科研進(jìn)展
科研人員揭示制約快離子束自適應(yīng)導(dǎo)向的關(guān)鍵物理機(jī)制
近日，中國科學(xué)院近代物理研究所在離子束操控技術(shù)領(lǐng)域取得突破?？蒲腥藛T揭示了制約快離子束導(dǎo)向的關(guān)鍵物理機(jī)制，并成功實現(xiàn)了對快離子束的穩(wěn)定導(dǎo)向，為未來發(fā)展無需外部供電、自適應(yīng)“離子束導(dǎo)管”清除了主要障礙。相關(guān)研究于3月9日發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。
離子束在當(dāng)前及未來的科學(xué)研究、先進(jìn)制造、腫瘤治療、誘變育種、微生物工程等領(lǐng)域均有不可替代的作用。離子束的傳輸通常由固定的真空管道、電磁透鏡及其電源和控制系統(tǒng)等實現(xiàn)。科學(xué)家一直期望能研發(fā)出一種像水管導(dǎo)水、光纖導(dǎo)光一樣的“離子束導(dǎo)管”：無需外部供電和控制系統(tǒng)，讓離子束在管道中通過自組織電場實現(xiàn)自適應(yīng)傳輸，從而推動離子束的更便捷應(yīng)用。
然而，長期以來這一構(gòu)想面臨核心瓶頸：相關(guān)技術(shù)此前僅對低能離子有效，且工作流強(qiáng)僅在飛安至皮安量級。對于更高能量的離子束，導(dǎo)向電場會過早飽和；對于更強(qiáng)流的離子束，導(dǎo)向電場往往不穩(wěn)定。這些問題均導(dǎo)致自適應(yīng)導(dǎo)向失效，制約了該技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用。
研究團(tuán)隊通過深入探究，首次揭示出導(dǎo)致電場飽和的關(guān)鍵機(jī)制：高能離子撞擊導(dǎo)向通道內(nèi)壁時，在沉積電荷的同時會濺射出大量二次離子；這些二次離子在電場作用下，漂落到對面內(nèi)壁，沉積電荷，從而削弱原本用于導(dǎo)向離子束的自組織電場。
針對這一發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊提出了有效的解決方案，設(shè)計了帶有深槽結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向通道。這些深槽能夠阻止二次離子飛出，將沉積電荷轉(zhuǎn)移至對面的比例從最高98%抑制至7%以下。同時，團(tuán)隊還構(gòu)建了隱藏式電阻網(wǎng)絡(luò)，解決了傳統(tǒng)導(dǎo)向通道在離子輻照下的電導(dǎo)率不穩(wěn)定問題。
基于上述策略，研究團(tuán)隊成功實現(xiàn)了對386納安、100千電子伏五價氧離子束的穩(wěn)定導(dǎo)向。與此前結(jié)果相比，該研究的導(dǎo)向電勢差提升了兩個數(shù)量級，流強(qiáng)提升了三個數(shù)量級。
該研究解決了制約快離子束自適應(yīng)導(dǎo)向的關(guān)鍵難題，為實現(xiàn)“離子束導(dǎo)管”奠定了基礎(chǔ)。
該研究由近代物理所主導(dǎo)，聯(lián)合密蘇里科技大學(xué)、曼徹斯特大學(xué)、亥姆霍茲柏林材料和能源中心、斯德哥爾摩大學(xué)、山西醫(yī)科大學(xué)等機(jī)構(gòu)共同完成。近代物理研究所薛迎利副研究員為論文第一作者、于得洋研究員為通訊作者。
該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1103/7vwr-szkt
圖1：濺射離子電流分布測量。二次離子的電荷搬運是導(dǎo)致導(dǎo)向電場過早飽和的主要原因；溝槽結(jié)構(gòu)可有效抑制二次離子的電荷搬運
圖2：內(nèi)表面具有溝槽結(jié)構(gòu)的通道對快離子束具有自適應(yīng)導(dǎo)向效應(yīng)；內(nèi)表面是平面的通道對快離子束沒有導(dǎo)向效應(yīng)
（原子譜應(yīng)用技術(shù)室 供稿）
