بخشی از مقاله
چکیده:
طراحی و ساخت فنجان فارادی با هندسه داخلی مخروطی و حلقه بازگرداننده الکترون ثانویه برای باریکه یون Ar دستگاه هلیکن امیرکبیر انجام شد. نتایج شبیهسازی توسط نرمافزار CST STUDIO SUITE نشان میدهد که هندسه داخلی مخروطی میتواند با تغییر زاویه انتشار ذرات ثانویه منجر به گیراندازی این ذرات شود. نتایج نشان میدهد که برای انرژی باریکه از 5 تا 30keV، میزان کاهش خطا در اندازهگیری توسط فنجان مخروطی نسبت به هندسه استوانهای، از 34 تا 45 درصد تغییر میکند. اثر حلقه بازگرداننده نیز توسط کار تجربی مشاهده شد. با اعمال یک ولتاژ منفی تا حدود-300V، جریان اندازهگیری شد که در ولتاژ -150V به میزان 0,25 مقدار اولیه خود رسید و پس از آن ثابت ماند.
-1مقدمه:
ابزار تشخیصی فنجان فارادی برای اندازهگیری جریان باریکه ذرات باردار در محدودهی وسیعی از انرژی استفاده میشود. اما مشکل اصلی آشکارساز فنجان فارادی الکترونهای ثانویه و یا ذرات پسپراکنده شده است که در اثر برخورد باریکهی یونی یا باریکهی الکترونی با سطح فلزی داخلی فنجان فارادی تولید میشوند. این ذرات ممکن است از ورودی فنجان فارادی فرار کنند. اگر تعداد الکترونهای ثانویه که از فنجان فرار میکنند زیاد باشد، برای باریکه مثبت، جریان بیش از حد واقعی نشان داده میشود و برای باریکه منفی، جریان کمتر از مقدار واقعی نشان داده خواهد شد.
به منظور کاهش فرار ذرات ثانویه، طراحیهای مختلفی بر روی هندسه پروب انجام شده است. در یک طراحی، ورودی فنجان به صورت شیبدار و در طراحی دیگر به صورت نیماستوانه طراحی شده است1}و.{2 در کار دیگری، فنجان فارادی فشرده به همراه حلقه بازگرداننده الکترونهای ثانویه طراحی شد.{3} علاوه بر میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی نیز یکی از ابزارهای مورد استفاده در فنجان فارادی است. چرخش ذرات باردار حول میدانهای مغناطیسی، ایده استفاده از یک میدان مغناطیسی ایستا در فنجان فارادی است. رووی1 و همکارانش از یک میدان مغناطیسی با چگالی شار در بازه 500 تا 750G به عنوان فیلتر یون استفاده کردند.{4}
-2روش کار:
هدف اصلی کار انجام شده طراحی و ساخت هندسه مناسب برای فنجان فارادی به منظور کاهش فرار الکترون-های ثانویه و ذرات پس پراکنده شده از ورودی فنجان است. برای جلوگیری از خروج الکترونهای ثانویه که دارای بار الکتریکی منفی هستند، با توجه به انرژی کم الکترونهای ثانویه - در حدود - 100eV ناشی از برخورد باریکه یونی {8-5}، استفاده از یک سد پتانسیلی منفی با پتانسیل -150V در ورودی فنجان میتواند از خروج کامل الکترونهای ثانویه جلوگیری کند - شکل-1الف - .
اما در مورد یونهای منعکس شده که طیف انرژی گستردهای دارند {9}، باید روش دیگری به کاربرد. توزیع زاویهای بیضیگون برای انعکاس یون در شکل-2ب نشان داده شده است .{10} در این شکل، یک مدل ساده برای نمایش چگونگی انعکاس یون در سه هندسه مختلف ارائه شده است که ایدهی انتخاب هندسه داخلی مخروطی براساس آن است. هندسه مخروطی با عمق زیاد باعث میشود که یون اولیه و حتی الکترونهای ثانویه در جهت داخل فنجان منتشر شوند و با کاهش انرژی، جذب سطح گردند. به این صورت از فرار این ذرات جلوگیری میشود و دقت اندازهگیری جریان افزایش مییابد.
شکل - - 1 الف: استفاده از سد پتانسیلی برای جلوگیری از فرار الکترونهای ثانویه ب: نمایش چگونگی پس پراکندگی یون اولیه برای زاویههای فرودی مختلف و جلوگیری از فرار آنها توسط هندسه مخروطی. پس از ارائه این مدل ساده، طراحی فنجان فارادی در نرمافزار CST STUDIO SUITE انجام شد.{11} این نرمافزار قابلیت شبیهسازی رفتار ذرات باردار در میدانهای الکترومغناطیس را دارد.
همچنین توسط این نرمافزار میتوانیم توزیع زاویهای انتشار الکترونهای ثانویه و ذرات منعکس شده را برای برخورد ذرات مختلف با سطح ماده بدست آوریم. توسط این قابلیت میتوانیم مدل سادهای که در شکل1 بیان شد را اثبات کنیم. دو هندسه مخروطی و استوانهای که در مدل بالا مقایسه گردید، توسط Particle Tracking solver در نرمافزار CST تحلیل شدند.
شرایط شبیهسازی به صورت زیر اعمال گردید: جنس فنجانها از مس است و قطر ورودی هر دوی آنها برابر 25 میلیمتر و عمق آنها 44 میلیمتر انتخاب گردید - نسبت منظر برابر - . برای هندسه مخروطی، زاویه مخروط ورودی 26 و زاویه مخروط داخلی 90 درجه است. زاویه 90 درجه به سبب عدم امکان ساخت زاویه کوچک در انتهای مخروط فنجان است.
یک چشمه یون Ar به شکل باریکه یون با قطر 10 میلیمتر بدون واگرایی اعمال شد. انرژی یون های چشمه در مقادیر 5 ، 10 ، 20 و 30keV تنظیم گردید و برای هر انرژی، سه جریان 100 ، 200 ، 300 و 1000 A اعمال شد. با توجه به این که فنجان فارادی برای چشمه یون هلیکن امیرکبیر1 ساخته شده است، به همین دلیل، مشخصات هندسی باریکه و مقادیر انرژی و جریان آن با توجه به مشخصات باریکه یون دستگاه هلیکن امیرکبیر انتخاب گردید. هدف از این شبیهسازی مقایسه دو هندسه مخروطی و استوانهای از طریق محاسبه جریان خالص ورودی به فنجان است.
برای این کار، یک صفحه مجازی با ابعاد بینهایت در ورودی فنجان قرار دادیم. نرمافزار CST قابلیت اندازهگیری جریان خالص عبوری از این صفحه را دارد. بنابراین میتوانیم به کمک این قابلیت، نمودار جریان فنجان فارادی برحسب جریان واقعی باریکه - جریان چشمه یون - که در نرمافزار تعریف میشود، رسم کنیم. در شکل زیر، یک نمونه از شبیهسازیها نشان داده شده است.
