低能電子在外層導電屏蔽的玻璃錐管中的傳輸?

錢立冰 李鵬飛 靳博 靳定坤 宋光銀 張琦 魏龍牛犇 萬成亮 周春林 Arnold Milenko Müller Max Dobeli

宋張勇4) 楊治虎4) Reinhold Schuch5) 張紅強1)?陳熙萌1)?

1)(蘭州大學核科學與技術學院,蘭州 730000)

2)(中國核動力研究設計院,成都 610005)

3)(ETH Swiss Federal Institute of Technology,8092 Zurich,Switzerland)

4)(中國科學院近代物理研究所,蘭州 730000)

5)(Physics Department,Stockholm University,S-106 91 Stockholm,Sweden)

低能電子在外層導電屏蔽的玻璃錐管中的傳輸?

錢立冰1)李鵬飛1)靳博1)靳定坤1)宋光銀1)張琦1)魏龍1)牛犇1)萬成亮1)周春林2)Arnold Milenko Müller3)Max Dobeli3)

宋張勇4)楊治虎4)Reinhold Schuch5)張紅強1)?陳熙萌1)?

1)(蘭州大學核科學與技術學院,蘭州 730000)

2)(中國核動力研究設計院,成都 610005)

3)(ETH Swiss Federal Institute of Technology,8092 Zurich,Switzerland)

4)(中國科學院近代物理研究所,蘭州 730000)

5)(Physics Department,Stockholm University,S-106 91 Stockholm,Sweden)

(2017年2月9日收到;2017年3月13日收到修改稿)

采用新的具有常數錐角的玻璃錐管,并對玻璃錐管進行了外表面導電屏蔽,通過對電子穿越玻璃錐管的二維角分布隨時間演化的觀測,研究了低能電子與玻璃管相互作用的機制.發現電子穿越完全放電的玻璃錐管時穿透率先下降后平穩,整個過程中角分布中心發生微小移動,但角分布的半高寬幾乎保持不變.這與我們之前發表的工作(2016 Acta Phys.Sin.65 204103)不同,這是由于對玻璃錐管進行外表面導電屏蔽會阻止外界不確定的快速充放電的影響,并形成了新的穩定放電通道,有利于實現電子的穩定穿透.電子的穿透率隨傾角呈類似矩形的分布,透射電子的角分布中心伴隨傾角的變化而移動,其穿透所容許的傾角與幾何穿透一致.

電子,導電效應,玻璃管

1 引 言

近些年來,荷電粒子與絕緣體納米微孔相互作用的研究成為離子束研究領域內的熱點.這是由于在納米微孔的傾角遠大于由納米微孔縱橫比決定的幾何張角處觀察到了穿透離子,這些穿透離子的電荷態和能量與入射離子相同,這種現象被稱為導向效應[1?4].導向效應最早是采用3 keV的Ne7+穿透聚對苯二甲酸類塑料(polyethylene terephthalate,PET)膜上的納米微孔后被發現的[1].導向效應是初始離子與微孔的相互作用使在孔管內壁自組織形成電荷斑,這種電荷斑沿著微孔軸向按序列分布[4],從而形成阻止入射離子與表面近碰撞的電場,后續粒子沿著玻璃管的軸向出射.絕緣毛細管的導向效應為新的帶電粒子及離子束光學方法的產生帶來可能.國內外已有許多研究組開展了這方面的工作,通過用各種入射離子束(高電荷態離子、單電荷態離子、分子離子、電子、μ子、正電子和負離子)來打各種各樣的絕緣納米毛細管(PET,SiO2,Al2O3,PC和云母)、玻璃毛細管(出口處為微米到納米量級)以及絕緣管子(聚四氟乙烯和玻璃)來研究導向效應[5?20].更詳細的關于這個領域的工作可參閱綜述文獻[21,22].

已有的關于導向效應的研究大多數集中在高電荷態離子與納米微孔的作用,其結果清晰,物理機制也研究得比較清楚明確,但是目前為止,關于電子的導向效應的物理機制存在爭論,就連涉及導向效應的最基本的機制,即入射粒子沉積負電荷產生一個有利于后續粒子傳輸的負電場也處于爭論中.2007年,美國的研究小組采用低能電子穿越PET絕緣納米毛細管[5],這是關于電子與納米微孔的導向效應的最早的研究之一.他們通過穿透電子能譜發現一部分穿透電子有明顯的能量損失,并且這種能量損失隨著毛細管傾角的變大而增加.這與在高電荷態離子與玻璃毛細管相互作用的實驗中觀察到的絕大多數穿透粒子未發生能量損失和電荷交換有很大的不同.隨后的理論模擬結果顯示[14],電子在這個納米微孔中的沉積電荷和電場與離子完全不同,沒有在入口處產生明確的負電荷斑造成的負電場.但是該研究小組堅持在實驗中尋找與理論模擬結果不同的證據來證明有負電荷斑造成的負電場[7?9].同時,塞爾維亞的Milosavljevi?等[6]采用Al2O3微孔膜,發現了電子穿透率隨時間下降,但是他們測量的角分布特征又與正離子導向效應相似.這種在電子導向效應研究中的前后矛盾和不一致的結果一直困繞著這個領域內的研究者.之前的電子導向效應的實驗,尤其是涉及動力學過程的實驗是用一維靜電能譜儀來測量穿透電子的能譜和角分布[5,6].由于一維靜電能譜儀在入口處有一個狹縫,在每一步測量中只能容許穿透電子角分布的一部分被測量到,而且探測器的角度移動是機械移動,因此無法對時間依賴的穿透電子的角分布在秒量級的快速變化進行跟蹤測量,進而使得對于電子是否沉積負電荷而發生類似正離子的導向效應的觀測和理解是有困難的.

為了克服這個缺點,我們利用微通道板(MCP)與熒光板以及電荷耦合器相機(charge coupled device,CCD)組成的二維成像系統[23,24]直接獲得穿透電子全角分布的時間演化和動力學過程,研究穿透電子角分布在快速充放電過程中的變化[6].發現低能電子在玻璃直管和錐管中存在多次快速充放電的振蕩行為:每次充放電過程持續幾秒,穿透強度先增大后減小,整個過程伴隨著角分布中心的移動,以及角分布寬度的先增大后減小,整個振蕩顯示了電子穿越玻璃錐管時極不穩定的穿透行為.這與高電荷態離子比較穩定的穿透率和規則變化的角分布有著很大的區別.同時我們的研究也證明,對電子在絕緣毛細管中導向效應的動力學過程及機理的研究必須考慮穿透角分布的移動和演化問題.

本文,我們對玻璃錐管進行了外表面導電屏蔽,從而阻止了外界不確定的快速充放電的影響,并形成了新的穩定放電通道,從而獲得了1.5 keV的低能電子束通過高硼硅玻璃錐管的穩定穿透.研究發現電子穿透率隨傾角呈類似矩形的分布,在穿透率平穩區域的傾角改變值與毛細管的幾何張角相一致.當傾角大于幾何張角時,穿透率快速減小.穿透電子角分布中心移動的角度小于傾角改變的角度.當傾角在幾何張角容許范圍內時角分布的寬度幾乎保持不變,但在大于幾何張角的傾角下穿透電子的角分布寬度也快速減小.對1.5 keV電子穿越完全放電后的玻璃錐管在?0.6?傾角下的二維角分布的時間演化測量發現,電子穿透率隨時間下降到一個值后保持不變,穿透電子角分布中心發生微小移動,整個角分布的寬度基本保持不變.

2 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示.由電子槍產生能量為1.5 keV的低能電子束,通過弧形偏轉板做90?偏轉,經過水平和豎直偏轉板以及管式電透鏡的傳輸后,通過兩個四級狹縫以及螺線圈準直聚焦[25],成為束斑大小為0.5 mm×0.5 mm、強度為21.3 fA/mm2的電子束.為減少地球磁場對電子束流傳輸和探測的影響,我們對整個束流傳輸系統和探測系統進行了地球磁屏蔽.

穿越的電子轟擊在MCP上,經多次倍增后轟擊在P43型熒光材料構成的熒光板上產生綠色熒光,熒光經45?全反射鏡反射透過真空隔離石英窗(對綠光的透射率接近100%)進入CCD相機成像.實驗所用的CCD相機量子效率為75%,610萬有效像素,芯片大小為1英寸.CCD相機曝光時間范圍1 ms—160 min,增益范圍15—42 dB,測量時CCD的曝光時間為500 ms,增益為25 dB.

實驗中錐形玻璃管在瑞士蘇黎士聯邦理工學院制備,其入口內徑為1.2 mm,出口直徑為225μm,其中直管端長為23.3 mm,錐形部分長為35.1 mm,錐形部分的張角即錐角δ=0.8?為常數,實驗中玻璃管外表面除從出口開始1.1 mm長的部分絕緣外,其他位置都涂有導電層以防止不穩定的充放電現象[25].在玻璃管入口處增加了一狹縫,孔徑為0.3 mm,如圖2所示.這是為了防止電子打在入口表面充電,從而影響后續的電子進入玻璃管內,同時這樣做會使得玻璃錐管入口尺寸比束流尺寸小.玻璃管入口(0.3 mm)與出口(225μm)之間的發散角β為0.26?.

玻璃錐管安裝在一個5維調角器上,可以在三個方向(前后、左右、上下)獨立移動并沿著水平面(傾角)和豎直平面(仰角)內獨立轉動.玻璃錐管入口對應傾角和仰角角度旋轉的中心,標記玻璃錐管傾角α為玻璃管中心軸與束流在水平方向的夾角,定義?和θ為水平方向和豎直方向的探測角度(如圖1所示).探測系統可以在水平面內以靶室中心豎直軸為軸轉動.

圖1 (網刊彩色)實驗裝置和探測角幾何示意圖Fig.1.(color online)Schematic diagram of experimental setup and the geometry of the observation angles.

圖2 (網刊彩色)玻璃毛細錐管示意圖Fig.2.(color online)Schematic diagram of the conical glass capillaries.

我們在二維探測器上獲取的初始電子束的角分布如圖3所示,其中曲線a和b分別是束斑在?和θ方向的投影.由束斑的大小(水平方向尺寸和豎直方向尺寸都為0.5mm)可以得出對應以靶室為中心的角發散度為0.35?,電子束的束流角發散則不大于這個值.

圖3 (網刊彩色)1.5 keV入射電子束的二維角分布圖像,其中曲線a,b分別為二維角分布在?方向和θ方向的投影,紅色實線為高斯擬合曲線Fig.3.(color online)The incident beam(1.5 keV electrons)image and corresponding projections on the ? plane(curve a)and θ plane(curve b).The solid lines in the projections are Gaussian fi t curves.

3 實驗結果與討論

3.1 不同入射傾角下電子穿越玻璃錐管的穩態角分布

圖4 (網刊彩色)不同傾角下1.5 keV電子穿越玻璃錐管的二維角分布Fig.4.(color online)The two dimensional angle distributions of 1.5 keV electrons transmitted through the conical glass capillary for various tilt angle(α angle).

我們仔細地調節了電子穿透玻璃錐管時其傾角和仰角的變化,以尋找最大穿透率的角度,確定了0?位置(調角器傾角最小步長為0.0025?,由精密步進馬達控制).為了精細地測量穿透電子角分布隨傾角的變化,設傾角移動步長為0.05?.圖4顯示了部分不同傾角α下電子穿越玻璃錐管的穩態角分布,每幅圖像左側標示出所對應的傾角.為了清楚地研究角分布的變化情況,我們將穿透電子二維角分布在?方向投影,如圖5所示,圖中給出了實驗測量的出射電子角分布半高寬.當α=?0.6?時,穿透角分布中心為?0.35?,隨著傾角的移動,穿透電子角分布中心也移動,但與入射傾角不呈現離子那樣的一對一的關系[1].圖6為穿透電子角分布的寬度隨傾角的變化.在傾角為0?附近,我們測量到的角分布半高寬為0.23?左右,這與錐管的幾何張角非常符合(出口與入口形成的準直角為0.26?).電子穿越玻璃錐管的出射電子透射率隨入射傾角呈矩形分布,如圖7所示.可以看出在?0.2?到0.2?之間透射率幾乎沒有變化.

3.2 電子穿越玻璃錐管隨入射電荷(時間)的演化

為研究電子與玻璃錐管相互作用中的充放電機制,我們采用1.5 keV電子,測量其穿越完全放電后的玻璃錐管在?0.6?傾角下的二維角分布隨時間的演化.圖8(a)是穿透電子的二維角分布,其中?和θ分別為水平方向和豎直方向的探測角度(如圖1所示),由圖可見,開始時出現大亮斑,隨后逐漸變暗,最后保持不變.為了研究角分布的變化情況,我們將二維角分布在?方向投影,圖8(b)是充放電過程中?方向角分布隨時間的演化,其中紅色實線為高斯擬合曲線.可以看出對于玻璃錐管,穿透電子的強度峰值沒發生大角度的移動.為了便于定量比較這種角分布的時間演化,我們在圖9中給出了充放電過程中?方向角分布中心位置隨時間的演化,整個過程中穿透角分布中心有所移動,穿透角分布中心最先出現在?0.35?位置,隨后移動并穩定在?0.33?.整個角分布的寬度基本保持在0.1?左右.圖10所示為電子穿越玻璃錐管的透射率隨時間的演化,透射率先減小后達到一個平穩值.圖中橫坐標下部以時間標記,橫坐標上部表示與時間相對應的電荷累積量.

圖5 (網刊彩色)不同傾角下穿透電子二維角分布在?方向的投影(為了更好地顯示角分布,α=?0.6?時的角分布強度在圖中被放大了10倍)Fig.5.(color online)The transmitted angular distributions projected onto the ? plane for various tilt angle(α angle),and the intensity is ampli fi ed up to 10 times at tile angle?0.6?.

圖6 ?方向上穿透電子角分布半高寬隨傾角的變化Fig.6.The full width at half maximum of the transmitted angular distributions in the ? plane for various tilt angle(α angle).

圖7 1.5 keV電子穿越玻璃錐管時透射率隨傾角的變化Fig.7. The transmission rate of 1.5 keV electrons through the conical glass capillaries as a function of tilt angle(α angle).

3.3 結果討論

我們觀測到了電子穿透玻璃錐管之后的穩定角分布,意味著電子與玻璃錐管相互作用時的充放電過程達到了一個平衡狀態,這與之前觀察到的快速充放電現象[25]不同,差別在于我們對玻璃錐管進行了外表面導電屏蔽,從而阻止了外界不確定的快速充放電影響并形成了新的穩定放電通道,這種構型有利于實現電子的穩定穿透.這對于后續采用玻璃錐管等其他絕緣體材料作為電子束流光學傳輸元件有著極大的啟發意義.

玻璃錐管幾何張角β=0.26?束流發散度σ=0.35?時,幾何穿透情況下容許的穿透角度為這與實驗測量的結果(0.4?)相符合.電子在玻璃錐管中的最大穿透率為0.55,也與幾何穿透率0.56相符合.同樣,電子穿透角分布的中心沒有像離子那樣隨傾角一對一移動,而是在幾何穿透角容許的范圍內移動,玻璃錐管如同幾何準直,只有被容許的特定發散角的入射電子才能穿越,實驗中在大于幾何張角容許的傾角下未觀察到明顯的出射電子.

對于完全放電的玻璃錐管動力學過程的實驗觀察發現,穿透電子角分布的中心移動方向和穿透率隨入射電荷(時間)的變化等穿透特性顯示電子穿越絕緣體玻璃錐管的傳輸機制與高電荷態離子有很大不同:對于電子入射,由于玻璃的二次電子發射系數在實驗能量1.5 keV下大于1,這會使得直接暴露到電子束的玻璃錐管的內表面被充了正電,從而形成了阻止后續入射電子穿透的正電場,如圖11所示.這將使得與束流直接接觸的帶正電的內表面偏轉,后續電子向小觀察角即?=0?方向變化,這與實驗中觀察到的微小移動方向一致(從?0.35?到?0.33?),這個電場也將導致穿越電子被偏轉到孔壁上而無法穿越,從而導致電子穿透率隨時間下降,而不是像離子導向效應中那樣隨時間上升.

圖8 (網刊彩色)(a)1.5 keV電子穿越傾角為?0.6?的玻璃錐管時二維角分布隨時間的演化;(b)對應的二維角分布在?方向的投影隨時間的演化Fig.8.(color online)(a)The two dimensional angle distributions of 1.5 keV electrons at tile angle?0.6?transmitted through the conical glass capillary for various time;(b)the transmitted angular distributions projected onto the ? plane for various time.

圖9 (網刊彩色)1.5 keV電子穿越傾角為?0.6?的玻璃錐管時出射電子?方向角分布中心位置隨時間的變化,其中,橫坐標下部以時間標記,橫坐標上部表示與時間相對應的電荷累積量(e/capillary),紅色的點對應圖8所呈現的二維穿透電子角分布Fig.9.(color online)The center position of the transmitted angular distributions of 1.5 keV electrons in the ?plane for various time at tile angle ?0.6?.In the lower of the abscissa,the unit is time,and the upper of abscissa shows the accumulation of charge(e/capillary),corresponding to time.

圖10 (網刊彩色)1.5 keV電子穿越傾角為?0.6?的玻璃錐管時透射強度隨時間的演化,其中,橫坐標下部以時間標記,橫坐標上部表示與時間相對應的電荷累積量(e/capillary),紅色的點對應圖8所呈現的二維穿透電子角分布Fig.10.(color online)The transmission rate of 1.5 keV electrons through glass capillaries as a function of time at tile angle ?0.6?.In the lower of the abscissa,the unit is time,and the upper of abscissa shows the accumulation of charge(e/capillary),corresponding to time.

圖11 (網刊彩色)1.5 keV電子穿越傾角為?0.6?的玻璃錐管時兩者相互作用過程示意圖Fig.11.(color online)Scenario of 1.5 keV electrons transmitted through the glass capillary at the tile angle of?0.6?.

4 結 論

我們通過實驗測量了低能電子穿透外層導電屏蔽的玻璃錐管隨時間和傾角變化的全角分布二維圖像,發現低能電子在錐管中的一種直接穿透現象.電子穿越不同傾角的玻璃管時,出射電子的穿透率呈矩形,穿透率和角分布寬度在幾何張角容許范圍內是一個不變值,穿透角分布中心隨傾角發生微小移動.電子穿越完全放電的玻璃錐管時穿透率先下降后平穩,整個過程中角分布中心發生微小移動.電子穿越玻璃錐管只在幾何容許的角度范圍內觀察到出射電子,這與高電荷態離子在大于幾何容許的角度范圍內觀察到出射離子的過程有很大不同.帶負電的電子與帶正電的離子與絕緣體材料的相互作用過程的電荷沉積方式不同,電子穿越時沒有形成有利于電子傳輸的負電荷斑,而正電離子卻能形成正的電荷斑,利于后續入射離子傳輸而形成導向效應.

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PACS:41.85.Ja,41.85.Lc,41.75.FrDOI:10.7498/aps.66.124101

Transmission of electrons through the conical glass capillary with the grounded conducting outer surface?

Qian Li-Bing1)Li Peng-Fei1)Jin Bo1)Jin Ding-Kun1)Song Guang-Yin1)Zhang Qi1)Wei Long1)Niu Ben1)Wan Cheng-Liang1)Zhou Chun-Lin2)Arnold Milenko Müller3)Max Dobeli3)Song Zhang-Yong4)Yang Zhi-Hu4)Reinhold Schuch5)Zhang Hong-Qiang1)?Chen Xi-Meng1)?

1)(School of Nuclear Science and Technology,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)
2)(Nuclear Power Institute of China,Chengdu 610005,China)
3)(ETH Swiss Federal Institute of Technology,8092 Zurich,Switzerland)
4)(Institute of Modern Physics,Chinese Academy of Science,Lanzhou 730000,China)
5)(Physics Department,Stockholm University,S-106 91 Stockholm,Sweden)

9 February 2017;revised manuscript

13 March 2017)

The transmission of 1.5 keV-electrons through a conical glass capillary is reported.This study aims to understand the so-called guiding e ff ect for the negatively charged particles(e.g.electrons).The guiding mechanism is understood quite well with positively charged particles in particular highly charged ions,but not clear with electrons,i.e.,even the basic scheme mediated by the existence of negative charge patches to guide the electrons is still somewhat controversial.

The study of the charging-up dynamics causing the electrons transport inside the capillary will shed light on this issue.In order to perform this,a data acquisition system has been setup to follow the time evolution of the twodimensional angular distribution of the transmitted electrons.The electrons are detected by the multi-channel plate(MCP)detector with a phosphor screen.The image from the phosphor screen is recorded by a charge-coupled device camera.The timing signals for the detected events are extracted from the back stack of the MCP detector and recorded by the data acquisition system,synchronized with the acquired images.The electron beam has a size of 0.5 mm×0.5 mm and a divergence of less than 0.35?.The inner diameter of the straight part of the capillary is 1.2 mm and the exit diameter is 225μm.A small conducting aperture of 0.3 mm in diameter is placed at the entrance of the capillary.Two-dimensional angular distribution of the transmitted electrons through conical glass capillary and its time evolution are measured.The results show that the transmission rate decreases and reaches to a constant value for the completely discharged glass capillary with time going by.The centroid of the angular distribution moves to an asymptotic value while the width remains unchanged.These transmission characteristics are di ff erent from those indicated in our previous work(2016 Acta Phys.Sin.65 204103).The di ff erence originates from the di ff erent manipulations of the capillary outer surface.A conducting layer is coated on the outer surface of the capillary and grounded in this work.This isolates various discharge/charge channels and forms a new stable discharge channel.The transmission rate as a function of the tilt angle shows that the allowed transmission occurs at the tilt angle limited by the geometrical factors,i.e.,the geometrical opening angle given by the aspect ratio as well as the beam divergence.The transmission characteristics suggest that most likely there are formed no negative patches to facilitate the electron transmission through the glass capillary at this selected beam energy.It is di ff erent from that of highly charged ions,where the formation of the charge patches prohibits the close collisions between the following ions and guides them out of the capillary.

electron,guiding e ff ect,glass capillaries

10.7498/aps.66.124101

?國家自然科學基金(批準號:11475075)資助的課題.

?通信作者.E-mail:zhanghq@lzu.edu.cn

?通信作者.E-mail:chenxm@lzu.edu.cn

?2017中國物理學會Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.11475075).

?Corresponding author.E-mail:zhanghq@lzu.edu.cn

?Corresponding author.E-mail:chenxm@lzu.edu.cn