束斑直径在微米量级的离子束(以下简称“微离子束”)可以用来进行微米尺度上的材料表面分析、刻蚀和表面修饰。利用电磁透镜聚束的传统方法(例如FIB)可以将束流有效地聚束,但具有系统建设成本高、对前级束流的发射度和能量均一度要求高等缺点。　　 用变径玻璃毛细管聚焦离子束是近年来发展起来的一种获取微离子束的新方法,此方法从纳米孔阵列对低能高电荷态重离子(slow HCIs)的导向作用延伸而来,具有建设成本低、对前级束流要求低、使用方便等优点。2003年以来,世界多家实验室建立了基于变径玻璃毛细管的微米离子束装置,开展了利用此技术进行的一系列实验。　　 这些实验按所聚束离子束种类可分为低能(eV-keV)高电荷态重离子(HCIs)和高能(～MeV)轻离子两种。其中低能高电荷态重离子(slow HCIs)被会聚到微米量级后,常用于材料表面微区元素分析、原子修饰等。而高能轻离子束具有能量高、溅射原子少的特点,其微米/亚微米离子束可用于材料表面及一定深度区域内元素微区分析(RBS、NRA等)和样品表面微米量级图案的直写加工等技术领域。　　 为了掌握毛细管聚束技术,利用毛细管获取更为理想和符合要求(离子束流强、流强密度、能量分布特征等参数)的离子束,需要对离子束在毛细管中的聚束机制有一个较为准确的认识。目前对于低能HCIs的聚束研究较多,对其聚束机制了解较为详细,普遍认为“入射离子在毛细管内沉积所产生自建电场”是低能HCIs在毛细管内产生聚束作用的主要原因。但对于MeV能量轻离子在变径玻璃毛细管中的聚束研究多是现象的描述,机制研究还不够深入,没有清晰的物理图像,更没有定量的物理模型。仅从现象上看,MeV能量轻离子聚束过程和低能.HCIs存在明显的不同,主要表现在:(1)建立稳定聚焦束流所需的时间不同,对于低能HCIs离子束,建立稳定束流所需的时间从几秒到几十秒不等,但对于MeV能量轻离子,通常观测不到这个束流建立的过程,聚束几乎在瞬间发生。(2)出射流强对于毛细管的倾角变化更加敏感,在倾角变化相同幅度时,流强衰减的现象更为严重。这说明MeV能量轻离子和低能HCIs离子在毛细管中的聚束有着不同的机制。　　 北京大学核科学与核技术国家重点实验室拥有一台2×1.7 MV直线串列加速器,离子束分析是重要用途之一。在此加速器上建立变径玻璃毛细管聚束装置能大大扩展其应用范围,本论文的工作即以此为目的。由于对离子束分析和直写图案注入的兴趣,为获得更好的束流参数,本文的研究侧重于高能MeV能量离子束在变径玻璃毛细管中聚束过程及其参数依赖关系及聚焦机制的探索。　　 我们首先制备了多种形状(改变锥角、针尖长度、针尖开口大小、针尖形状等)的变径玻璃毛细管。并利用它们在2×1.7 MV直线串列加速器上进行了聚焦2 MeV He+离子束的实验。为了方便切换所测量的束流参数,我们设计了四维移动平台,以在靶室内更换对准出射束的探测器。实验中,我们利用法拉第筒分别获取了入射、出射束流,利用金硅面垒探测器(SBD)分别测定了入射、出射束流能谱,用CR39薄膜获取了距离毛细管出口不同距离处的束斑并测量了出射束散角,获得了不同形状的变径玻璃毛细管对MeV能量He+离子束的聚束特征。并通过调节入射束流的流强和毛细管相对入射束流的倾角等方法获取了毛细管在不同束流参数下的聚束特征。实验结果表明,对于MeV能量的He+离子束,拥有小锥度、长针尖形状的毛细管更有利于获得单色性好的出射束。我们获得的单色性最好的出射束能谱峰半高宽为60 keV,峰位能量2019 keV,与直通束相当,表明获得的聚焦束可以用于RBS离子束分析。　　 综合以上实验数据,我们认为变径玻璃毛细管对高能MeV能量轻离子束的聚束过程在入射流强较低时由离子在管壁表面的小角散射机制主导。理论计算表明,在我们所使用的变径玻璃毛细管中,至少需要入射流强达到pA量级才能使沉积电荷对MeV能量的He+离子起到导向聚束作用。在入射流强较低的情况下,用离子与管壁表面以及管壁内部的原子在管内多个区域小角散射的模型可以定性和半定量地解释出射束能谱、流强密度、出射束斑、散角等束流品质参数随实验控制参数变化的规律。我们可以依据这个模型,对毛细管的形状和束流参数针对不同的应用情况进行适当调节,使之最能适应实际要求。