃锥管进行了外表面导电屏蔽,通过对电子穿越玻璃锥管的二维角分布随时间演化的观测,研究了低能电子与玻璃管相互作用的机制.发现电子穿越完全放电的玻璃锥管时穿透率先下降后平稳,整个过程中角分布中心发生微小移动,但角分布的半高宽几乎保持不变.这与我们之前发表的工作(2016 Acta Phys.Sin.65 204103)不同,这是由于对玻璃锥管进行外表面导电屏蔽会阻止外界不确定的快速充放电的影响,并形成了新的稳定放电通道,有利于实现电子的稳定穿透.电子的穿透率随倾角呈类似矩形的分布,透射电子的角分布中心伴随倾角的变化而移动,其穿透所容许的倾角与几何穿透一致.