低能電子在外層導(dǎo)電屏蔽的玻璃錐管中的傳輸?

錢立冰 李鵬飛 靳博 靳定坤 宋光銀 張琦 魏龍牛犇 萬成亮 周春林 Arnold Milenko Müller Max Dobeli

宋張勇4) 楊治虎4) Reinhold Schuch5) 張紅強(qiáng)1)?陳熙萌1)?

1)(蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,蘭州 730000)

2)(中國核動力研究設(shè)計(jì)院,成都 610005)

3)(ETH Swiss Federal Institute of Technology,8092 Zurich,Switzerland)

4)(中國科學(xué)院近代物理研究所,蘭州 730000)

5)(Physics Department,Stockholm University,S-106 91 Stockholm,Sweden)

低能電子在外層導(dǎo)電屏蔽的玻璃錐管中的傳輸?

錢立冰1)李鵬飛1)靳博1)靳定坤1)宋光銀1)張琦1)魏龍1)牛犇1)萬成亮1)周春林2)Arnold Milenko Müller3)Max Dobeli3)

宋張勇4)楊治虎4)Reinhold Schuch5)張紅強(qiáng)1)?陳熙萌1)?

1)(蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,蘭州 730000)

2)(中國核動力研究設(shè)計(jì)院,成都 610005)

3)(ETH Swiss Federal Institute of Technology,8092 Zurich,Switzerland)

4)(中國科學(xué)院近代物理研究所,蘭州 730000)

5)(Physics Department,Stockholm University,S-106 91 Stockholm,Sweden)

(2017年2月9日收到;2017年3月13日收到修改稿)

采用新的具有常數(shù)錐角的玻璃錐管,并對玻璃錐管進(jìn)行了外表面導(dǎo)電屏蔽,通過對電子穿越玻璃錐管的二維角分布隨時間演化的觀測,研究了低能電子與玻璃管相互作用的機(jī)制.發(fā)現(xiàn)電子穿越完全放電的玻璃錐管時穿透率先下降后平穩(wěn),整個過程中角分布中心發(fā)生微小移動,但角分布的半高寬幾乎保持不變.這與我們之前發(fā)表的工作(2016 Acta Phys.Sin.65 204103)不同,這是由于對玻璃錐管進(jìn)行外表面導(dǎo)電屏蔽會阻止外界不確定的快速充放電的影響,并形成了新的穩(wěn)定放電通道,有利于實(shí)現(xiàn)電子的穩(wěn)定穿透.電子的穿透率隨傾角呈類似矩形的分布,透射電子的角分布中心伴隨傾角的變化而移動,其穿透所容許的傾角與幾何穿透一致.

電子,導(dǎo)電效應(yīng),玻璃管

1 引 言

近些年來,荷電粒子與絕緣體納米微孔相互作用的研究成為離子束研究領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn).這是由于在納米微孔的傾角遠(yuǎn)大于由納米微孔縱橫比決定的幾何張角處觀察到了穿透離子,這些穿透離子的電荷態(tài)和能量與入射離子相同,這種現(xiàn)象被稱為導(dǎo)向效應(yīng)[1?4].導(dǎo)向效應(yīng)最早是采用3 keV的Ne7+穿透聚對苯二甲酸類塑料(polyethylene terephthalate,PET)膜上的納米微孔后被發(fā)現(xiàn)的[1].導(dǎo)向效應(yīng)是初始離子與微孔的相互作用使在孔管內(nèi)壁自組織形成電荷斑,這種電荷斑沿著微孔軸向按序列分布[4],從而形成阻止入射離子與表面近碰撞的電場,后續(xù)粒子沿著玻璃管的軸向出射.絕緣毛細(xì)管的導(dǎo)向效應(yīng)為新的帶電粒子及離子束光學(xué)方法的產(chǎn)生帶來可能.國內(nèi)外已有許多研究組開展了這方面的工作,通過用各種入射離子束(高電荷態(tài)離子、單電荷態(tài)離子、分子離子、電子、μ子、正電子和負(fù)離子)來打各種各樣的絕緣納米毛細(xì)管(PET,SiO2,Al2O3,PC和云母)、玻璃毛細(xì)管(出口處為微米到納米量級)以及絕緣管子(聚四氟乙烯和玻璃)來研究導(dǎo)向效應(yīng)[5?20].更詳細(xì)的關(guān)于這個領(lǐng)域的工作可參閱綜述文獻(xiàn)[21,22].

已有的關(guān)于導(dǎo)向效應(yīng)的研究大多數(shù)集中在高電荷態(tài)離子與納米微孔的作用,其結(jié)果清晰,物理機(jī)制也研究得比較清楚明確,但是目前為止,關(guān)于電子的導(dǎo)向效應(yīng)的物理機(jī)制存在爭論,就連涉及導(dǎo)向效應(yīng)的最基本的機(jī)制,即入射粒子沉積負(fù)電荷產(chǎn)生一個有利于后續(xù)粒子傳輸?shù)呢?fù)電場也處于爭論中.2007年,美國的研究小組采用低能電子穿越PET絕緣納米毛細(xì)管[5],這是關(guān)于電子與納米微孔的導(dǎo)向效應(yīng)的最早的研究之一.他們通過穿透電子能譜發(fā)現(xiàn)一部分穿透電子有明顯的能量損失,并且這種能量損失隨著毛細(xì)管傾角的變大而增加.這與在高電荷態(tài)離子與玻璃毛細(xì)管相互作用的實(shí)驗(yàn)中觀察到的絕大多數(shù)穿透粒子未發(fā)生能量損失和電荷交換有很大的不同.隨后的理論模擬結(jié)果顯示[14],電子在這個納米微孔中的沉積電荷和電場與離子完全不同,沒有在入口處產(chǎn)生明確的負(fù)電荷斑造成的負(fù)電場.但是該研究小組堅(jiān)持在實(shí)驗(yàn)中尋找與理論模擬結(jié)果不同的證據(jù)來證明有負(fù)電荷斑造成的負(fù)電場[7?9].同時,塞爾維亞的Milosavljevi?等[6]采用Al2O3微孔膜,發(fā)現(xiàn)了電子穿透率隨時間下降,但是他們測量的角分布特征又與正離子導(dǎo)向效應(yīng)相似.這種在電子導(dǎo)向效應(yīng)研究中的前后矛盾和不一致的結(jié)果一直困繞著這個領(lǐng)域內(nèi)的研究者.之前的電子導(dǎo)向效應(yīng)的實(shí)驗(yàn),尤其是涉及動力學(xué)過程的實(shí)驗(yàn)是用一維靜電能譜儀來測量穿透電子的能譜和角分布[5,6].由于一維靜電能譜儀在入口處有一個狹縫,在每一步測量中只能容許穿透電子角分布的一部分被測量到,而且探測器的角度移動是機(jī)械移動,因此無法對時間依賴的穿透電子的角分布在秒量級的快速變化進(jìn)行跟蹤測量,進(jìn)而使得對于電子是否沉積負(fù)電荷而發(fā)生類似正離子的導(dǎo)向效應(yīng)的觀測和理解是有困難的.

為了克服這個缺點(diǎn),我們利用微通道板(MCP)與熒光板以及電荷耦合器相機(jī)(charge coupled device,CCD)組成的二維成像系統(tǒng)[23,24]直接獲得穿透電子全角分布的時間演化和動力學(xué)過程,研究穿透電子角分布在快速充放電過程中的變化[6].發(fā)現(xiàn)低能電子在玻璃直管和錐管中存在多次快速充放電的振蕩行為:每次充放電過程持續(xù)幾秒,穿透強(qiáng)度先增大后減小,整個過程伴隨著角分布中心的移動,以及角分布寬度的先增大后減小,整個振蕩顯示了電子穿越玻璃錐管時極不穩(wěn)定的穿透行為.這與高電荷態(tài)離子比較穩(wěn)定的穿透率和規(guī)則變化的角分布有著很大的區(qū)別.同時我們的研究也證明,對電子在絕緣毛細(xì)管中導(dǎo)向效應(yīng)的動力學(xué)過程及機(jī)理的研究必須考慮穿透角分布的移動和演化問題.

本文,我們對玻璃錐管進(jìn)行了外表面導(dǎo)電屏蔽,從而阻止了外界不確定的快速充放電的影響,并形成了新的穩(wěn)定放電通道,從而獲得了1.5 keV的低能電子束通過高硼硅玻璃錐管的穩(wěn)定穿透.研究發(fā)現(xiàn)電子穿透率隨傾角呈類似矩形的分布,在穿透率平穩(wěn)區(qū)域的傾角改變值與毛細(xì)管的幾何張角相一致.當(dāng)傾角大于幾何張角時,穿透率快速減小.穿透電子角分布中心移動的角度小于傾角改變的角度.當(dāng)傾角在幾何張角容許范圍內(nèi)時角分布的寬度幾乎保持不變,但在大于幾何張角的傾角下穿透電子的角分布寬度也快速減小.對1.5 keV電子穿越完全放電后的玻璃錐管在?0.6?傾角下的二維角分布的時間演化測量發(fā)現(xiàn),電子穿透率隨時間下降到一個值后保持不變,穿透電子角分布中心發(fā)生微小移動,整個角分布的寬度基本保持不變.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.由電子槍產(chǎn)生能量為1.5 keV的低能電子束,通過弧形偏轉(zhuǎn)板做90?偏轉(zhuǎn),經(jīng)過水平和豎直偏轉(zhuǎn)板以及管式電透鏡的傳輸后,通過兩個四級狹縫以及螺線圈準(zhǔn)直聚焦[25],成為束斑大小為0.5 mm×0.5 mm、強(qiáng)度為21.3 fA/mm2的電子束.為減少地球磁場對電子束流傳輸和探測的影響,我們對整個束流傳輸系統(tǒng)和探測系統(tǒng)進(jìn)行了地球磁屏蔽.

穿越的電子轟擊在MCP上,經(jīng)多次倍增后轟擊在P43型熒光材料構(gòu)成的熒光板上產(chǎn)生綠色熒光,熒光經(jīng)45?全反射鏡反射透過真空隔離石英窗(對綠光的透射率接近100%)進(jìn)入CCD相機(jī)成像.實(shí)驗(yàn)所用的CCD相機(jī)量子效率為75%,610萬有效像素,芯片大小為1英寸.CCD相機(jī)曝光時間范圍1 ms—160 min,增益范圍15—42 dB,測量時CCD的曝光時間為500 ms,增益為25 dB.

實(shí)驗(yàn)中錐形玻璃管在瑞士蘇黎士聯(lián)邦理工學(xué)院制備,其入口內(nèi)徑為1.2 mm,出口直徑為225μm,其中直管端長為23.3 mm,錐形部分長為35.1 mm,錐形部分的張角即錐角δ=0.8?為常數(shù),實(shí)驗(yàn)中玻璃管外表面除從出口開始1.1 mm長的部分絕緣外,其他位置都涂有導(dǎo)電層以防止不穩(wěn)定的充放電現(xiàn)象[25].在玻璃管入口處增加了一狹縫,孔徑為0.3 mm,如圖2所示.這是為了防止電子打在入口表面充電,從而影響后續(xù)的電子進(jìn)入玻璃管內(nèi),同時這樣做會使得玻璃錐管入口尺寸比束流尺寸小.玻璃管入口(0.3 mm)與出口(225μm)之間的發(fā)散角β為0.26?.

玻璃錐管安裝在一個5維調(diào)角器上,可以在三個方向(前后、左右、上下)獨(dú)立移動并沿著水平面(傾角)和豎直平面(仰角)內(nèi)獨(dú)立轉(zhuǎn)動.玻璃錐管入口對應(yīng)傾角和仰角角度旋轉(zhuǎn)的中心,標(biāo)記玻璃錐管傾角α為玻璃管中心軸與束流在水平方向的夾角,定義?和θ為水平方向和豎直方向的探測角度(如圖1所示).探測系統(tǒng)可以在水平面內(nèi)以靶室中心豎直軸為軸轉(zhuǎn)動.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)實(shí)驗(yàn)裝置和探測角幾何示意圖Fig.1.(color online)Schematic diagram of experimental setup and the geometry of the observation angles.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)玻璃毛細(xì)錐管示意圖Fig.2.(color online)Schematic diagram of the conical glass capillaries.

我們在二維探測器上獲取的初始電子束的角分布如圖3所示,其中曲線a和b分別是束斑在?和θ方向的投影.由束斑的大小(水平方向尺寸和豎直方向尺寸都為0.5mm)可以得出對應(yīng)以靶室為中心的角發(fā)散度為0.35?,電子束的束流角發(fā)散則不大于這個值.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)1.5 keV入射電子束的二維角分布圖像,其中曲線a,b分別為二維角分布在?方向和θ方向的投影,紅色實(shí)線為高斯擬合曲線Fig.3.(color online)The incident beam(1.5 keV electrons)image and corresponding projections on the ? plane(curve a)and θ plane(curve b).The solid lines in the projections are Gaussian fi t curves.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 不同入射傾角下電子穿越玻璃錐管的穩(wěn)態(tài)角分布

圖4 (網(wǎng)刊彩色)不同傾角下1.5 keV電子穿越玻璃錐管的二維角分布Fig.4.(color online)The two dimensional angle distributions of 1.5 keV electrons transmitted through the conical glass capillary for various tilt angle(α angle).

我們仔細(xì)地調(diào)節(jié)了電子穿透玻璃錐管時其傾角和仰角的變化,以尋找最大穿透率的角度,確定了0?位置(調(diào)角器傾角最小步長為0.0025?,由精密步進(jìn)馬達(dá)控制).為了精細(xì)地測量穿透電子角分布隨傾角的變化,設(shè)傾角移動步長為0.05?.圖4顯示了部分不同傾角α下電子穿越玻璃錐管的穩(wěn)態(tài)角分布,每幅圖像左側(cè)標(biāo)示出所對應(yīng)的傾角.為了清楚地研究角分布的變化情況,我們將穿透電子二維角分布在?方向投影,如圖5所示,圖中給出了實(shí)驗(yàn)測量的出射電子角分布半高寬.當(dāng)α=?0.6?時,穿透角分布中心為?0.35?,隨著傾角的移動,穿透電子角分布中心也移動,但與入射傾角不呈現(xiàn)離子那樣的一對一的關(guān)系[1].圖6為穿透電子角分布的寬度隨傾角的變化.在傾角為0?附近,我們測量到的角分布半高寬為0.23?左右,這與錐管的幾何張角非常符合(出口與入口形成的準(zhǔn)直角為0.26?).電子穿越玻璃錐管的出射電子透射率隨入射傾角呈矩形分布,如圖7所示.可以看出在?0.2?到0.2?之間透射率幾乎沒有變化.

3.2 電子穿越玻璃錐管隨入射電荷(時間)的演化

為研究電子與玻璃錐管相互作用中的充放電機(jī)制,我們采用1.5 keV電子,測量其穿越完全放電后的玻璃錐管在?0.6?傾角下的二維角分布隨時間的演化.圖8(a)是穿透電子的二維角分布,其中?和θ分別為水平方向和豎直方向的探測角度(如圖1所示),由圖可見,開始時出現(xiàn)大亮斑,隨后逐漸變暗,最后保持不變.為了研究角分布的變化情況,我們將二維角分布在?方向投影,圖8(b)是充放電過程中?方向角分布隨時間的演化,其中紅色實(shí)線為高斯擬合曲線.可以看出對于玻璃錐管,穿透電子的強(qiáng)度峰值沒發(fā)生大角度的移動.為了便于定量比較這種角分布的時間演化,我們在圖9中給出了充放電過程中?方向角分布中心位置隨時間的演化,整個過程中穿透角分布中心有所移動,穿透角分布中心最先出現(xiàn)在?0.35?位置,隨后移動并穩(wěn)定在?0.33?.整個角分布的寬度基本保持在0.1?左右.圖10所示為電子穿越玻璃錐管的透射率隨時間的演化,透射率先減小后達(dá)到一個平穩(wěn)值.圖中橫坐標(biāo)下部以時間標(biāo)記,橫坐標(biāo)上部表示與時間相對應(yīng)的電荷累積量.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)不同傾角下穿透電子二維角分布在?方向的投影(為了更好地顯示角分布,α=?0.6?時的角分布強(qiáng)度在圖中被放大了10倍)Fig.5.(color online)The transmitted angular distributions projected onto the ? plane for various tilt angle(α angle),and the intensity is ampli fi ed up to 10 times at tile angle?0.6?.

圖6 ?方向上穿透電子角分布半高寬隨傾角的變化Fig.6.The full width at half maximum of the transmitted angular distributions in the ? plane for various tilt angle(α angle).

圖7 1.5 keV電子穿越玻璃錐管時透射率隨傾角的變化Fig.7. The transmission rate of 1.5 keV electrons through the conical glass capillaries as a function of tilt angle(α angle).

3.3 結(jié)果討論

我們觀測到了電子穿透玻璃錐管之后的穩(wěn)定角分布,意味著電子與玻璃錐管相互作用時的充放電過程達(dá)到了一個平衡狀態(tài),這與之前觀察到的快速充放電現(xiàn)象[25]不同,差別在于我們對玻璃錐管進(jìn)行了外表面導(dǎo)電屏蔽,從而阻止了外界不確定的快速充放電影響并形成了新的穩(wěn)定放電通道,這種構(gòu)型有利于實(shí)現(xiàn)電子的穩(wěn)定穿透.這對于后續(xù)采用玻璃錐管等其他絕緣體材料作為電子束流光學(xué)傳輸元件有著極大的啟發(fā)意義.

玻璃錐管幾何張角β=0.26?束流發(fā)散度σ=0.35?時,幾何穿透情況下容許的穿透角度為這與實(shí)驗(yàn)測量的結(jié)果(0.4?)相符合.電子在玻璃錐管中的最大穿透率為0.55,也與幾何穿透率0.56相符合.同樣,電子穿透角分布的中心沒有像離子那樣隨傾角一對一移動,而是在幾何穿透角容許的范圍內(nèi)移動,玻璃錐管如同幾何準(zhǔn)直,只有被容許的特定發(fā)散角的入射電子才能穿越,實(shí)驗(yàn)中在大于幾何張角容許的傾角下未觀察到明顯的出射電子.

對于完全放電的玻璃錐管動力學(xué)過程的實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn),穿透電子角分布的中心移動方向和穿透率隨入射電荷(時間)的變化等穿透特性顯示電子穿越絕緣體玻璃錐管的傳輸機(jī)制與高電荷態(tài)離子有很大不同:對于電子入射,由于玻璃的二次電子發(fā)射系數(shù)在實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?.5 keV下大于1,這會使得直接暴露到電子束的玻璃錐管的內(nèi)表面被充了正電,從而形成了阻止后續(xù)入射電子穿透的正電場,如圖11所示.這將使得與束流直接接觸的帶正電的內(nèi)表面偏轉(zhuǎn),后續(xù)電子向小觀察角即?=0?方向變化,這與實(shí)驗(yàn)中觀察到的微小移動方向一致(從?0.35?到?0.33?),這個電場也將導(dǎo)致穿越電子被偏轉(zhuǎn)到孔壁上而無法穿越,從而導(dǎo)致電子穿透率隨時間下降,而不是像離子導(dǎo)向效應(yīng)中那樣隨時間上升.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)(a)1.5 keV電子穿越傾角為?0.6?的玻璃錐管時二維角分布隨時間的演化;(b)對應(yīng)的二維角分布在?方向的投影隨時間的演化Fig.8.(color online)(a)The two dimensional angle distributions of 1.5 keV electrons at tile angle?0.6?transmitted through the conical glass capillary for various time;(b)the transmitted angular distributions projected onto the ? plane for various time.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)1.5 keV電子穿越傾角為?0.6?的玻璃錐管時出射電子?方向角分布中心位置隨時間的變化,其中,橫坐標(biāo)下部以時間標(biāo)記,橫坐標(biāo)上部表示與時間相對應(yīng)的電荷累積量(e/capillary),紅色的點(diǎn)對應(yīng)圖8所呈現(xiàn)的二維穿透電子角分布Fig.9.(color online)The center position of the transmitted angular distributions of 1.5 keV electrons in the ?plane for various time at tile angle ?0.6?.In the lower of the abscissa,the unit is time,and the upper of abscissa shows the accumulation of charge(e/capillary),corresponding to time.

圖10 (網(wǎng)刊彩色)1.5 keV電子穿越傾角為?0.6?的玻璃錐管時透射強(qiáng)度隨時間的演化,其中,橫坐標(biāo)下部以時間標(biāo)記,橫坐標(biāo)上部表示與時間相對應(yīng)的電荷累積量(e/capillary),紅色的點(diǎn)對應(yīng)圖8所呈現(xiàn)的二維穿透電子角分布Fig.10.(color online)The transmission rate of 1.5 keV electrons through glass capillaries as a function of time at tile angle ?0.6?.In the lower of the abscissa,the unit is time,and the upper of abscissa shows the accumulation of charge(e/capillary),corresponding to time.

圖11 (網(wǎng)刊彩色)1.5 keV電子穿越傾角為?0.6?的玻璃錐管時兩者相互作用過程示意圖Fig.11.(color online)Scenario of 1.5 keV electrons transmitted through the glass capillary at the tile angle of?0.6?.

4 結(jié) 論

我們通過實(shí)驗(yàn)測量了低能電子穿透外層導(dǎo)電屏蔽的玻璃錐管隨時間和傾角變化的全角分布二維圖像,發(fā)現(xiàn)低能電子在錐管中的一種直接穿透現(xiàn)象.電子穿越不同傾角的玻璃管時,出射電子的穿透率呈矩形,穿透率和角分布寬度在幾何張角容許范圍內(nèi)是一個不變值,穿透角分布中心隨傾角發(fā)生微小移動.電子穿越完全放電的玻璃錐管時穿透率先下降后平穩(wěn),整個過程中角分布中心發(fā)生微小移動.電子穿越玻璃錐管只在幾何容許的角度范圍內(nèi)觀察到出射電子,這與高電荷態(tài)離子在大于幾何容許的角度范圍內(nèi)觀察到出射離子的過程有很大不同.帶負(fù)電的電子與帶正電的離子與絕緣體材料的相互作用過程的電荷沉積方式不同,電子穿越時沒有形成有利于電子傳輸?shù)呢?fù)電荷斑,而正電離子卻能形成正的電荷斑,利于后續(xù)入射離子傳輸而形成導(dǎo)向效應(yīng).

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[23]ALPHA Collaboration,Andresen G B,Bertsche W,Bowe P D,Bray C C,Butler E,Cesar C L,Chapman S,Charlton M,Fajans J,Fujiwara M C,Gill D R,Hangst J S,Hardy W N,Hayano R S,Hayden M E,Humphries A J,Hydomako R,J?rgensen L V,Kerrigan S,Kurchaninov L,Lambo R,Madsen N,Nolan P,Olchanski K,Olin A,Povilus A P,Pusa P,Sarid E,Seif S,Silveira D M,Storey J W,Thompson R I,Vander D P,Yamazaki Y 2009 Rev.Sci.Instrum.80 123701

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PACS:41.85.Ja,41.85.Lc,41.75.FrDOI:10.7498/aps.66.124101

Transmission of electrons through the conical glass capillary with the grounded conducting outer surface?

Qian Li-Bing1)Li Peng-Fei1)Jin Bo1)Jin Ding-Kun1)Song Guang-Yin1)Zhang Qi1)Wei Long1)Niu Ben1)Wan Cheng-Liang1)Zhou Chun-Lin2)Arnold Milenko Müller3)Max Dobeli3)Song Zhang-Yong4)Yang Zhi-Hu4)Reinhold Schuch5)Zhang Hong-Qiang1)?Chen Xi-Meng1)?

1)(School of Nuclear Science and Technology,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)
2)(Nuclear Power Institute of China,Chengdu 610005,China)
3)(ETH Swiss Federal Institute of Technology,8092 Zurich,Switzerland)
4)(Institute of Modern Physics,Chinese Academy of Science,Lanzhou 730000,China)
5)(Physics Department,Stockholm University,S-106 91 Stockholm,Sweden)

9 February 2017;revised manuscript

13 March 2017)

The transmission of 1.5 keV-electrons through a conical glass capillary is reported.This study aims to understand the so-called guiding e ff ect for the negatively charged particles(e.g.electrons).The guiding mechanism is understood quite well with positively charged particles in particular highly charged ions,but not clear with electrons,i.e.,even the basic scheme mediated by the existence of negative charge patches to guide the electrons is still somewhat controversial.

The study of the charging-up dynamics causing the electrons transport inside the capillary will shed light on this issue.In order to perform this,a data acquisition system has been setup to follow the time evolution of the twodimensional angular distribution of the transmitted electrons.The electrons are detected by the multi-channel plate(MCP)detector with a phosphor screen.The image from the phosphor screen is recorded by a charge-coupled device camera.The timing signals for the detected events are extracted from the back stack of the MCP detector and recorded by the data acquisition system,synchronized with the acquired images.The electron beam has a size of 0.5 mm×0.5 mm and a divergence of less than 0.35?.The inner diameter of the straight part of the capillary is 1.2 mm and the exit diameter is 225μm.A small conducting aperture of 0.3 mm in diameter is placed at the entrance of the capillary.Two-dimensional angular distribution of the transmitted electrons through conical glass capillary and its time evolution are measured.The results show that the transmission rate decreases and reaches to a constant value for the completely discharged glass capillary with time going by.The centroid of the angular distribution moves to an asymptotic value while the width remains unchanged.These transmission characteristics are di ff erent from those indicated in our previous work(2016 Acta Phys.Sin.65 204103).The di ff erence originates from the di ff erent manipulations of the capillary outer surface.A conducting layer is coated on the outer surface of the capillary and grounded in this work.This isolates various discharge/charge channels and forms a new stable discharge channel.The transmission rate as a function of the tilt angle shows that the allowed transmission occurs at the tilt angle limited by the geometrical factors,i.e.,the geometrical opening angle given by the aspect ratio as well as the beam divergence.The transmission characteristics suggest that most likely there are formed no negative patches to facilitate the electron transmission through the glass capillary at this selected beam energy.It is di ff erent from that of highly charged ions,where the formation of the charge patches prohibits the close collisions between the following ions and guides them out of the capillary.

electron,guiding e ff ect,glass capillaries

10.7498/aps.66.124101

?國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:11475075)資助的課題.

?通信作者.E-mail:zhanghq@lzu.edu.cn

?通信作者.E-mail:chenxm@lzu.edu.cn

?2017中國物理學(xué)會Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.11475075).

?Corresponding author.E-mail:zhanghq@lzu.edu.cn

?Corresponding author.E-mail:chenxm@lzu.edu.cn