传统的通过控制电场和磁场对荷电粒子束进行聚焦、偏转、整形和微束制造的设备造价高昂、体积庞大、结构复杂。荷电粒子在微通道中导向效应的发现让无电磁元件的束流聚焦、偏转、整形和微束制造成为可能,利用绝缘微通道完成同样的任务可以极大降低成本、压缩体积和简化结构,为荷电粒子束光学元件提供了新的发展方向。荷电粒子在绝缘微通道中输运过程的研究是绝缘微通道成为粒子束光学元件的基础。以高电荷态离子为代表的正离子在绝缘微通道中的输运机制研究基本完成,目前的研究重点是提供可行的应用方案,例如采用微结构产生各种可控离子束来定点制备材料表面纳米结构。负电荷粒子在绝缘微通道中的输运机制研究存在争议。针对这些问题:我们较系统的开展了实验和理论研究,首次测量到宏观绝缘通道对电子的整形效应,提出了新的电子输运过程的物理图像,确定了电子输运过程的充电模式,解决了电子输运过程研究中存在的争议;发现了负离子输运过程中存在明确充电过程的实验证据,提出了负离子充电过程的物理图像。在采用绝缘微通道产生的高电荷态离子微束制备材料表面可控纳米结构方面,着力于研究高电荷态离子引起固体表面纳米结构的规律,发展了适用于高电荷态离子的热峰模型,阐明了在宽的动能能区和电荷态区间的表面纳米结构形成的物理机制。论文具体研究内容和结果如下:完成了电子穿越绝缘微通道的实验。使用二维位置灵敏探测器对穿越Al2O3微孔膜的电子进行测量,得到了电子的穿透率、角分布随时间的演化规律,以及与微通道倾角、电子能量、束流强度的依赖关系,研究表明穿透电子分布受限于微孔膜的几何张角,穿透电子的能量损失随倾角增大而增大,表征充电过程特征的充电电荷量衰减常数与二次电子发射率相关。对比电子在外部涂有导电层的玻璃毛细管和裸玻璃毛细管中的输运过程,发现玻璃管的外部导电层有稳定电子穿透的作用,得到了电子在玻璃管中稳定穿透的条件。通过电子在不同倾角下对外部涂导电层的玻璃毛细管的充电过程研究,发现在大倾角下,电子穿透率先下降,之后随着充电量增加而增大,穿透电子的能量损失随倾角增大而增大,说明电子在玻璃管中的输运过程既包含电荷沉积过程又包含散射过程。通过荷电粒子穿越矩形玻璃毛细管的实验,发现矩形玻璃毛细管在充电过程中对电子具有整形作用,整形电场的形成与倾角和束流密度有依赖关系,矩形玻璃管对正负离子没有整形作用。完成了N2-负离子穿越矩形毛细管的实验。研究发现穿透粒子中包含中性粒子和N2-负离子两部分,中性粒子强度很弱,负离子占穿透粒子的绝大部分,其强度随倾角变化呈三角形分布。倾角的分布宽度不小于3度,大于玻璃管的几何张角1度。不同倾角下负离子在玻璃管中的充电过程实验表明,在倾角大于0.6度时,穿透粒子中的负离子部分呈现双斑结构,一个斑靠近探测角0度,另一个斑靠近中性粒子,两个斑在充电过程中出现强度变化和位置移动,负离子的穿透率充电曲线与电子的充电曲线类似,呈现先下降后上升的趋势,负离子在绝缘通道内壁产生了负电荷的充电斑。提出了电子和负离子在绝缘微通道中进行充电过程的物理图像。两个物理图像能较好地解释实验结果。首次提出固体表面至内部的正电荷-负电荷双层电荷深度分布,指出电子在玻璃管中的不稳定穿透是这两层电荷的放电产生的,给出了玻璃管外层导电胶稳定电子穿透的原因和矩形玻璃管只对电子有整形作用的原因。在负离子穿越微通道过程中,微孔内壁的负电荷充电由两种物理过程共同作用,一种是负离子和碰撞区表面原子的负电荷交换,一种是二次电子造成碰撞区对侧表面的充电。提出了适用于高电荷态离子的热峰模型,将势能作为电子系统的热源项加入热峰模型,讨论了入射离子速度对势能沉积的影响,系统计算了宽能区和电荷态区间下高电荷态离子引起固体表面纳米结构的尺寸和形成条件,阐明了相关机制,为利用高电荷态离子在材料表面制备纳米结构提供了理论依据。