İyon Kaynakları ve Uygulamaları

Transkript

1 İyon Kaynakları v Uygulamaları E. RECEPOĞLU TAEK-Sarayköy Nüklr Araştırma v Eğitim Mrkzi rdal.rcpoglu rcpoglu@tak.gov.tr HPFBU KARS

2 KONULAR İyon kaynakları hakkında gnl bilgi İyon kaynaklarının kullanım yrlri Tiplrin gör iyon kaynakları SANAEM d kullanılan İyon Kaynağı düznklri -Mikrodalga tipli -ICP Tipli İyon çkm il ilgili bntimlr

3 İyon Kaynakları Kullanım Alanları - Nüklr v parçacık fiziği araştırmaları için hızlandırıcılarda rda parçacık kaynağı olarak - Kütl ayırıcı olarak (ICP MS) - İyon kimi - Malzm işlm, mikro mkanik, nötron jnratörlri - Yüzy tmizlm - İnc film kaplama - Füzyon çalışmaları - vs.

4 Tiplrin gör başlıca iyon kaynakları [1] Elktron bombardımanlı İyon kaynakları Plasmatron iyon kaynakları ECR iyon kaynakları Pnning iyon kaynakları Lazr sürümlü iyon kaynakları Vakum ark iyon kaynakları Ngatif iyon kaynakları Mikrodalga iyon kaynakları RF sürümlüs iyon kaynakları

5 Mikrodalga iyon kaynakları Mikrodalga iyon kaynakları, ilk olarak 1960 ların sonunda R. Gllr v grubu tarafından gliştirilmiştir [1]. İlk iyon kaynağı is 1977 d Sakudo tarafından yapılmıştır. Bu tür iyon kaynaklarının n önmli avantajı lktrot v filaman grktirmdiğindn, uzun ömürlü olması v kolay işltilbilmsidir. Bu tür parçalardan kaynaklanacak olan püskürm v buharlaşmalardan kaynaklı kirlilik d plazmanın çalışması snasında olmayacaktır. Mikrodalga iyon kaynakları gnllikl ucuz v güvnilir olması ndniyl magntron tüp v jnratörlri kullanırlar. SANAEM d yapılan iyon kaynağı 2.45 GHz v hava soğutmalıdır. İyon kaynağının yapımında 30 mm çaplı ~25 cm uzunlukta cam tüp, 2.45 GHz magntron,, mtal aksam, gaz girişi v vakum pompasından oluşan iyon kaynağı v lmanları Şkil 1 d görülmktdir. Dalga kılavuzu için pompalanan mikrodalga, dalga kılavuzu içind duran dalga oluşturduğu sırada plazma odası içind bulunan gaz molküllrindki lktronları lktrik alanı doğrultusunda salınıma zorlar v lktronların kopması sonucunda plazma oluşturur.

6 Çiftli langmuir sondası için I-V grafiği

7 RF İyon kaynakları Plazma oluşturmak için radyo frkans (RF) voltajı,, 1940 lı yılların sonundan bri kullanılmaktadır. RF dayalı iyon kaynağı yapmak, ortamda çok çşitli gazların kullanımına imkan vrdiğindn önmli bir avantaj sağlar.. RF iyon kaynaklarını uzun ömürlü oldukları v iyi plazma ürtbildiklri için oldukça kullanışlıdırlar. Özllikl parçacık hızlandırıcıları camiasında v ndüstrid gniş kullanım alanları vardır [1]. Pratik olarak gaz il doldurulmuş ortamda RF dşarjı için grkli basınç dğri 10^-2-10^-3 Torr civarındadır. İyi bir dşarj için birkaç yüz watt a kadar RF gücü grklidir. RF frkansı is birkaç mgahrtz dn katına kadar uzanır.

8 RF voltajı kullanılarak, bahsdiln basınç dğrlrind plazma ürtmnin iki yöntmi vardır. Bunlardan bir tansi CCP (capacitivly( coupld plasma) dşarjı, diğri is ICP (inductivly coupld plasma) dşarjıdır. RF iyon kaynaklarının büyük bir kısmı ICP türlü dşarj il çalışır. CCP tipli plazma, gaz vriln vakumlu tüpün trafına iki parall plaka vya lktrot yrlştirilrk üzrlrin dğişn RF voltajın uygulanması il ld dilir. ICP is gaz vriln vakumlu ortamın trafına bir uyarılma bobininin yrlştirilmsi v RF uygulanması il oluşturulur.

9 SANAEM d çalışılan ICP Tipli İyon Kaynağı düznği Şkil.1 d üzrind çalışılan ICP tipli iyon kaynağı vrilmiştir. İyon kaynağı MHz max 1000 Watt RF il bslnbilmktdir. RF güç aktarımı % 66 civarındadır.. Bu dğr ayarlı kapasitör kullanımı il %99 a kadar çıkarılabilmktdir.

10 Bir adt turbo pomba kullanılmıştır.. Bu pompa il basınç dğri 10^-6 mbar dan daha iyi ld dilbilmktdir. İyi vakum dğri iyon çıkarma v daha sonra dmt hattında ilrltm için grklidir. ICP plazma için ytrli basıç dğri 10^ ^-3 mbar dır. Bu dğr plazma bölgsin vriln gaz v çıkarma bölgsi il plazma arasındaki ~1mm lik dlik vasıtası il sağlanmaktadır.

11 Hidrojn için plazmadaki olası sürçlr H 2 'iyonizasyon yonizasyon' H 2 H 2 H 2 2 H 2 H H H H 2 H 2 H 2 H 3 H H 3 H H 2

12 İyon kaynağı için ölçümlr nasıl yapılır? Çalışmada proton ürtmk için hidrojn gazı kullanılmıştır. İyon çkimi için DC güç kaynağı kullanılmıştır. Plazma iyon sıcaklığı v parçacık yoğunluğu hsaplamaları için yandaki şkild göstriln çiftli langmuir prob kullanılmıştır. Ölçüln vrilr Kithly-2400 akım ölçr v GPIB arayüz vasıtası il Labviw-9 programı kullanılarak alınmıştır.

13 Şkil d langmuir prob için ld diln I-V V karaktristiği vrilmiştir. Bu dğrlrdn sıcaklık v yoğunluk [5-6] 6] ya gör aşağıdaki şitliklrdn hsaplanabilir di d dv d I d=0 = 1 2 I kt n = T 1 = 2 k V d I 0.61A(kT / m ) 1/ 2 Burada Vd iki prob arası voltaj, Id probakımı, I doyum akımı, T, lktron sıcaklığı, k, Boltzmann sabiti, m iyonun kütlsi, A is langmuir probun yüzy alanıdır. (Çalışmada kullanılan probun yarıçapı ~0.3 mm boyu is ~1 cm dir).

14 Çalışılan ICP tipli iyon kaynağının prformansının nın, - çalışılan basınca, - uygulanan RF in gücün, - plazma il mpdansının iyi şlşmsin, - uygulanabilck dış magntik alana v çıkarma potansiylin bağlı olduğu görülmüştür. Bu paramtrlr bağlı dnmlr dvam tmktdir. Bu iyon kaynağı SANAEM d tasarlanan v yapılan 100 KV DC doğrusal proton hızlandırıcısı için iyon kaynağı olarak kullanılmaktadır v daha tkin kullanılması için üzrind çalışmalar dvam tmktdir.

15 ICP iyon kaynağı için simülasyon çalışmaları Şkil d is bilgisayar programı vasıtasıyla ICP tipli iyon kaynağından 5 KV potansiyl farkı altında iyon çkilmsinin bnztimini vrn şkil vrilmiştir. Şkild görüln noktalar hidrojn plazmasından ld diln protonları göstrmktdir. Ürtiln 1000 proton için simülasyon yapılmıştır. Vido-1 Vido-2

16 10-50 KV proton dmtinin dipoldn gçişi (10 KV siyah- 40 KV mavi) Hidrojn iyonlarının dipol magnttn gçişi ~900 Gauss (H siyah,, H2 mavi, H3 yşil)

17 KAYNAKLAR [1] Handbook of th ion sourcs, d. Brnhard Wolf, ISBN , [2] [3] accl-db1.pdf [4] pag.lbl.gov/proj_vacarcions.htm [5]] J. Dazhi t al., Diagnosis of Hydrojn Plasma in a Miniatur Pnning Ion Sourc by Doubl Probs, Plasma Scinc and Tchnology, Vol.11 V No1, 2009 [6] R H. Huddlston,, S L. Lonard Plasma Diagnostic Tchniqus. Acdmic prs, Nw York, 1965.