近日，中國(guó)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(shí)現(xiàn)了對(duì)快離子束的穩(wěn)定導(dǎo)向，為未來(lái)發(fā)展無(wú)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(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。

離子束在當(dāng)前及未來(lái)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(shí)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(wú)需外部供電和控制系統(tǒng)，讓離子束在管道中通過(guò)自組織電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)傳輸，從而推動(dòng)離子束的更便捷應(yīng)用。

然而，長(zhǎng)期以來(lái)這一構(gòu)想面臨核心瓶頸：相關(guān)技術(shù)此前僅對(duì)低能離子有效，且工作流強(qiáng)僅在飛安至皮安量級(jí)。對(duì)于更高能量的離子束，導(dǎo)向電場(chǎng)會(huì)過(guò)早飽和；對(duì)于更強(qiáng)流的離子束，導(dǎo)向電場(chǎng)往往不穩(wěn)定。這些問(wèn)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(duì)通過(guò)深入探究，首次揭示出導(dǎo)致電場(chǎng)飽和的關(guān)鍵機(jī)制：高能離子撞擊導(dǎo)向通道內(nèi)壁時(shí)，在沉積電荷的同時(shí)會(huì)濺射出大量二次離子；這些二次離子在電場(chǎng)作用下，漂落到對(duì)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(chǎng)。

針對(duì)這一發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)提出了有效的解決方案，設(shè)計(jì)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(duì)面的比例從最高98%抑制至7%以下。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)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(wèn)題。

基于上述策略，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)386納安、100千電子伏五價(jià)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(shì)差提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，流強(qiáng)提升了三個(gè)數(shù)量級(jí)。

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(shí)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(cè)量。二次離子的電荷搬運(yùn)是導(dǎo)致導(dǎo)向電場(chǎng)過(guò)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(yùn)

圖2：內(nèi)表面具有溝槽結(jié)構(gòu)的通道對(duì)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(duì)快離子束沒(méi)有導(dǎo)向效應(yīng)

（原子譜應(yīng)用技術(shù)室 供稿）