基于玻璃毛细管的大气环境MeV质子微束的产生与测量

本文采用玻璃毛细管产生了大气环境中工作的2.5 MeV质子外束微束,并对束斑直径及能量分布随玻璃毛细管与束流方向之间角度(倾角)变化进行测量.测量结果表明,在玻璃毛细管轴向与束流方向一致时(倾角为0°),产生的微束中存在保持初始入射能量的直接穿透部分以及散射部分,其中直接穿透的质子占比最大,束斑直径也最大.随着玻璃毛细管倾角的增大,当其大于几何张角时,束斑直径变小,产生的微束全部为能量减小的散射部分,直接穿透质子消失.我们对质子在玻璃毛细管内传输时的内壁散射过程进行了模拟计算及离子轨迹分析,发现大角度的散射部分决定了形成的外束微束斑外围轮廓,而束斑中心区域由不与毛细管内壁产生任何作用的直接穿透离子构成,其大小由玻璃毛细管出口直径以及几何容许张角决定.采用玻璃毛细管产生的外束微束具有产生简单廉价,微束区域定位简单的特点,有望在辐射生物学、医学、材料等领域得到广泛应用.

低能电子穿越绝缘体微孔膜动力学过程研究

采用二维位置灵敏的微通道板探测器对能量为1500 eV的低能电子束穿过孔径为400 nm、未经照射过的的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)微孔膜后的全角分布以及时间演化进行了测量,同时采用自制的积分式能谱测量装置测量了穿透电子的能量分布。实验结果表明:在充电阶段,当入射电子束束流较弱时,透射电子强度随充电时间逐渐上升;充电过程中,透射电子的角分布宽度由小变大,但是角分布中心基本不随膜的倾角移动。对出射电子达到平衡态时的电子能谱的测量表明,穿透电子的能量保持着入射时的能量。对于理解电子在绝缘体微孔中的传输给出了新的实验证据,给出了可能形成“导向效应”的微孔内部电场的条件。

低能电子穿越玻璃直管和锥管动力学研究

我们通过实验测量1.5 keV电子穿越玻璃直管/锥管的二维角分布的时间演化,研究了低能电子与绝缘玻璃管相互作用的动力学过程.观察到了低能电子穿越玻璃直管和锥管后其强度随时间呈现振荡.穿透的强度出现振荡峰结构,在出现峰的地方,透射的电子最开始出现微弱的圆点,随后微弱的圆点变为较明显的亮点,此后亮点逐渐变大变亮,接着变暗,最后亮斑迅速消失,同时透射电子的角分布中心伴随移动.这种行为显示了低能电子在玻璃管内的充放电呈现振荡行为,当入射电荷累积足够大时,存在一个快速放电的通道,后迅速充电产生阻止电子穿越的电场.对比锥管后的角分布和直管的角分布,我们发现锥管的穿透电子束流密度比直管的大40%.锥管的充放电的时间比直管快,这显示了锥管更容易快速放电,其由于充电建立的电场也更容易影响传输的电子.电子在玻璃直管和锥管的快速充放电的动力学过程显示出电子的传输机制与高电荷态离子有很大不同,其快速充放电过程显示了带负电的电子与绝缘体材料相互作用中的充放电过程与带正电离子的不同.

低能电子在玻璃管中的稳定传输

分别对裸的直玻璃管和外壁与出入口两端面涂导电银胶的直玻璃管进行了低能电子穿透实验.穿透电子的倾角分布显示,穿透电子强度随倾角增大而减少,并且穿透倾角不会超过玻璃管的几何张角.还测量了玻璃管在倾角为-0.2°时的充电过程.对于裸玻璃管,在充电过程中,穿透率和角分布有显著的振荡现象.整体来看,穿透率随时间先下降后上升,最后在某个平均值附近振荡;角分布随穿透率变化同步变化,先向正角度移动再向负角度移动,最后在玻璃管的倾角附近振荡.对于涂导电胶的玻璃管,在充电过程中,穿透率和角分布稳定变化.穿透率随时间先下降后上升最后平稳,角分布随时间先向负角度移动再向正角度移动,最后在玻璃管倾角附近稳定.通过模拟电子与SiO;材料的碰撞过程,提出了电子在裸玻璃管和涂导电胶玻璃管中的充电过程的物理图像.该物理图像能很好地解释电子在裸玻璃管和涂导电胶的玻璃管中充电过程的实验结果.最后,依据实验结果和物理图像给出了低能电子在玻璃毛细管中稳定输运的条件.

低能电子穿越玻璃直管时倾角依赖的输运动力学

采用900 e V能量的电子对直玻璃管进行了穿透实验,测量了玻璃管在倾角为–0.15°,–0.4°和–1.15°时充电过程角分布的时间演化,以及平衡态下出射电子能谱.发现穿透率随时间先下降后上升最后趋于平稳,下降的时间随倾角的增大而减小.当倾角为–0.4°和–1.15°时,电子穿透率下降到最低点时几乎看不到穿透电子(穿透率小于3‰),这种穿透率最低点状态保持时间随倾角增大而增大.穿透电子的角分布中心随着时间变化.在平稳状态时,发现穿透电子的能量损失随倾角增大而增大.采用蒙特卡罗方法模拟了电子经过管壁不同次数反射后的能谱,与测量能谱进行对比,发现–0.15°,–0.4°和–1.15°倾角下,穿透电子分别经历了管壁的一次、两次和三次与表面的反射过程.基于此,本文对电子穿越玻璃管的充电过程动力学给出了物理解释.实验结果和理论分析表明,在小倾角下玻璃管内能形成宏观负电荷累积,排斥后续电子形成反射,增加电子出射概率,这对应用绝缘体微结构,例如玻璃锥管产生稳定的电子微束具有重要的参考意义.

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.

Bulk-Micromegas快中子成像转换层的Geant4优化

基于Bulk-Micromegas探测器的快中子成像实验中,中子转换质子的转换层效率低是一个瓶颈.利用基于Geant4工具包的蒙特卡洛模拟程序并使用ROOT工具对不同中子源(Am-Be源和14MeV中子源)以及不同转换层结构和厚度对转换效率的影响进行了模拟,得到了转换率达到饱和时反冲质子的能量角度分部信息.结果表明,常规聚乙烯转换膜在转换层厚度为400和1600μm时,对Am-Be源和14MeV中子源的探测效率分别达到饱和,其效率分别为0.12%和0.35%.其次设计了3种新的转换层结构,模拟了转换率以及在气体间隙中的能量沉积.新转换膜的转换效率要明显优于传统转换层的转换效率.最高转换率达到常规转换膜的3倍.

低能Cl^(-)离子在绝缘纳米微孔膜中的传输过程

理论模拟结合实验研究了16-keVCl^(-)离子穿越不同厚度(7和12μm)的Al2O3微孔膜的物理过程,发现负离子传输中并不存在与正离子传输类似的明显的导向现象。在只考虑散射过程的情况下,模拟出的穿透粒子角分布及电荷态分布与实验结果符合很好,出射的Cl^(-)离子沿初束方向分布;Cl^(0)、Cl^(+)离子沿微孔轴向分布。仔细分析了不同出射粒子的角分布,发现出射的Cl^(+)在微孔轴向与初束方向之间分布;经单次散射出射的Cl^(0)沿微孔轴向分布,而经多次散射出射的Cl^(0)向初束方向移动。发现了Cl^(-)离子穿越不同厚度的具有相同微孔直径的Al2O3微孔时,较厚的膜出射的Cl^(+)/Cl^(0)比例低。理论分析显示,这是由散射过程的特性造成的,随着微孔膜厚度的增加,出射的Cl^(0)中经单次碰撞的比例变小,而多次散射出射的比例增加,从而导致Cl^(+)离子转化为Cl^(0)的几率要远大于Cl^(0)转化为Cl^(+)离子的几率,使得长的微孔出射的粒子中Cl^(+)/Cl^(0)比例低。