بخشی از مقاله
چکیده
فارادی کاپ یک دستگاه اندازهگیری است که برای اندازهگیری کل بار یک پرتو مورد استفاده قرار میگیرد. اطمینان کاری فارادی کاپ وابسته به توانایی آن برای جذب الکترونهای ثانویهای میباشد که هنگام برخورد ذرههای پرانرژی به کاپ داخلی تولید می-شود. با استفاده از نرم افزار COMSOL Multiphysics دو مدل جدید ارائه و مورد بررسی قرار گرفت. فارادی کاپ با A=40mm و B=98mm کارآیی بهتری نسبت به هندسههای پیشین فارادی کاپ داشت.
-1 مقدمه
فارادی کاپ دستگاه اندازهگیری است که سالها به منظور اندازهگیری تعداد یونها مورد استفاده قرار میگیرد.[3-1] از آشکارساز فارادی کاپ برای اندازه گیری جریان بیم ذرات باردار و همچنین به دست آوردن شکل توزیع چگالی جریان در محدوده ی وسیعی استفاده می شود.
دو مشکل اساسی آشکارساز فنجان فارادی عبارتند از: - 1 نسبت سیگنال به نویز پایین - 2 الکترون های ثانویه و یا پس پراکنده شده بوسیله ی باریکه ی یونی و یا باریکه ی الکترونی با انرژی بالا که با سطوح فلزی داخلی فنجان فارادی برخورد می کنند .این الکترون های ثانویه ممکن است از روزنه ی فارادی کاپ فرار کنند .اگر این الکترون ها فرار کنند، حفره هایی بر جای خواهند گذاشت که در نهایت الکترومتر مجموع بار بیم و بار حفره های برجای مانده از فرار الکترون ها را نمایش خواهد داد.
در این راستا هر تلاشی که منجر به بالا بردن دقت اندازهگیری شود، بسیار حائز اهمیت خواهد بود. دو طراحی جدید فارادی کاپ، مورب و نیمه سیلندری، بهینهسازی در کارآیی را نشان دادند.[6-7] کانترو و همکارانش در سال 2016 یک طراحی خاص منظوره از فارادی کاپ در شار کم یونهای کم انرژی ارائه دادند
ابراهیمی یک آرایه از فارادی کاپ به منظور اندازهگیری جریان پرتو شتابدهنده پروتون الکترواستاتیک خطی دانشگاه شهید بهشتی ارائه داده است.[9] در این پژوهش خطوط میدان الکتریکی در هندسههای مختلف فارادی کاپ مورد بررسی قرار گرفته است. کارآیی ساختارهای قدیمی فارادی کاپ مورد بررسی قرار گرفت و یک طراحی جدید به منظور کاهش خروج الکترونهای ثانویه از کاپ پیشنهاد شد. مسیر حرکت الکترونهای ثانویه و شدت میدان الکتریکی روی محور در هندسههای مختلف فارادی کاپ با هم مقایسه شد. نتایج نشان دادند که FC - 2 - با A=40mm و B=98mm بهترین کارآیی را در مقایسه با بقیهی هندسههای فارادی کاپ داراست.
-2 سه نوع از فارادی کاپ مورب
فارادی کاپ از دو قسمت اصلی کاپ داخلی و دفعکننده - کاپ خارجی - تشکیل شده است. کاپ داخلی زمین میشود و دفع کننده به یک ولتاژ منفی متصل میباشد. الکترونهای ثانویه با انرژی زیاد، از کاپ فرار کرده و خارج میشوند. برای حل این مشکل یک میدان عمودی غیر ثابت با یک هندسه مورب فارادی کاپ اعمال میشود. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است یک تکه به کاپ داخلی نسبت به فارادی کاپهای سنتی اضافه شده است. اختلاف پتانسیل بین سر تیز کاپ داخلی و دفعکننده یک میدان عمودی را ایجاد میکند. بنابراین الکترونهایی که منتشر شدهاند به داخل کاپ داخلی بر میگردند.
مسیر حرکت الکترونهای ثانویه در بدترین نقطه که احتمال فرار الکترونها ماکزیمم است مورد نظر است. در این بخش سه گونه از فارادی کاپهای مورب که قبلا توسط توماس و همکاران ارائه شده بود[6]، مورد بررسی قرار گرفته است. مشخصات آنها نیز در ادامه به تفصیل توضیح داده خواهد شد. طول دفعکننده - کاپ خارجی - برای تمام فارادی کاپها ثابت و برابر 100mm و طول کاپهای داخلی برای هر سه گونه به ترتیب 98mm، 80mm و 60mm میباشد. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است A و B به ترتیب طول-های قسمت کوتاه و بلند کاپ داخلی است.
شکل -1 فارادی کاپ مورب - - aسطح مقطع فارادی - - bکاپ داخلی
ولتاژ معکوس اعمال شده به فارادی کاپها 60v در نظر گرفته شد. در تحقیق ما 'B' در تمامی انواع ثابت و مقدار 'A' از اندازه 20mm تا اندازه 'A' متغیر در نظر گرفته شد. مسیر حرکت الکترونهای ثانویه در بدترین نقطه با استفاده از COMSOL مورد بررسی قرار گرفت. برای ماکزیمم انرژی الکترونهای خروجی داریم:
Emax=4 - mem p - Eproton - cos - 2/ - me+mp - 2
که در آن Eproton انرژی پروتونی است که با فارادی کاپ برخورد میکند و زاویهی بین جهت پرتو برخوردی و مسیر حرکت الکترونهای ثانویه است. mp و me به ترتیب جرم پروتون و الکترون هستند.
یک نقطه را به عنوان بدترین نقطه معرفی کردیم که در آنجا احتمال فرار الکترونهای ثانویه از همه جا بیشتر است و در ادامه مسیر الکترونهای ثانویه را در این نقطه مورد بررسی قرار دادیم. طبق معادله 1، الکترونهای خروجی که در جهت خلاف پرتو تابیده شده حرکت میکنند بالاترین انرژی را خواهند داشت. برای پروتونهای با 20kev انرژی، ماکزیمم انرژی الکترونها 44ev خواهد شد که در این صورت نیاز به -60v برای اعمال به دفعکننده خواهیم داشت تا مانع فرار این الکترونها شود.
میدان الکتریکی عمودی که به دلیل اضافه کردن سر تیز فارادی کاپ مورب و دفعکننده تولید شده است الکترونهای خارج شده را به سمت سر تیز کاپ داخلی منحرف میکند. بنابراین الکترونهای ثانویه منحرف و سپس توسط کاپ داخلی جذب میشوند. همانطور که در شکل 2 مشخص شده است سه گونه فارادی کاپ مورب برای Emax شبیه سازی و طول 'R' آنها با هم مقایسه شده است.
شکل - a - -2 شبیهسازی سه فارادی کاپ مورب - b - مقایسه بین فارادی کاپها هنگامی که''Bثابت و 'A' متغیر باشد.
آنچه که واضح است این است که مقدار کمتر 'R' برای ما مطلوبتر است و فارادی کاپ با مقدار کمتر 'R' توانایی بالاتری در جذب الکترونهای فراری خواهد داشت. بنابراین برای مقایسهی کارآیی فارادی کاپهای مختلف اندازههای مختلف طول 'R' مورد بررسی قرار گرفت. همانطور که در شکل 2 به وضوح مشخص است برای مقادیر بزرگ A/B، فارادی کاپ با B=60mm به خاطر مقدار کمتر 'R' نسبت به بقیه بهتر میباشد. همچنین هنگامی که مقدار A/B کم باشد فارادی کاپ مورب با 98mm کاپ داخلی از بقیهی گونهها بهتر میباشد.
-3 فارادی کاپ نیمه سیلندری:
کاپ داخلی فارادی کاپ نیمه سیلندری که توسط کاشفیان و همکاران[7] طراحی شد، در شکل 3 نشان داده شده است. در بخش قبلی فارادی کاپ با A=20mm و B=98mm انتخاب شد. بنابراین در این بخش B=98mm در نظر گرفته میشود
