بخشی از مقاله
چکیده
تحلیلگر سهموی تامسون وسیلهای کاربردی برای مطالعهی یونها در دستگاه پلاسمای کانونی است زیرا این ابزار امکان اندازهگیری توزیع ذرات بر اساس انرژی، اندازه حرکت و نسبت بار به جرم را در یک زمان فراهم می کند. در این مقاله با استفاده از نرم افزار شبیهساز SIMION-3D یک طیفسنج تامسون شبیهسازی شده است که بهترین تفکیک را برای یونهای آرگون تولید شده در دستگاه پلاسمای کانونی با گستره وسیعی از انرژی - ازkeV ًًٌ تا MeV ٌ - داشته باشد. همچنین پارامترهای مؤثر برای رسیدن به بهترین پاسختحلیلگر تامسون بررسی و بهینه شدهاند .
واژههای کلیدی: تحلیلگر سهموی تامسون، باریکه یون، پلاسمای کانونی، شبیهسازی، .SIMION-3D
ٌ. مقدمه
تحلیلگر تامسون که در سال ٌٌٌُ توسط تامسون اختراع و از آن پس به نام تحلیلگر سهموی تامسون نامیده شد، کاربرد گستردهای در تحلیل ذرات باردار دارد. انحراف ذرات باردار در میدانهای الکتریکی و مغناطیسی موازی میتواند انرژی، اندازه حرکت و نسبت بار به جرم یونها را به طور همزمان مشخص کند. توانایی این تحلیلگر در تشخیص توزیع انرژی یونها برای گستره وسیعی از نسبتهای بار به جرم، این دستگاه را برای مطالعات پلاسما و سایر چشمههای یون بسیار مفید ساخته است. ذرات باردار پس از عبور از روزنه و انحراف در میدانهای الکتریکی و مغناطیسی با یک آشکارساز که معمولاً CR-39 است، در پشت تحلیلگر برخوردکرده و رد آنها به شکل سهمیگون آشکار میشود 3]،2،.[1
ساختار تحلیلگر تامسون
اجزای اصلی تحلیلگر تامسون عبارتند از: یک یا دو روزنه برای موازی کردن باریکه یونی، انحرافدهنده الکتریکی، انحرافدهندهمغناطیسی و صفحه آشکارساز. طرحی از این تحلیلگر در شکل - ٌ - دیده میشود.با توجه به پارامترهایی که در شکل - ٌ - نشان داده شده است طولهای انحراف مغناطیسی و الکتریکی از روابط زیر بهدست میآیند در این معادلات Z باریون، e بار الکترون، A عدد جرمی یون، m واحد جرم هسته - kg ٍْ-ًٌّّ/ٌ - ، v سرعت یونها و E و B به ترتیب شدت میدانهای الکتریکی و مغناطیسی هستند. با ترکیب معادلات - ٌ - و - ٍ - معادله سهمی بهدست میآید ]ُ.[
بنابراین وقتی یونها دارای نسبت بار به جرم متفاوت و یا انرژی متفاوت هستند، در آزمایشات تحت میدانهای الکترومغناطیسی میزان انحراف آنها با یکدیگر فرق می کند و در نتیجه در مکانهای متفاوتی به هدف - - CR-39 برخورد کرده و ردهای سهمیشکل را بهوجود میآورند. یونهایی که نسبت بار به جرم آنها یکسان بوده اما انرژیهای متفاوتی دارند بر روی یک سهمی قرار میگیرند. امایونهایی که نسبت بار به جرم آنها با یکدیگر متفاوت است بر روی سهمیهای مختلف قرار میگیرند. با استفاده از معادلات - ٌ - و - ٍ - و ترکیب آنها میتوانیم روابطی برای محاسبه تکانه، انرژی جنبشی و نسبت بار به جرم یونها بهدست آوریم ]ِ.[
َ. شرح آزمایش
تحلیلگر تامسون توسط برنامه SIMION-3D طراحی و شبیهسازی شد. این نرمافزار به زبان C نوشته شده و در همه ویندوزهاقابلیت اجرا دارد. شبیهسازی شامل مؤلفههای اپتیکی یون مجازی است که توسط میدانهای الکتریکی و مغناطیسی منحرف میشود.پرواز یونها در سیستم، اطلاعات مسیر آنها را بهدست میدهد. هدف از این شبیهسازی یافتن پارامترهای مؤثر بر پاسخ تحلیلگر، بهینهسازی آنها و دستیابی به طراحی طیفسنجی است که بهترین وضوح را برای ردهای سهمیشکل یونها داشته باشد. هرچه ردهای حک شده بر روی آشکارساز طولانیتر باشد و سهمیهای مربوط به هر بارمختلف به خوبی از یکدیگر مجزا شده باشند قدرت تفکیک تحلیلگر بالاتر بوده و تحلیل سهمیها سادهتر میشود.
پارامترهایی که تأثیر آنها بررسی و بهینه شد عبارتند از: طول الکترودها و مگنتها، فاصله صفحات الکترودی از یکدیگر، فاصله مگنتها از یکدیگر و شدت میدانهای الکتریکی و مغناطیسی . از آنجا که این تحلیلگر برای استفاده در دستگاه پلاسمای کانونی طراحی شده است سعی کردیم طراحی بهگونهای باشد که بهترین وضوح را برای یونهای تولید شده در این دستگاه داشته باشد.گاز کاری در دستگاه پلاسمای کانونی عموماً آرگون یا نیتروژن بوده ویونهای اکسیژن، کربن و مس نیز بهعنوان ناخالصی همواره در باریکه یون وجود دارند. برای سادگی کار، پس از طراحی تحلیلگر سه گروه یون Ar1+، Ar2+ و Ar3+ را در سیستم پرواز دادیم و نمودارهای سهمیگون آنها را برای گستره وسیعی از انرژی - ازkeVًًٌ تا MeV ٌ - بهدست آوردیم.
هرچه انرژی یونها کمتر باشد میزان انحراف آنها در اثر میدان الکتریکی بیشتر است . انحراف الکتریکی از جرم یون مستقل است. در عوض میزان انحراف مغناطیسی یونها به نسبت بار به جرم آنها بستگی داشته و ازانرژی آنها مستقل است. شکل - ٍ - یک طرح شبیهسازی شده از تحلیلگر را به همراه یونهای منحرف شده در محیط نرمافزارSIMION-3D نشان میدهد.با تحلیل نتایج بهدست آمده از شبیهسازی دریافتیم که با تغییر طول مگنتها تغییری در میزان انحراف باریکه یونی و یا نمودارهای سهمی ایجاد نمیشود. بنابراین با توجه به امکانات موجود ابعاد صفحات مغناطیسی را mm2ًِ×ًِ انتخاب کردیم. اما انتخاب ابعادالکترودها از حساسیت بیشتری برخوردار است، زیرا یونها حین عبور از میدان الکتریکی بهسمت یکی از الکترودها منحرف میشوند.
بنابراین اگر ابعاد و شدت میدان الکتریکی بهدرستی انتخاب نشود امکان برخورد یونهای کمانرژیتر به الکترود پایینی وجود دارد.این مورد به دو دلیل مشکلساز است؛ اول اینکه برخورد تعداد زیادی از ذرات باردار به صفحات الکتریکی افتوخیز قابل توجهی رادر میدان الکتریکی ایجاد می کند و دوم اینکه اطلاعات مربوط به یونهای کمانرژی به این ترتیب از دست میرود - اطلاعاتی که در صورت رسیدن یونها به CR-39 قابل دستیابی هستند - . اگر الکترودها را در صفحاتی در نظر بگیریم که طول آنها در امتداد محور X و عرض آنها در امتداد محور Z است، فقط انتخاب طول X که در راستای حرکت یونها میباشد دارای اهمیت است. بنابراین ماسه نوع الکترود با ابعاد mm2 ًِ×ًِ، mm2ًِ×ًُ و mm2 ًِ×ًَ را آزمایش کردیم. نمودارهای به دست آمده از این سهآزمایش در شکل - َ - دیده میشوند.
