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高电荷态离子在固体表面的势能沉积及其溅射出的粒子能量研究

作　者: 杨桂霞
导　师: 王铁山
学　校: 兰州大学
专　业: 粒子物理与原子核物理
关键词: 低速高电荷态离子 电子束离子源(EBIS) 扫描隧道显微镜(STM) 库仑爆炸 纳米丘 势能效应 核聚变
分类号: O562
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


近年来,高电荷态离子源、表面探测技术、超高真空（Ultra High Vacuum）技术和其他实验条件的发展为研究高电荷态离子与固体相互作用提供了很好的条件。高电荷态离子与固体相互作用时不仅会产生各种粒子溅射,如电子、原子、离子团等,还会改变固体表面局部区域的物理化学结构从而形成纳米缺陷。低速高电荷态离子与固体表面相互作用时只在表面产生纳米缺陷而对内部结构不会产生任何影响,因此高电荷态离子被认为是一种极具潜力的材料表面改性工具。本文采用Arq+离子轰击高定向石墨（Highly Oriented Pyrolytic Graphite,HOPG）样品,通过扫描隧道显微镜（Scanning Tunnel Microscope,STM）观测样品表面产生的纳米缺陷,对这些纳米缺陷尺寸进行统计得出每种离子产生的纳米丘直径和高度的平均值。高电荷态离子Arq+与高定向石墨表面相互作用时,离子的动能和势能对纳米丘的形成都有贡献,并且势能起主导作用。根据库仑爆炸模型,通过本实验以及相关实验,我们对高电荷态离子轰击固体表面产生二次离子所沉积在固体表面的势能做一个理论分析并给出相应的势能沉积份额。相对于不同的材料和入射离子组合,其势能沉积份额都不相同。在上述实验和理论分析的基础上,可以粗略估计出U92+轰击含氘靶溅射出来的氘粒子的能量。以前的许多实验表明,二次溅射离子的能量除和高电荷态离子的性质有关外,也和靶材料的性质有关。我们的研究就是希望发现入射离子和靶材料的性质对二次溅射离子能量的影响。在对各种含氘靶材料的分析中,发现有些靶材料中溅射出的氘离子最大动能超过10 keV。对于10 keV动能的氚核,D-D反应截面已经足够产生连续的核聚变。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
绪论  9-14
第一章 高电荷态离子与固体相互作用机理  14-24
  1.1.经典过垒模型(Classical Over-Barrier Model)  15-18
  1.2.电子缺陷模型(Defect Mediated)  18-20
  1.3.动能辅助势能溅射模型(Kinetically Assisted Potential Sputtering)  20-21
  1.4.库仑爆炸模型(Coulomb Explosions Model)  21-22
  参考文献  22-24
第二章 高电荷态离子源  24-29
  2.1.电子回旋共振离子源(ECRIS)  25-26
  2.2.电子束离子阱(EBIT)  26-28
  参考文献  28-29
第三章 Ar~(q+)在HOPG上产生纳米结构研究  29-40
  3.1 Ar~(q+)离子辐照实验  29-36
    3.1.1 实验过程  29-30
    3.1.2 实验仪器  30-35
    3.1.3 靶样品的制备  35-36
  3.2 Ar~(q+)离子轰击HOPG得到的图像和实验数据  36-39
    3.2.1 HOPG样品的SPM二维和三维图像  37-38
    3.2.2 Ar~(q+)离子轰击HOPG形成的纳米丘的高度和直径  38-39
  参考文献  39-40
第四章 HCI在固体靶表面的势能沉积份额  40-55
  4.1 利用库仑爆炸模型得到势能沉积及正电荷区性质  40-44
  4.2 Ar~(q+)(q=8,9)离子轰击HOPG形成纳米丘体积与动能和势能的关系  44-46
  4.3 高电荷态离子轰击不同靶得到的H/L值及原因分析  46-47
  4.4 高电荷态离子在不同靶中的势能沉积份额  47-52
    4.4.1 Xe~(q+)和Ar~(q+)轰击CaF_2和HOPG所沉积的势能份额  47-49
    4.4.2 Xe~(q+)轰击CaF_2(111)所沉积的势能份额  49-51
    4.4.3 I~(q+)轰击Si(111)-(7×7)靶所沉积的势能份额  51-52
  4.5 小结  52-53
  参考文献  53-55
第五章 高电荷态离子U~(92+)轰击含氘靶溅射出的氘粒子动能的模拟研究  55-69
  5.1 研究意义及背景  55-60
    5.1.1 研究意义  55-56
    5.1.2 现有实现可控核聚变的方法  56-60
  5.2 U~(92+)轰击含氘靶溅射出的氘粒子动能和各个参数的关系  60-63
  5.3 U~(92+)轰击含氘靶溅射出的氘粒子达到最大动能所需要的时间  63-64
  5.4 U~(92+)轰击含氘靶产生库仑爆炸形成的正电荷区的温度和压强  64-65
  5.5 小结  65-68
  参考文献  68-69
第六章 总结和展望  69-72
  6.1.总结  69-70
  6.2.展望  70-72
    6.2.1 高电荷态离子轰击石墨产生类金刚石的研究  70-71
    6.2.2 高电荷态离子轰击产生核聚变条件的研究  71-72
第七章 论文发表情况  72-73
致谢  73

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 分子物理学、原子物理学 > 原子物理学
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