近日，中国科学院近代物理研究所在离子束操控技术领域取得突破。科研人员揭示了制约快离子束导向的关键物理机制，并成功实现了对快离子束的稳定导向，为未来发展无需外部供电、自适应“离子束导管”清除了主要障碍。相关研究于3月9日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

离子束在当前及未来的科学研究、先进制造、肿瘤治疗、诱变育种、微生物工程等领域均有不可替代的作用。离子束的传输通常由固定的真空管道、电磁透镜及其电源和控制系统等实现。科学家一直期望能研发出一种像水管导水、光纤导光一样的“离子束导管”：无需外部供电和控制系统，让离子束在管道中通过自组织电场实现自适应传输，从而推动离子束的更便捷应用。

然而，长期以来这一构想面临核心瓶颈：相关技术此前仅对低能离子有效，且工作流强仅在飞安至皮安量级。对于更高能量的离子束，导向电场会过早饱和；对于更强流的离子束，导向电场往往不稳定。这些问题均导致自适应导向失效，制约了该技术走向实际应用。

研究团队通过深入探究，首次揭示出导致电场饱和的关键机制：高能离子撞击导向通道内壁时，在沉积电荷的同时会溅射出大量二次离子；这些二次离子在电场作用下，漂落到对面内壁，沉积电荷，从而削弱原本用于导向离子束的自组织电场。

针对这一发现，团队提出了有效的解决方案，设计了带有深槽结构的导向通道。这些深槽能够阻止二次离子飞出，将沉积电荷转移至对面的比例从最高98%抑制至7%以下。同时，团队还构建了隐藏式电阻网络，解决了传统导向通道在离子辐照下的电导率不稳定问题。

基于上述策略，研究团队成功实现了对386纳安、100千电子伏五价氧离子束的稳定导向。与此前结果相比，该研究的导向电势差提升了两个数量级，流强提升了三个数量级。

该研究解决了制约快离子束自适应导向的关键难题，为实现“离子束导管”奠定了基础。

该研究由近代物理所主导，联合密苏里科技大学、曼彻斯特大学、亥姆霍兹柏林材料和能源中心、斯德哥尔摩大学、山西医科大学等机构共同完成。近代物理研究所薛迎利副研究员为论文第一作者、于得洋研究员为通讯作者。

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1103/7vwr-szkt

图1：溅射离子电流分布测量。二次离子的电荷搬运是导致导向电场过早饱和的主要原因；沟槽结构可有效抑制二次离子的电荷搬运

图2：内表面具有沟槽结构的通道对快离子束具有自适应导向效应；内表面是平面的通道对快离子束没有导向效应

（原子谱应用技术室 供稿）