مقدمه:

شتابدهواندوگراف سازمان انرژی اتمی ایرانتقریباً ۳۵ سال پیش نصب شد ب۱ب و اولین کارهای آنالیز با باریکه یونی چندسال پس از نصب آن آغاز گردید ب۲ب. اکنون روشهای آنالیز با باریکه یونی یعنی پیکسی، پس پراکندگی رادرفورد، چانلینگ و میکروپیکسی ومیکروپس پراکندگی رادرفورد به صورت روزمره همراه با روشهای دیگر آنالیز مانند اندازهگیری هیدروژن سطحی در این آزمایشگاه به کارمیروندب۳ب. بطور کلی آنالیز با باریکه یونی به دلیل قابلیتها، تنوع وغیرتخریبی بودن اهمیت بسیارزیادی دارد و امروزه آزمایشگاههای زیادی درسرتاسرجهان حول این موضوع وجود دارند . اما آزمایشگاه واندوگراف تنها آزمایشگاهی در ایران است که دارای چنین تسهیلاتی است؟× مدتی است که برای توسعه این فعالیتها، ایجاد یک آزمایشگاه نو مبتنی بر استفاده از شتابدهنده مناسب جدید در دستور کار قرار گرفتهاست. پژوهش انجام گرفته در این مقاله، در این راستاست.

شتابدهنده های ذرات دارای انواع مختلفی هستند که براساس مکانیزم شتابدهی میتوان آنها را به سه دسته اصلی: شتابدهندههای الکترواستاتیکی، شتابدهندههای RF و شتابدهندههای القایی تقسیم کرد. اما برای انجام آنالیز با باریکه یونی، یک شتابدهنده بایددارای خصوصیات مشخصی باشد که عبارتند از؛ الف – باریکه ذرات آن باید متنوع باشد (حداقل پروتون، هلیم، دوتریوم وترجیحاً یونهای سنگینتر مانند کربن، اکسیژن ونیتروژن را شامل شود)، ب-قابلیت انرژی دادن در حد چند مگا الکترون ولت برای یونهای سبک را داشتهباشد، ج- دارای کیفیت باریکه خوب با دقت انرژی درحد کیلوالکترون ولت ودرخشندگی مناسب باشد و د – قابلیت تغییرسریع انرژی و نوع باریکه را دارا باشد. شتابدهندهای الکترواستاتیکی، تنها شتابدهندههائیاند که این ویژگیها را دارند. دراین مقاله ابتدا پس از معرفی مختصر انواع رایج شتابدهندههای الکترواستاتیک، شتابدهنده مناسب انتخاب شده جهت بکارگیری در آزمایشگاه آنالیز باریکه یونی به طور جزئی توضیح داده شده و پس از مروری برانواع مولدهای ولتاژ بالا، بر اساس دلایل مختلف، نمونه مناسب برای این شتابدهنده پیشنهاد گردیده و در پایان نیز شبیهسازی مدل انتخابی به همراه جزئیات بیشتر ارائه شدهاست.

انتخاب شتابدهنده مناسب:

کلیه شتابدهندههای الکترواستاتیکی از سادهترین راه شتاب دادن به ذره باردار یعنی قرار دادن آن در یک اختلاف پتانسیل ثابت استفاده میکنند. همانطور که در مقدمه اشاره شد، این نوع شتابدهندهها در آزمایشگاههای فیزیک هسته

۲۳۱

ای سراسر جهان کاربرد وسیعی دارند. تکنولوژی شتاب دهنده الکترواستاتیکی برای شتاب دادن به ذرات باردار، در دو قسمت ایجاد و تقسیم ولتاژ بالا در یک تیوب مناسب خلاصه میشودعموماً. قسمت تقسیم ولتاژ در تیوب برای انواع این شتابدهندهها یکسان است. اما این شتابدهندهها از حیث نحوه ایجاد ولتاژ بالا، متمایز هستند. البته حداکثر ولتاژ قابل دستیابی در این شتابدهندهها به دلیل محدودیت ایجاد تخلیه الکتریکی زیاد نیست(حدود ۱۰ مگاولت)اما این ولتاژ دارای دقت زیاد و پایداری در حد کیلو ولت است.[۴] از حیث جریان نیز رنج قابل دستیابی از مرتبه نانو آمپر تا چندین میلی آمپر را شامل شده که در انواع مختلف متفاوت است.

انواع رایج شتابدهندههای الکترواستاتیک عبارتند از؛ واندوگراف، پلترون،کوککرافت – والتون، داینامیترون. شتابدهنده واندوگراف ازاصل مقدماتی الکترواستاتیک بهره میگیرد. قسمت کلیدی این مولد یک تسمه از جنس

ماده عایق است که به وسیله یک موتور الکتریکی دور دو غلتک می چرخد. بار تولید شده در تشکیل کرونا در اطراف الکترود به تسمه انتقال داده می شوند. تسمه این بار را به یک گنبد رسانای عایق شده انتقال می دهد و در این هنگام گنبد از طریق الکترود دوم تخلیه (دشارژ) می شود. بنابراین گنبد به طور پیوسته شارژ می گردد تا وقتی که به ولتاژ موردنظر برسد. پتانسیل این گنبد به وسیله چندین مقاومت به تعداد زیادی از الکترودهای حلقوی تشکیلدهنده تیوب شتابدهی تقسیم میشود. یونهای تولیدی از چشمه پس از گذر از فاصله بین این الکترودها که نقش لنزهای الکتروستاتیکی را نیز بازی میکنند، شتاب میگیرند.به طور معمول مولدهای واندوگراف می توانند ولتاژی در حدود ۲MV تولید کنند. اما با قرار دادن مجموعه در یک مخزن عایق و تحت فشار گاز SF6می توان به ولتاژهای بالای ۱۰MV نیز دست یافت. در این حالت به فشار گازی در حد ۱MPa نیاز است. یکی از نقاط ضعف شتاب دهنده واندوگراف، جریان خروجی کم آن(درحد (ʽA میباشد البته این جریان برای بسیاری از آزمایشهای واکنش هستهای کافیست. محدودیت دیگر این شتابدهنده دسترسی سخت به چشمه یون آن، بواسطه قرارگیری در محفظه گاز است .[۵] اصول شتابدهندهی پلترون مانند واندوگراف میباشد با این تفاوت که در مولد پلترون برای انتقال بار به جای تسمه از گوی استفاده می شود که به صورت زنجیر با عایق نایلونی به هم متصل شدهاند. سرعت و راندمان بالای انتقال بار بوسیله گویها، باعث عملکرد بهتر پلترون نسبت به واندوگراف میشود.

کوک کرافت- والتون یک مولد ولتاژ بالا بر اساس سیستم یکسوسازهای چند برابر کننده ولتاژ است.[۶] عمکرد این مولد در شکل- ۱ ب نشان داده شده است. در نقطه A یک ترانسفورماتور ولتاژ سینوسی متغیر با فرکانس تولید می کند. یکسوساز اول باعث می شود که ولتاژ نقطه B هرگز منفی نشود . بنابراین خازن C1 با پتانسیل V باردار میشود. ولتاژ نقطه B بین مقدار صفر و ۲V در نوسان است. بنابراین خازن C2 به وسیله یکسوساز دوم به پتانسیل ۲Vمی رسد. به طریق مشابه با حالت قبل یکسوساز سوم باعث می شود که پتانسیل نقطه Cبه زیر ۲V نرسد. اکنون ولتاژ نقطه C بین ۲Vتا ۴V در نوسان است. بنابراین با کمک یکسوساز چهارم، ولتاژ ۴V نیز تولید می شود. این روند با یکسوسازهای بیشتری تکرار میگردد. بنابراین ماکزیمم ولتاژ حاصله ۲nV میشود که n تعداد یکسوسازها است] ۵و۶و.[۷ جریان باریکه یون همان جریانی است که از مولد بیرون کشیده شده و باعث دشارژ خازن ها و ایجاد ریپل در ولتاژ میشود. هرچه خازن بزرگتر و فرکانس کاری بیشتر باشد وابستگی به جریان کاهش مییابد.

اساس کار یک مولد داینامیترون بر مبنای نوسان کننده های RF است. درون این مولد هیچ قطعه متحرکی وجود ندارد. داینامیترون مولدی است که در آن هر یک از طبقات یکسوساز به صورت موازی تغذیه می شود و در نهایت از سری قرار گرفتن این طبقات، ولتاژ ترمینال ایجاد می شود . ولتاژ RF با فرکانس ۱۰۰ تا ۲۰۰کیلوهرتز با کوپلاژ خازنی به طبقات یکسوساز داده می شود و از مجموع ولتاژ تولیدی این طبقات که به صورت متوالی قرار دارند ولتاژ

۲۳۲

ترمینال ساخته می شود . شتابدهنده های داینامیترونی، هم برای شتابدهی به یونها وهم برای الکترونها مورد استفاده قرار می گیرند از ویژگیهای منحصر به فرد این نوع شتابدهنده میتوان به توانایی تامین جریان باریکه بالا، پایداری ولتاژ داخلی و راه اندازی آسان اشاره کرد. شکل-۱ ج شمایی از یک مولد داینامیترون را نشان میدهد. در این شکل D بیانگر الکترودهای راه انداز وC نشانگر الکترودهای متصل کننده میباشد. در این روش از خاصیت خازنی بین الکترود D و الکترود C استفاده شده و ولتاژ بالای تولیدی متناسب با تعداد طبقات یکسوکننده است بنحوی که اگرn تعداد طبقات وU0 دامنه ولتاژ متناوب ورودی(حدودمعمولاً حدود(۱۰۰×KV باشد ولتاژ مولد از رابطه U=2nfcU0 محاسبه میشود که fc بیانگر ضریب کوپلینگ است. افت ولتاژ ( U) و ریپل ولتاژ ( U) پایین به دلیل فرکانس بالا از مشخصه های این مولد است۱۰] ،۹و.[۱۱ در این شتابدهندهها بخاطر ظرفیت خازنی پایین، تخلیه الکتریکی زیان آور نبوده ومیتواند جریان بالا حدود ۵۰ mA را تامین کند[۹] ؟