بخشی از مقاله
چکیده
شتابدهنده واندوگراف پژوهشگاه علوم و فنون هستهای تا پیش از این به تولید باریکه یونهای سبکی نظیر پروتون، دوترون و هلیوم تا انرژی 3 MeV محدود بود. با توجه به اهمیت باریکه پرانرژی یون نیتروژن جهت کاربردهایی نظیر کاشت یون سنگین برای تولید مواد پیشرفته و همچنین امکان مطالعه تجربی برهمکنش یون سنگین با ماده، راهاندازی باریکه اخیر امکانسنجی شد. پس از افزودن قطعات سختافزاری لازم به شتابدهنده و انجام تغییرات ضروری، باریکه پرانرژی نیتروژن با موفقیت راهاندازی شد. در پایان نتایج آزمایشهای مقدماتی با استفاده از باریکه پرانرژی یون نیتروژن گزارش شد.
مقدمه
امروزه دانش و فناوری هستهای گسترش زیادی در عرصههای مختلف زندگی یافته است. شتابدهندههای کوچک با روشهای آنالیز با باریکه یونی، ترکیب و ساختار سطحی و حجمی مواد را برای مراکز صنعتی و پژوهشی مشخص میکنند. کاشت یون برای تولید مواد جدید و یا بهبود خواص مواد، فرایندی با مزیتهای منحصر بفرد است. روشهایی که از یونهای با انرژی در محدوده MeV استفاده میکنند در بین روشهای موجود برای تغییر و تصحیح خواص مواد با استفاده از باریکه - الکترون، پرتو ایکس، لیزر و غیره - ، جایگاه منحصر به فردی دارند.
یونها به شدت با ساختارهای اتمی و الکترونیکی ماده هدف برهمکنش انجام میدهند تا طیف وسیعی از اصلاحات را با عمق نفوذ مشخصه هر یک بوجود آورند .[1] این اصلاحات و تغییرات میتوانند به دقت کنترل شوند زیرا با استفاده از میدانهای الکترواستاتیک و مغناطیسی میتوان یونهای با انرژی در محدوده MeV را به خوبی هدایت و کانونی کرد. همچنین کنترل دقیق فرآیند امکانپذیر است زیرا انتقال بار را میتوان به صورت الکتریکی نظارت کرد.
تغییر و تصحیح مواد توسط باریکه یونی در اثر بمباران نمونه جامد با یونهایی در بازه انرژی keV تا MeV و در نتیجه ورود اتمها به لایه سطحی جامد انجام میگیرد. بسیاری از خواص فیزیکی مواد به حضور کممقدار اتمهای خارجی حساس هستند. خواص مکانیکی، الکتریکی، اپتیکی، مغناطیسی و ابررسانایی مواد همه از حضور این اتمهای خارجی متأثر میشوند و حتی ممکن است مغلوب حضور آنها شوند. استفاده از یونهای پرانرژی امکان وارد کردن طیف وسیعی از اتمها را مستقل از عوامل ترمودینامیکی فراهم میسازد و بنابراین میتوان توزیع و غلظت دلخواهی از ناخالصی مورد نظر را بدست آورد. به این ترتیب با استفاده از باریکه یونی همچنین میتوان خصوصیات مواد را به میزان قابل ملاحظهای بهبود بخشید. افزایش مقاومت به خوردگی، سخت کردن سطوح و کاهش فرسایش سطح از جمله مواردی است که با استفاده از باریکه یونی به بهبود خواص مواد منجر میشود.
[2] برای مثال با کاشت یون نیتروژن در سطح فلز تیتانیوم میتوان سرامیک نیترید تیتانیوم را تشکیل داد که با توجه به مقاومت بالای این لایه سرامیکی در برابر خوردگی، میتوان مقاومت کلی سطح را در برابر خوردگی افزایش داد.[3] برای ایجاد و توسعه دانش بکارگیری یون سنگین، در این کار پژوهشی قابلیت شتابگر الکترواستاتیک واندوگراف پژوهشگاه علوم و فنون هستهای که در حال حاضر تنها شتابدهنده الکترواستاتیک با انرژی MeV در کشور میباشد ارتقاء یافته و علاوه بر یونهای H+، D+، و He+ تا انرژی 3 MeV که پیش از این تولید و استفاده میشدند، امکان دسترسی به یون پرانرژی چهارم - N+ - نیز فراهم شده است.
با استفاده از این امکان نه تنها مطالعه فیزیک آشکارسازی و بهرهبرداری از یون سنگین پرانرژی در کشور ممکن شده است بلکه عرصهای مناسب برای پژوهش های مواد پیشرفته و برهمکنش یون با ماده ایجاد شده است. در این مقاله، نحوه تجهیز سختافزاری برای تولید باریکه یون نیتروژن در شتابدهنده واندوگراف مدل KN3000 و راهاندازی آنها بیان شده و نتایج آزمایشهای اولیه با باریکه یون پرانرژی نیتروژن در آزمایشگاه واندوگراف پژوهشگاه علوم و فنون هستهای توضیح داده شده است.
تجهیز سختافزاری شتابدهنده
در شتابدهنده الکترواستاتیک واندوگراف، تجهیزات مرتبط با چشمه یونی همانند مولد رادیوفرکانس برای یونیزه کردن گاز، کپسول گازهایی که یون آنها مورد نیاز است، شیرهای حرارتی و منابع تغذیه آنها، چندراهی جهت انتخاب گاز ورودی به چشمه یونی وتجهیزات مشابه، همگی در فضای بسیار محدودی بصورت فشرده در زیر گنبد ولتاژ زیاد شتابدهنده استقرار یافتهاند. از طرف دیگر تنها امکان دسترسی سیستمهای کنترلی به این تجهیزات از سمت ولتاژ زمین شتابدهنده، استفاده از میلههای عایق است که فرمانهای کنترلی را بصورت الکترومکانیکی به تجهیزات مستقر در سمت ولتاژ زیاد شتابدهنده - در حدود 3 مگا ولت - انتقال میدهند. مجموعه این عوامل، اضافه نمودن تجهیزات زیر را که برای تولید و کنترل باریکه یون نیتروژن ضروری هستند به چالشی الکترومکانیکی تبدیل کرد:
-1 کپسول گاز نیتروژن - برای تأمین گاز نیتروژن مورد نیاز در چشمه یونی
-2 شیر حرارتی - به منظور کنترل فلوی گاز خروجی از کپسول نیتروژن با استفاده از تغییر دما
-3 میکروسوئیچ - برای بستن و بازکردن مدار مربوط به شیر حرارتی متناظر با کپسول نیتروژن
-4 چند راهی و لولههای مسی - جهت انتخاب و انتقال گاز نیتروژن به چشمه یونی
-5 میله بلند عایق - برای انتقال فرمانهای الکترومکانیکی از پتانسیل زمین به تجهیزات مستقر در زیر گنید ولتاژ زیاد شتابدهنده - قطع و وصل مدار شیر حرارتی نیتروژن - پس از نصب و راهاندازی تجهیزات فوق، امکان ورود گاز نیتروژن به چشمه یونی فراهم شد و شرایط برای تشکیل پلاسمای نیتروژن آماده گردید. در نهایت باریکه یون نیتروژن راهاندازی و در خط باریکه 15درجه راست آزمایشگاه استفاده شد. آزمایشهای اولیه با استفاده از باریکه یون نیتروژن برای کسب اطمینان از صحت تولید باریکه یون نیتروژن، چند آزمایش اولیه به روش پسپراکندگی رادرفورد با استفاده از باریکههای پرانرژی پروتون، آلفا و نیتروژن انجام گرفت و نتایج بدست آمده با یکدیگر مقایسه شدند.
در پسپراکندگی رادرفورد، نمونه مورد نظر توسط باریکهای از یونهای سبک نظیر پروتون یا آلفا با انرژی حدود 1-3 MeV و با شدت جریان 10- 30 nA بمباران میشود 4]و.[5 در صورتیکه انرژی باریکه فرودی کمتر از حد آستانه برهمکنش هستهای باشد، برخورد کشسان بین یون باریکه فرودی و اتمهای ماده هدف اتفاق میافتد. انرژی ذرات برگشتی از نمونه در زاویههایی نزدیک به ْ180 نسبت به پرتو فرودی بوسیله آشکارسازی از نوع سد سطحی اندازهگیری میشود. هندسه آزمایش پسپراکندگی رادرفورد در شکل 1 و تصویری از محفظه برهمکنش تحت خلاء مورد استفاده در این آزمایش در شکل 2 نشان داده شده است.
