بخشی از مقاله
چکیده
تفنگهاي الکترونی از ابزارهاي بسیار مهم و پر کاربرد در فیزیک اتمی و مولکولی هستند. مدلهاي متنوعی از تفنگهاي الکترونی با انرژي و جریان خروجی متفاوت طراحی شده است. در این مقاله ما مدلسازي و شبیهسازي یک تفنگ الکترونی ششجزئی با کاتد ترمویونیکی شبهمویی براي مطالعه برخورد الکترونی را انجام داده ایم، که شبیهسازي و بهینهسازي این تفنگ الکترونی با کد محاسباتی EBSLITE 2.0 صورت گرفتهاست و پارامترهاي چگالی جریان خروجی، پهن شدهگی پرتو خروجی تفنگ شبیهسازي شده را با اعمال ولتاژهاي متفاوت بهینه نمودهایم.
مقدمه
توسعه ابزار پرتوهاي الکترونی داراي پیشینه زیادي است .[1] یک تفنگ الکترونی با شدت و قدرت تغیر انرژي مناسب نقش مهمی را در تولید اطلاعات مختلف و متفاوت در زمینه پژوهش مواد دارا میباشد یک پرتو تکفام شده الکترونی میتواند اطلاعات دقیق و جالب توجهی را در موضوعهاي مانند برهمکنشهاي ممکن بین الکترون و اتم و الکترون و مولکول و هچنین برهمکنش الکترون و سطح را به ما بدهد .[2]
مدلهاي مختلفی از تفنگهاي الکترونی طراحی شده که در بیشتر این موارد پارامترهاي پرتو خروجی مانند قطر جریان پرتو خروجی و انرژي آن متناسب با کار آزمایشگاهی مورد نیاز طراحان، طراحی شدهاند. مثلا تفنگهاي با انرژي کم مناسب استفاده در سیستمهاي SEM کهو STM است این تفنگها کانون و قطر پرتویی در حدود میکرومتر دارند .[4-3] تفنگهاي با انرژي و جریان بالا مناسب استفاده در سیستمهاي جوشکاري و برشکاري هستند .[9] بیشتر تفنگهاي الکترونی که براي بررسی برخورد الکترونی به کار میروند، قطر شعاع پرتو کانونی آنها در حدود2-1 میلیمتر است .[5]
البته اخیرا طراحی تفنگهاي با شعاع پرتو ثابت و انرژي خروجی متغیر بیشتر مورد توجه گرفتهاست. شبیهسازي عددي نقش مهمی در طراحیبهینه و سازي سیستمهاي ذرات باردار دارد، این شبیهسازيها باعث کاهش وقت و هزینه توسعه سیستمها میشود و میتوان شرایط مناسبی را براي بهینهسازي کار تجهیزات فراهم کرد .[6] نمونههاي از این شبیهسازيها براي تفنگها الکترونی توسط برنامه [7] EGUN و توسط کد محاسباتی [8-2] SIMION ارائه شدهاست که اساس محاسبات آنها روش تفاضل محدود میباشد.
همچنین میتوان به آنالیز و بهینهسازي یک تفنگ الکترونی با کاتد مویی براي استفاده در اسپکترومتري [10] و توضیح و اجرا یک الگوریتم براي محاسبه تابش یک بار فضایی براي یک سیستم اپتیکی [11] اشاره کرد.در کار حاظر برآنیم که یک تفنگ الکترونی با انرژي بالا که داراي کاتد شبه مویی است، شبیهسازي کنیم و جریان خروجی و پهن-شدهگی پرتو خروجی را بهینهسازي کنیم.
توصیف روش:
هدف ما طراحی و تعیین پهنشدهگی و جریان پرتو الکترونی است که بوسیله لنزهاي الکتروستاتیکی ولتاژ کنترل میشود، بطوریکه تغییرات ولتاژ کمترین اثر را در انرژي و خصوصیات کانونی پرتو بگذارد. منبع پرتو ما یک کاتد ترمویونیکی شبهمویی - hairpin- - like با قطر 0/7 mm به طول 3 mm که بطور غیر مستقیم و با اعمال ولتاژ گرم میشود و براساس قانون چایلد تولید بار فضایی و جریان پرتو الکترونی میکند.
شبیهسازي و بهینهسازي این تفنگ الکترونی با کد محاسباتی EBSLITE 2.0 صورت میگیرد، که این نرمافزار میتواند مسیر الکترون را در میان میدان الکتروستاتیکی که توسط لنزهاي سهبعدي تولید شده تعین کند. اساس روش محاسباتی این کد بر روش تفاضل محدود است که براي افزایش سرعت و دقت از successive over-relaxation با ضریب شتاب 1/881 بدون در نظر گرفتن تقارن ساختاري استفاده شدهاست. دقت محاسبات لاپلاس را 0 /00001 V انتخاب کرده ایم.
زمانی کاتد که بطور غیر مستقی م گرم میشود الکترون تولید می کند آنها را در تمام اطراف بطور مستقیم پراکنده می کند که با قرار دادن یک لنز روزنها ي به قطر 2 mm در جلو آن الک ترونها را بصورت یک پرتو کامل جمع میکنیم. در مرحله بعد با قرار دادن یک چ هار قطبی - چهار صفحه تخت با مساحت مساوي که هر صفحه با صفحه مقابل ولتاژ مساوي و با صفحه کناري ق رینه است - که درون دو لنز روزنهاي به قطر 2mm قرار دارد که ضمن شتاب داد ن به پرتوها از پراکندهشدن آنها جلوگیري میکند.
مجموع دو صفحه اول به کار رفته در تفنگ نقش مردمک - pupil - و پنجره - window - را دارند که شعاع و زاویه پخش پرتو - - r ѳ را تع یین میکنند و بر اساس قانون هلمهولز- لاگرانژ این زاویه - ѳ - با E1/2 متناسب است. بزرگنمایی لنز با شعاع - - r پرت و در محل جسم و تصویر متناسب است - - M r2 ⁄ r1 و در نتیج ه باعث میشو د که قطر پرتو خروج ی 4 قطبی اول کمتر از 2 mm شود. همین شر ایط بهگونهاي دیگر در ادامه مسیر براي پرتو ورودي به لنز 3 روزنهاي و 4 قطبی دوم وجود دارد. صفحه دوم 4 قطبی زاویه پخش پرتو به هدف را در نقطه کانون تعیین میکند. در ش کل5 نمایش تفنگ الکترونی شبیهس ازي شده را در صفحه xz - بالا - و در صفحه yz - پایین - مشاهده میشود.
