Transmission of charged particles through a single glass microcapillary Bereczky Réka Judit Hungarian Academy of Sciences MTA Atommagkutató Intézete Témavezető: Tőkési Károly

Motiváció, Cél Motiváció: 1. új típusú részecsketranszport - jelenség - nanokapilláris - mikrokapilláris (technikai alkalmazások) 2. Eddigi vizsgálatok : „kapilláris kötegek” → párhuzamosság → kollektív hatások Cél: Töltött részecskék kölcsönhatásának vizsgálata egyedi, mikroszkopikus méretű üveg kapillárissal Ionterelés Elektronterelés

Ionok átvezetése Schiessl et al., PRA 72, 062902 (2005); PRL 102, 163201 (2009).

EREDMÉNYEK

1. a tézispont: minta előállítása A minták előállítására új módszer kifejlesztése Anyag: Pyrex, (SiO2 - 80.6% , B2O3 - 12.6%, Na2O - 4.2%, Al2O3 - 2.2%) Paraméterek: Átmérő: 170 μm, Hossz: 11,4 mm, Hossz/Átmérő: 67

1. b tézispont: hűthető, fűthető mintatartó Hűthető-fűthető mintatartó kifejlesztése és megépítése Kapilláris: grafit bevonat: - nincs makroszkopikus feltöltődés - szimmetrikus elektromos tér A kapillárist körbevevő réz mintatartó: - jó hővezetés - egyenletes hőmérséklet eloszlás Referencia rés, d = 100 μm, a bemenő áram intenzitásának meghatározásához R.J. Bereczky et al. Sample holder for studying temperature dependent particle guiding, NIM B 279 (2012) 182.

1. c tézispont: minta külső elektromos tér hatásának vizsgálatához Külső elektromos terek kapillárisban végbemenő önszerveződő folyamatra gyakorolt hatásának vizsgálatához speciális mintákat terveztem és építettem meg. Egyenként egy-egy ~200 μm belső átmérőjű egyenes, elektródákkal ellátott üvegkapilláris minta. Az elektródákkal ellátott kapillárist egy 3 mm külső átmérőjű alumínium csőben rögzítettük. Accepted ITS LEIF proposal, No: P09076A: The influence of external electric fields onto capillary guiding (2009).

Kísérleti berendezés I CSIGA (Capillary Slow Ion Guiding Apparatus) Collimator: d=1 mm, opening angle 0.5° Pressure < 5*10-9 mbar Acceptance angle ±0.7° Ar9+ ionok, 500V → 4.5 keV (1.5 * 105 m/s) 14.5 GHz ECR , SOPHIE (SOurce for Production of Highly charged Ions using ECR)

2. tézispont: ionterelés A nanokapillárisoknál tapasztalt töltött részecske átvezetés mikroszkopikus méretű kapillárisok esetében is megfigyelhető. Jelentős átvitel tapasztalható még a nyalábtengelyhez képest nagy szögben döntött kapillárisok esetében is. Az átviteli tér felépülése időfüggő folyamat, az egyensúlyi állapot kialakulása után ionok esetében stabil az átvitel. R.J. Bereczky, G. Kowarik, F. Aumayr, and K. Tőkési, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B 267 (2009) 317.

2. tézispont: ionterelés Az átjutott ionok szögeloszlása keskenyebb a primer nyalábénál, azaz a kapillárisnak fókuszáló, nyalábformáló tulajdonsága van. Elliptical shape of the beam is due to imaging aberrations in the mass charge separation plane. Dőlésszög (ψ) Eltérülési szög (θ) R.J. Bereczky, G. Kowarik, F. Aumayr, and K. Tőkési, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B 267 (2009) 317.

3. tézispont: az ionterelés hőmérsékletfüggése A kapilláris hőmérsékletének megváltoztatásával több nagyságrenddel tudjuk változtatni a boroszilikát üveg elektromos vezetőképességét. limit G. Kowarik, R.J. Bereczky, F. Ladinig, D. Schrempf, C. Lemell, J. Burgdörfer, K. Tőkési and F. Aumayr, The Way to Optimum Ion Guiding through Insulating Capillaries, PRL, arXiv: 1109.3953v1.

3. tézispont: az ionterelés hőmérsékletfüggése Az üveg hőmérséklete nagymértékben befolyásolja a kapillárison át történő ionáramlást, aminek hatása kompenzálható a bemenő ionárammal. σ x 10 jin x 10 G. Kowarik, R.J. Bereczky, F. Ladinig, D. Schrempf, C. Lemell, J. Burgdörfer, K. Tőkési and F. Aumayr, The Way to Optimum Ion Guiding through Insulating Capillaries, PRL, arXiv: 1109.3953v1.

Elektronok átvezetése pályaszámítás (feltöltődéssel és a nélkül) feltöltődés: másodlagos elektronkeltés? szórás helyi síkfelületen → felületi szórás (rugalmas, rugalmatlan) e e- qin qout  e-

Kísérleti berendezés II E: 300-1000 eV

4. tézispont: elektronterelés A mikroszkopikus méretű szigetelő cső is képes átvezetni az elektronokat, még a kapillárisnak a bemenő nyaláb tengelyéhez képesti nagy dőlésszöge esetén is. B.S. Dassanayake, S. Das, R.J. Bereczky, K. Tőkési, J.A. Tanis, Energy dependence of electron transmission through a single glass macrocapillary. Physical Review A 81 (2010) 020701(R).

4. tézispont : elektronterelés energiafüggése Jelentős az energiaveszteséggel átjutott elektronok járuléka. Direkt (geometria) és indirekt átvitel Az átjutott elektronok intenzitása e- szerint csökken. A karakterisztikus átviteli szög c nő a primer energia növekedésével. B.S. Dassanayake, S. Das, R.J. Bereczky, K. Tőkési, J.A. Tanis, Energy dependence of electron transmission through a single glass macrocapillary. Physical Review A 81 (2010) 020701(R).

5. tézispont: elektronterelés időfüggése A töltésfolt folyamatos növekedése, majd kisülése következtében, ellentétben az ionterelési mechanizmussal, stabil egyensúlyi állapot nem következik be, még nagy bemenő nyalábintenzitás esetén sem. B.S. Dassanayake, R.J. Bereczky, S. Das, A. Ayyad, K. Tőkési and J.A. Tanis, Time evolution of electron transmission through a single glass macrocapillary: charge build-up, sudden discharge, and recovery, Physical Review A 83 (2011) 012707.

Alkalmazás: nyalábvezetés, fókuszálás Töltött részecskék Kapilláris fólia Egyedi kapilláris Ionforrás G. Kowarik, R.J. Bereczky, F. Aumayr and K. Tőkési, Production of a microbeam of slow highly charged ions with a single microscopic glass-capillary, Nucl. Instr. and Meth. B 267 (2009) 2277.

Alkalmazás: élő szövetek, sejtek irányított besugárzása ion kapilláris sejtmag Sejttartó tálka sejt sejtszerv hagyományos nagyenergiájú ionnyaláb besugárzott terület

A doktori értekezéshez kapcsolódó publikációk: 1. R.J. Bereczky, G. Kowarik, F. Aumayr and K. Tőkési, Transmission of 4.5 keV Ar9+ ions through a single glass macrocapillary, Nucl. Instr. and Meth. B 267 (2009) 317.   2. R.J. Bereczky, G. Kowarik, C. Lemaignan, F. Aumayr, K. Tőkési, Transmission of 4.5 keV Ar9+ ions through a single glass macrocapillary. Journal of Physics 194 (2009) 132019. 3. R.J. Bereczky, B.S. Dassanayake, S. Das, K. Tőkési, J.A. Tanis, Guiding of electrons through a single glass macrocapillary. Journal of Physics 194 (2009) 132014. 4. R.J. Bereczky, G. Kowarik, C. Lemaignan, A. Macé, F. Ladinig, R. Raab, F. Aumayr, and K. Tőkési, Guiding Of Slow Highly Charged Ions Through A Single Mesoscopic Glass Capillary, CAARI 2010. AIP (2011) 119. 5. R.J. Bereczky, G. Kowarik, K. Tőkési and F. Aumayr, Sample holder for studying temperature dependent particle guiding, Nucl. Instr. and Meth. B. 279 (2012) 182. 6. G. Kowarik, R.J. Bereczky, F. Aumayr and K. Tőkési, Production of a microbeam of slow highly charged ions with a single microscopic glass-capillary, Nucl. Instr. and Meth. B 267 (2009) 2277. 7. G. Kowarik, R.J. Bereczky, F. Ladinig, D. Schrempf, C. Lemell, J. Burgdörfer, K. Tőkési and F. Aumayr, The Way to Optimum Ion Guiding through Insulating Capillaries, arXiv: 1109.3953v1. 8. B.S. Dassanayake, S. Das, R.J. Bereczky, K. Tőkési, J.A. Tanis, Energy dependence of electron transmission through a single glass macrocapillary. Physical Review A 81 (2010) 020701(R). 9. B.S. Dassanayake, R.J. Bereczky, S. Das, A. Ayyad, K. Tőkési and J.A. Tanis, Time evolution of electron transmission through a single glass macrocapillary: charge build-up, sudden discharge, and recovery, Physical Review A 83 (2011) 012707. 10. B.S. Dassanayake, S. Das, A. Ayyad, R.J. Bereczky, K. Tőkési and J.A. Tanis, Charge evolution and energy loss associated with electron transmission through a macroscopic single glass capillary, Nucl. Instr. and Meth. B 269 (2011) 1243. 11. B.S. Dassanayake, S. Das, R.J. Bereczky, K. Tőkési, J.A. Tanis, Energy dependence of electron transmission though a single glass capillary. Journal of Physics 194 (2009) 132016.

12. B. S. Dassanayake, S. Das, R. J. Bereczky, K. Tőkési, J. A 12. B.S. Dassanayake, S. Das, R.J. Bereczky, K. Tőkési, J.A. Tanis, Time evolution of electron transmission through a single glass capillary. Journal of Physics 194 (2009) 132011. Meghívott előadások 1. R.J. Bereczky: Guiding of slow highly charged ions through a single mesoscopic glass capillary, CAARI 2010 21st International Conference on the Application of Accelerators in Research and Industry, Denton, Texas, USA, 8-13 August, 2010. 2. R.J. Bereczky: The effect of temperature on guiding of slow highly charged ions through mesoscopic glass capillaries, CEPAS 2011, 5th Conference on Elementary Processes in Atomic Systems, Belgrade, Serbia, June 21 - 25, 2011. 3. R.J. Bereczky: Controlling the guiding properties of mesoscopic glass capillaries for slow highly charged ions, ICPEAC, XXVII International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions, Belfast, Northern Ireland, UK, 27 July - 2 August, 2011. Ismeretterjesztő közlemények 1. R. J. Bereczky, G. Kowarik, F. Aumayr and K. Tőkési Guiding of HCl through a single macroscopic glass-capillary, ITSLEIF Newsletters 11 (2008) . 2. K. Tőkési, R.J. Bereczky, Töltésüket megőrző parányok önterelődése makrokapillárisokban, Természet világa (2012), közlésre elfogadva Egyéb, nem referált publikációk 26 poszter és 9 előadás 15 ATOMKI Annual report FÜGGETLEN HIVATKOZÁSOK SZÁMA: 16

Köszönetnyilvánítás Tőkési Károly Friedrich Aumayr John Tanis A prezentáció elkészítését a TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0024 számú projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.

Kitekintés - További tervek, lehetőségek Mikronyaláb áthaladása vezető és szigetelő lapocskák között K. Tőkési, I. Rajta, R.J. Bereczky, K. Vad, Investigation of MeV proton microbeam transmission between two flat plates – the cases of homogeneous metallic and insulator plates, Nucl. Instr. and Meth. B. 279 (2012) 173. Gap 170 μm Glass plate Glass plate Cu housing Pozitronok mikrokapillárison át történő transzportjának vizsgálata R.D. DuBois - Missouri University of Science and Technology, Rolla, MO USA Elektronok mikrokapillárison át történő transzportjának vizsgálata A. R. Milosavljevic - Institute of Physics, University of Belgrade, Serbia Ionok és mikrokapillárisok kölcsönhatása F. Aumayr, Institute of Applied Physics, Vienna University of Technology, Austria A. Cassimi, CIMAP/CIRIL, Cean, France