Nagytöltésű ionok áthaladása nanokapillárisokon Juhász Zoltán 20 éves az Elektron-ciklotronrezonanciás Ionforrás Laboratórium
Felfedezés (2002): Lassú ionok képesek áthaladni szigetelő fóliákban kialakított nanocsövecskéken nagy beesési szög esetében is, az ionok a kapilláris irányában távoznak (terelés). Az ionterelést a kapillárisok feltöltődése okozza (önszervező jelenség) Anyag: polietilén-tereftalát (PET) d 100nm, L/d 100 (hossz-átmérő arány nagy!) Y Stolterfoht et al. PhysRevLett.88.133201
Első eredmények: ECR ionforrás Y Ionnyaláb Dőlésszög Minta Megfigyelési szög Ionspektrométer Feliratok:kapilláris dőlésszögei (Y) Stolterfoht et al. PhysRevLett.88.133201 (Megfigyelési szög: (fok))
Tapasztalatok: Az átvitt ionok több mint 90%-a megtartja eredeti töltésállapotát nem jutnak a felület közelébe A átvitelhez idő kell
Kapilláris feltöltődésének szimulációja
Kísérletek az ATOMKI-ban ECR ionforrás Y Ionnyaláb Dőlésszög Minta Megfigyelési szög Ionspektrométer, MCP vagy Faraday-csésze Polikarbonát (PC) kapillárisok (baktériumszűrő) Polietilén-teraftalát (PET) kapillárisok (Berlin) Üveg kapillárisok (Multi channel plate (MCP) detektorból) Al 2 O 3 kapillárisok (Louvain-i Egyetem, Belgium)
Az áteresztett ionok töltéseloszlása elektrosztatikus spektrométerrel Párhuzamos lemezpár elektrosztatikus spektrométer Belépő ionok: 3 kev Ne 6+ Ne 6+ 10 5 Mita: Al 2 O 3, d=260 nm Dõlésszög: 5 o céltárgy ionnyaláb részecskedetektor U Intenzitás (tetsz. egység) 10 4 10 3 10 2 10 1 Ne 5+ Ne 4+ Ne 3+ Ne 2+ 10 0 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 2 3 Energia/töltés (kev) Juhász et al.nucl. Instr. and Meth. B 267, 321 (2009). Ne 1+ A kilépő ionok többsége megtartja eredeti töltésállapotát! Semlegeseket itt nem tudunk mérni.
Kétdimenziós szögeloszlások MCP detektorral Multi Channel Plate (MCP) detektor 40 mm Kapilláris minta Ar7+ Ar 3keV Ar 7+ nyaláb Dőlésszög (Ψ) + Q lerakott A A semlegesek is tanulmányozhatók
PET mintán áthaladt ionok időfüggése (az ionok jobbra-balra eltérülése) Kétdimenziós szögeloszlások
Mind az intezitás mind a kibocsájtási szög oszcillál. A fázisviszonyok információt hordoznak a belső folyamatokról Átl. kibocsájtási szög (fok) 7 6 5 Ar 7+ (a) Csillapodó oszcillációk Átl. kibocsájtási szög (fok) 4 6 5 4 5 Ar Ar 7+ (b) (c) A semlegeseké fázisban megelőzi az ionokét Intenzitás 0-5 0 100 200 300 Lerakott töltés (nc) Juhasz et al. Phys. Rev. A 82, 062903 (2010). (ATOMKI mérés) Kapcsolatban álnak az intenzitás oszcillációkkal
Az intenzitások időbeli fejlődése 10.0 7.5 PET d=200nm Ar 7+ (a) Az időfejlődést jól leírja a következő exponenciális formula: Intenzitás 5.0 2.5 0.0 0.10 Ar (b) Q c =118 nc Q s =13 nc de oszcilláló eltérések mutatkoznak. A semlegesek azonnal megjelennek és előbb érik el a telítődést. Következtetés: A semlegesek inkább a belépő és középső szakaszokról érkeznek nem a kijárattól. 0.05 Q c =33 nc Q s =4 nc (a) Ions: Neutrals: 0.00 0 100 200 300 Lerakott töltés (nc) Juhasz et al. Phys. Rev. A 82, 062903 (2010). (ATOMKI mérés) g n s (b)................
Ionok áthaladása MCP-üveg kapillárisokon (szabálytalan átvitel) Transzmisszió(%) Ionok intenzitásának fejlődése 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0 1000 2000 3000 4000 5000 Lerakott töltés (nc)
Ionok és atomok blokkolódása polikarbonát fóliákban Kapillárismintaként használt baktériumszűrő felszíne 3keV Ar 7+, 170 nm, 30 m, PC,Y=5.5 0.150 Q b = 49 nc a) Intenzitás 0.100 0.050 Ar 7+ Ionok 0.000 0.015 Q b = 64 nc b) Elzáródási jelenség Intenzitás 0.010 0.005 Ar Atomok 0.000 0 50 100 150 200 ATOMKI mérés Lerakott töltés (nc)
Következtetések: - Az ionok terelése egy érdekes önszervező jelenség -Klasszikus elektrodinamikai rendszerek is meglepő jelenségeket tudnak produkálni -Különböző anyagok nagyon eltérő viselkedést mutatnak (keveset tudunk a szigetelők elektromos tulajdonságairól) - A semlegesített lövedékek tanulmányozása nagyban hozzájárul a jelenség megértéséhez -A jelenségnek fontos alkalmazási lehetőségei vannak, pl. sejtek, DNS molekulák irányított besugárzása, fókuszáló elem: -Atomnyalábok előállítására is lehetne nanokapillárisokat használni
Résztvevők: ATOMKI Biri Sándor Fekete Éva Herczku Péter Iván István Juhász Zoltán Kovács Sándor Kövér Ákos Rácz Rihárd Sulik Béla Tőkési Károly Debreceni Egyetem Pálinkás József Takács Endre Víkor György UCL, Belgium Mátéfi-Tempfli Mária Mátéfi-Tempfli István HMI, Berlin Stolterfoht, Nico