Управление пучками положительных ионов с помощью диэлектрических каналов

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 SPIEThe 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=29 664 073.1/0305−4470/39/17/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 /.

•°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 1 В. 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 Idток 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) |.

1 mm² Scan.

Fixed to 2-axis goniometer.

12 mm,.

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.