EBIT中等离子体的分析和高电荷态离子与固体表面溅射实验的研究

论文摘要

高电荷态离子（Highly Charged Ion HCI）是核电荷数较高同时外壳层电子被大量剥离的离子。高电荷态离子的研究对天体物理、量子色动力学、原子的精细结构和原子质量测量等研究领域都有着重要的意义。由于高电荷态离子所携带的巨大势能，高电荷态离子也有望成为表面分析和表面改性的新工具。在医学应用方面，高电荷态离子易于被加速的特性，使其成为重离子治癌的首选离子。本文介绍了高电荷态离子的特性，产生高电荷态离子的离子源以及国内外对高电荷态离子与固体相互作用研究的主要方向和国内外在实验和理论研究的动态；描述了ECR （Electron Cyclotron Resonance）源和EBIT （ElectronBeam Ion Trap）的工作原理，详细介绍了高电荷态离子在固体表面溅射实验的样品制备、碰撞靶室以及束流光学系统；同时还重点介绍了电子束离子阱和X射线探测系统。简单介绍了Wien filter的工作原理，详细描述了Wien filter的测试过程以及相关的控制解谱软件。在实验方面，本文研究了电子束离子阱的工作参数对离子源输出和工作稳定性的影响。实验证实了电子束的密度对电子能量的敏感性。因此电子的能量不仅会影响到暗电流大小，而且可以直接影响到离子的输出，而真空度对束流输出的影响取决于离子的电荷态。当阱区的气压升高时，总的输出电流增大，低电荷态离子的流强增大，高电荷态离子流强；当阱区气压降低时，总的输出电流减少，低电荷态离子流强减少，高电荷态离子流强增大。关于势阱深度对输出的影响，在实验当中当势阱深度为20V，在恒流模式下高电荷态离子的输出最大。引出电压对束流的影响不明显，最佳的引出电压为4keV。同时，我们测量了高电荷态离子在电子束离子阱中的X射线谱和引出束流谱。利用双电子重组的过程，鉴别不同电荷态的Kr离子。得到了在势阱开启和关闭条件下势阱中的电荷态分布，进一步得到了特定电荷态（28＜q＜32）的Kr离子在势阱关闭后的演化行为。分析了高电荷态离子在EBIT势阱中的演化行为。在溅射实验研究方面，我们使用不同能量的高电荷态Arq+、Pbq+离子入射金、银、铜、铌、钨、云母、硅和SiO2材料表面，并用微通道板测量了溅射产额的角分布；得到了溅射产额随入射离子的电荷态和动能变化的关系曲线。测量结果表明：当离子入射绝缘体和导体表面时，溅射产额随着入射角增大而减少，在晶体硅表面溅射产额有明显的沟道效应。在Arq+离子Pbq+离子入射材料表面随着入射离子动能的增加呈现出不同的趋势。当Ar离子以E（96 keV＜E＜320 keV）动能入射材料表面时，随着动能增加溅射产额减少；当Pb离子以E（196 keV＜E＜720 keV）动能入射材料表面时，随着入射离子能量增加，溅射产额先增加后减少。对于不同电荷态Arq+/Pbq+离子入射材料表面，溅射产额随着势能增加而增加。基于上述溅射实验，我们提出了动能势能共同作用模型。该模型的基本思想是溅射分成两部分。一部分是动能势能相互作用的结果，它是入射角的函数且正比于入射离子在材料表面的核能损，与材料的表面结合能成反比；另一部分是势能溅射结果，它与离子有效电荷态的三次方成正比。比较试验结果和理论模拟的结果，发现在一定程度上它们符合的较好。根据模型结果溅射产额的角分布可以用经验公式Y=AtanBθ++C来描述，此公式与实验符合的较好。该模型能够较好地解释溅射结果，同时也可以较好地解释其他小组的相关实验结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 概述
• 1.1 高电荷态离子的特性及用途
• 1.2 高电荷态离子的产生
• 1.2.1 自然界中的高电荷态离子
• 1.2.2 加速器产生的高电荷态离子
• 1.2.3 离子源产生的高电荷态离子
• 1.3 高电荷态离子与固体相互作用的过程
• 1.4 高电荷态离子物理的研究进展
• 1.4.1 高电荷态离子与固体相互作用实验
• 1.4.2 高电荷态离子与固体作用的理论模型
• 1.5 课题的提出
• 第二章 等离子体分析和溅射实验的装置
• 2.1 ECR源和溅射实验介绍
• 2.1.1 ECR源工作原理
• 2.1.2 溅射试验设备
• 2.1.3 靶材料的制备:
• 2.2 EBIT系统介绍:
• 2.2.1 EBIT的工作原理:
• 2.2.2 气体注入系统:
• 2.2.3 X射线探测系统:
• 2.2.4 供电系统:
• 2.2.5 离子引出和离子分辨系统:
• 2.3 Wien filter分析系统的测试
• 2.3.1 Wien filter的原理
• 2.3.2 Wien filter实验结果
• 2.3.3 Wien filter的控制和解谱软件
• 第三章 束流的引出和诊断
• 3.1 电子束离子阱中的等离子体分布
• 3.1.1 电子束的空间电势
• 3.1.2 离子在电子束离子阱中的分布
• 3.1.3 离子在阱区的温度分布和传递
• 3.2 离子源参数对束流的影响
• 3.2.1 电子能量与电子束流密度的关系
• 3.2.2 电子能量对输出离子强度的影响
• 3.2.3 阱区的气压对束流输出
• 3.2.4 势阱深度对束流强度的影响
• 3.2.5 引出电压对输出总电流的影响
• 3.3 高电荷态离子诊断
• 3.3.1 通过X射线鉴别高电荷态离子
• 3.3.2 离子的电荷态随时间演化
• 第四章 溅射实验
• q+/Pb^q+离子轰击固体表面引发的溅射实验'>4.1 Ar^q+/Pb^q+离子轰击固体表面引发的溅射实验
• q+/Pb^q+离子轰击半导体表面引发的溅射产额的角分布'>4.1.1 Ar^q+/Pb^q+离子轰击半导体表面引发的溅射产额的角分布
• 4.1.2 溅射产额与入射离子能量关系
• 4.1.3 溅射产额与离子势能的关系
• 4.1.4 高电荷态离子与低电荷态离子溅射产额之比
• 4.2 理论分析与讨论
• 4.2.1 动能势能共同作用模型
• 4.2.2.动能势能共同作用模型与实验结果对比
• 4.3 模型成功和不足
• 第五章 全文总结
• 附录1 WIEN FILTER控制和解谱软件界面
• 参考文献
• 发表论文
• 致谢