تأمین کننده، پرتوی ایکس

در سال 2002 تانسند و همکارانش خلاصه‌ای از داده‌های حاصل از لومینسانس ناشی از باریکه یونی را برای تعدادی از نمونه‌ها مورد بررسی قرار دادند. در این مقاله وی و همکارانش، به این نتیجه رسیدند که با آنالیز داده‌ها می‌توان به اطلاعاتی پیرامون ساختارهای نقص موجود در نمونه‌ها دست یافت. ایشان همچنین نشان دادند که با این روش می‌توان به عمق چند میکرونی با استفاده از عناصر سبک با انرژی از مرتبه MeV دست پیدا کرد. همچنین تفاوت نوع و انرژی باریکه یونی اجازه کنترل دقیق آسیب و یونیزاسیون ناشی از یون در ماده را ایجاد می‌کند. ایشان در این کار سعی نمودند تا توانایی این روش را در بررسی نسبتاً یکنواخت نمونه‌ها تا عمق 20 میکرون نشان دهند. در این مقاله یاقوت کبود (Al2O3)، نیوبات لیتیم (LiNbO3)، فیلم‌های نازک، فلدسپات (Feldspar) و Nd:YAG مورد بررسی قرار گرفتند [4]. فصل سوم: روش شناسايي تحقيق (متدولوژی)
مقدمه
همانطور که گفته شد، این کار پژوهشی بر اساس بررسی لومینسانس ذره- القائی ناشی از نمونه‌های معدنی تعریف شده است. همچنین از روش میکروپیکسی به عنوان روش کمکی در کنار روش آیبیل بهره گرفته شد.
همانگونه که در فصل دوم نیز بیان شد، آیبیل و پیکسی از روش‌های آنالیز با باریکه یونی می‌باشند که در آزمایش‌های انجام شده در این کار، از باریکه پروتونی استفاده شده است.
برای ایجاد باریکه پروتونی، از شتابدهنده واندوگراف بهره گرفته شد. باریکه پروتونی MeV 2/2 در خط میکروباریکه آزمایشگاه واندوگراف که در زاویه 45 درجه آزمایشگاه واندوگراف قرار گرفته، شتاب داده شده که در اتاقک آزمایش به نمونه برخورد می‌کند.
در این فصل، ابزارآرایی آزمایش، شامل شتابدهنده واندوگراف به عنوان مولد باریکه پروتونی، خط میکروباریکه (شامل تيغه كنترل كننده باريكه، سيستم روبش پرتو، سيستم اصلي كانوني كننده پرتو، اتاقک آزمایش و تحلیلگر چندکاناله) و نحوه آماده سازی و انتخاب نمونه توضیح داده شده است.
3-1 شتاب دهنده واندوگراف
در اوایل سال 1929 رابرت جمیسون واندوگراف81 موفق به ساخت نوع اولیه شتاب دهنده‌ی واندوگراف گردید [32]. این مولد که ابزاری قدرتمند برای بررسی هسته‌های اتمی و دیگر مسائل بنیادی می‌باشد، از دو الکترود کروی از جنس مس به قطر 24 اینچ تشکیل می‌شد که هر کدام از الکترودها روی یک استوانه‌ی شیشه‌ای تکیه داشت. هر الکترود به کمک یک موتور و یک تسمه ابریشمی باردار می‌شد. به این ترتیب واندوگراف موفق به ایجاد اختلاف پتانسیلی معادل 5/1 میلیون ولت میان دو الکترود گردید [33].
شتاب‌دهنده‌های واندوگراف از قسمت های زیر تشکیل می‌شود (شکل3-1):
ترمینال یا پایانه (Terminal): کره‌ای فلزی که بار الکتریکی بر روی آن انباشته می‌شود.
تسمه انتقال بار (Charging): تسمه‌ای عایق، که برای باردار کردن پایانه استفاده می‌شود.
افشاننده بار (Spray supply): وسیله‌ای که برای باردار کردن تسمه مورد استفاده قرار می‌گیرد.
چشمه‌ی یونی (Ion source): تأمین کننده‌ی یون‌هایی است که از درون پایانه به سمت هدف شتاب می‌گیرند.
لوله تخلیه (Evacuated tube): لوله‌ای خالی از هوا که یون‌های شتاب‌دار را به سمت هدف هدایت می‌کند.
الکترودهای میانی (Intermediate electrod): جهت شتاب دادن بیشتر به یون‌ها در طول مسیر لوله‌ی تخلیه، قرار می‌گیرند.
هدایت‌گر مغناطیسی (Deflecting magnet): از آن برای منحرف کردن یون شتاب‌دار به سمت هدف استفاده می‌شود.
مخزن فشار (Pressure tank): برای بالا بردن ولتاژ پایانه، تمام این مجموعه در یک مخزن فشار قرار داده می‌شود.
قرقره‌ها (Pulley): برای چرخش تسمه و انتقال بار به درون پایانه از قرقره‌های فلزی استفاده می‌شود [34]. شکل (3-1) قسمت‌های عمده مولد واندوگراف
3-1-1 اصول کار ماشین شتاب دهنده
در ماشین شتابدهنده واندوگراف دو قرقره تعبیه شده، که یکی به زمین متصل شده و موتوری آن را می‌چرخاند و دومی درون ترمینال با ولتاژ بالا جا دارد که به خوبی نسبت به زمین عایق شده است. تسمه‌ای از جنس ماده عایق به طور پیوسته بر روی قرقره‌ها می‌چرخد. بار از نقاط تیز تاج بر روی تسمه متحرک پاشیده می‌شود. تسمه بار را به سمت ترمینال (گنبد فلزی) ولتاژ بالای عایق شده می‌برد [34]. در اینجا یک سری اجزای ظریف شانه مانند که به گنبد متصل هستند، بارهای مثبت را از تسمه جدا کرده، سپس بارها را بر روی سطح کره توزیع می‌کند. مقدار قابل ملاحظه‌ای از بار مثبت ممکن است به این طریق جمع آوری گردد. تنها عامل محدود کننده، ظرفیت عایق بودن اتمسفری محیط است که یک گاز عایق مانند SF6 یا N2 فضای گنبد را پر می‌کند، به طوری که امکان تجمع بار زیادی میسر باشد. در داخل کره میان تهی با بار مثب ت، یک منبع یونی وجود دارد که می‌تواند یون‌های مثبت تولید کند. این یون‌ها به وسیله بار مثبت روی کره دفع شده و از منبع به سمت پائین در یک لوله شتابدهنده که هدف در انتهای آن قرار می‌گیرد، تا پتانسیل زمینه شتاب داده می‌شوند [35].
در شکل 3-2 شکل شتاب‌دهنده‌ی واندوگرافی که در انجام آزمایش مورد استفاده قرار گرفته، در حال تعمیر و سرویس سالانه دیده می‌شود. شکل (3-2) نمایی از شتابدهنده واندوگراف
3-1-2 چشمه‌ی یونی
چشمه‌های یونی دستگاه واندوگراف مورد استفاده در این آزمایش‌ها، شامل پروتون، دوتریم، هلیوم و نیتروژن می‌باشد. ذرات بارداری که توسط شتاب‌دهنده (معمولاً شتاب‌دهنده‌ی واندوگراف) دارای انرژی می‌شوند طی برخورد با نمونه، انرژی خود را به نمونه انتقال می‌دهند. بیشتر این انتقال انرژی به سبب واکنش با الکترون‌های نمونه و تحریک و یونیزه کردن آنها می‌باشد [33].
3-2 خط ميكروباريکه
در آزمایش‌های انجام شده از خط ميكروباریکه نصب شده در آزمايشگاه واندوگراف (شکل 3-3) استفاده شده است. این خط میکروباریکه شامل سه قسمت می‌باشد که به منظور دستیابی به باریکه‌ای به قطر میکرون، در مسیر باریکه یونی (در اینجا پروتون) قرار داده شده‌اند. در نهایت باریکه یونی ایجاد شده، در اتاقك آزمايش بر روي هدف هدايت مي‏شود. شکل (3-3) سیستم میکروبیم آزمایشگاه واندوگراف
در زير به طور مختصر قطعات مختلف این قسمت‌ها شرح داده شده است.
3-2-1 روزنه عدسی شیئی و هم‌راستاگر
ماده مورد استفاده برای تعریف باریکه در این روزنه‌ها از جنس فولاد ضد زنگ ساخته شده است. نوك تيغه‌ آنها با يك هندسه دقيق به‌منظور کمینه مقدار پراكندگي ساخته شده و قابليت تنظيم بين 0 تا 5000 ميكرون و با دقت يك ميكرومتر را دارد. دو تيغه كنترل كننده باريكه، يكي براي تعيين اوليه پرتو خروجي و ديگری در ورودي چهار قطبي مغناطيسي به منظور محدود كردن واگرايي استفاده شده است. در آزمايشگاه واندوگراف با توجه به فضاي موجود، دو روزنه در فاصله 6/4 متر از يكديگر قرار دارند. فاصله‌ی هر چه بيشتر اين دو روزنه، در كيفيت پرتو خروجي تأثير بسزايي دارد.
3-2-2 سيستم روبش پرتو
به كمك اين سيستم مي‏توان ذرات باریکه خروجي با انرژي حدود MeV 2 را به اندازه mm2 5/2 روي سطح نمونه جاروب نمود. سيستم تقويت كننده قدرت بر روي سيم پيچ‌ها در دو حالت اتوماتيك و دستي و همچنين دوتايي و تكي قابل تنظيم مي‏باشد. در نتيجه جاروب كردن در يك محور و همچنين در كل سطح به ابعاد mm2 2×2 قابل انجام مي‏باشد.
3-2-3 سيستم اصلي كانوني كننده پرتو
اين سيستم از سه، چهار قطبي مغناطيسي مشابه تشکیل می‌شود. این چهار قطبی‌ها پشت سر هم قرار گرفته و عمل كانوني و واكانوني را انجام داده و در نهايت پرتو كانوني را بر روي هدف كه در 18 سانتيمتري خروجي اين سيستم قرار دارد هدايت مي‏نمايد. قدرت كانوني كنندگي اين سيستم حدود صد بوده و در نهايت پرتو خروجي با شدت جريان معادل pA 100 را در نقطه‌اي به قطر كمتر از ميكرون متمركز مي‏نمايد.
3-2-4 اتاقک آزمايش
اتاقك آزمايش از نوع هشت ضلعي است (شكل 3-4) كه از طريق لوله آكاردئوني كه در بالاي آن نصب شده و به وسيله سيستم انتقال نمونه علاوه بر انتقال 5 نمونه، محل اين نمونه‌ها در راستاهای X، ‎Y و Z تغيير داده می‌شود. شكل هشت ضلعي اين امكان را مي‌دهد كه به سادگي از طريق ورودي‌هاي مختلف براي جايگزاري ميكروسكوپ نوري، چراغ روشنايي و آشكارسازهاي مختلف استفاده شود. شكل (3-4) شمايي از اتاقك آزمايش
از قسمت پاييني اتاقك آزمايش و از طريق يك خروجي چهار اينچ، سيستم به يك پمپ خلأ از نوع چرخشی وصل شده كه قادر است در زمان كوتاه چند دقيقه خلأ مورد نياز در حد 6-10 ميليمتر جيوه را تأمين نمايد. البته در ابتدا با استفاده از پمپ مکانیکی خلأیی در حدود Torr 2-10 در اتاقک ایجاد می‌شود. به منظور دقت در تنظيم مسير پرتو، كليه سيستم‌ها (تيغه محدود كننده، سيستم روبش، ‌چهار قطبي‌هاي مغناطيسي و اطاقك آزمايش) برروي يك ميز قرار داده شده كه با دقت ميكرومتر قابل تنظيم مي‏باشد.
اتاقک آزمایش از بخش‌های زیر تشکیل می‌شود:
آشکارساز Si(Li)
آشکارساز سد سطحی
فنجان فارادی
فیلترها
نگهدارنده هدف
دوربین CCD
در این کار پژوهشی برای جمع آوری پاسخ IL و میکروپیکسی به ترتیب از دوربین CCD و آشکارساز Si(Li) استفاده شده که در زیر به طور خلاصه توضیح داده می‌شوند.
3-2-4-1 آشکارساز Si(Li)
در آزمایش‌های انجام شده، برای آنالیز میکروپیکسی، از آشکارساز Si(Li) استفاده می‌شود. توان تفکیک این آشکارساز در حدود eV140 است و نمی‌تواند همه زیر ساختارهای خطوط K، Lو M پرتوهای ایکس مربوط به یک عنصر را از هم جدا کند. تعداد خطوط قابل مشاهده و تفکیک‌پذیر در مورد یک عنصر حداکثر 2 تا 3 خط K، 9 تا 13 خط L و کمتر از 6 خط M است. آشکارسازهای جدید پرتوی ایکس با کارایی کافی برای انرژی 1 تا 60 کیلو الکترون ولت می‌توانند خطوط K عناصر از سدیم (Na) تا تنگستن (W)، خطوطL عناصر سنگین‌تر از روی (Zn) و خطوط M عناصر سنگین‌تر از دیسپروسیم (Dy) را آشکار کنند. به این‌ ترتیب با استفاده از آشکارساز Si(Li) با توان تفکیک و کارایی مناسب، با استفاده از روش میکروپیکسی مشخصه‌یابی عناصر سنگین‌تر از سدیم ممکن است. در روش پیکسی، باریکه پروتون شتابدهنده واندوگراف با انرژی 2 تا 3 مگا الکترون ولت و با شدت چند نانوآمپر در خلأ به نمونه برخورد می‌کند و پرتوهای ایکس گسیلی از نمونه توسط آشک ارسازی از نوع Si(Li) اندازه‌گیری می‌شود. البته عیب آشکارسازهای (Li)Si آن است که فقط در دمای ازت (نیتروژن) مایع عمل می‌کنند، و باید حتی هنگامی که مورد استفاده قرار نمی‌گیرند، در سرما نگهداری شوند [36]. در شکل (3-5) قسمت‌های مختلف این آشکارساز نشان داده شده است. شکل (3-5) طرح شماتیک آشکارساز Si(Li)
چنانچه شکل (3-6) نشان می‌دهد بازده آشکارساز Si(Li) به انرژی پرتو X بستگی دارد. برای انرژی کمتر از keV 3 بازده آشکارساز به دلیل جذب ناشی از پنجره نازک برلیومی افت می‌کند. در گستره انرژی‌های بالاتر از keV 15 نیز بازده آشکارساز به دلیل کاهش ضریب میرایی خطی کل اشعه X در سیلیکون فرو افت خواهد داشت [37]. در شکل (3-6) بازده آشکارساز Si(Li) به صورت تابعی از انرژی پرتو X برای ضخامت‌های مختلف پنجره برلیومی و سیلیسیوم نشان داده شده است.
شکل (3-6) بازده آشکارساز Si(Li) به صورت تابعی از انرژی پرتو X برای ضخامت‌های مختلف پنجره برلیومی و سیلیسیوم.
3-2-4-1-1 تحلیلگر]]>