Acceleratorul electrostatic HVEE Tandetron 3 MV

Tandetronul de 3 MV instalat recent la IFIN-HH este dedicat tehnicilor de analiza ce utilizeaza fascicule de ioni accelerati (Ion Beam Analysis IBA): spectrometrie de retroimprastiere Rutherford (RBS), emisia de radiatii X indusa de particule incarcate (PIXE), reactii nucleare de rezonanta (NRA), etc. Principalele aplicatii ale metodelor mentionate anterior vizeaza caracterizarea diferitor tipuri de materiale folosite in domenii cum ar fi: optoelectronica, medicina, aplicatii aerospatiale, industria constructoare de masini, etc. Caracterizarea materialelor reprezinta, in cazul folosirii IBA: determinarea compozitiei elementale, a stoichiometriei, a grosimii straturilor subtiri (ordinul nm - sute de nm), etc. Fasciculele de ioni pot fi de asemenea utilizate pentru testarea rezistentei de la radiatii a materialelor sau pentru implantari. (Mai multe detalii aici: http://tandem.nipne.ro/~agata/grup/technical_specifications_3MV_Tandem.PDFhttp://www.aip.org/tip/INPHFA/vol-9/iss-3/p12.htmlhttps://sites.google.com/a/lbl.gov/rbs-lab/ion-beam-analysis )

Fig. 1 Schema acceleratorului Tandetron de 3MVIn Figura 1 se pot observa principalele componente ale acceleratorului tandem de 3 MV: injectorul multi-functional cu doua surse de ioni negativi: 1. sursa duoplasmatron (pentru tinte gazoase) si 2. sursa de sputter (pentru tinte solide);Daca doriti sa detaliati structura si principiul de functionare al surselor puteti folosi materiale de aici: http://www.highvolteng.com/media/Leaflets/model_358__duoplasmatron_ion_source.pdfhttp://www.cmam.uam.es/en/facilities/accelerator/94http://www.phy.duke.edu/courses/217/MottScatteringReport/node11.htmlhttp://www.highvolteng.com/media/Leaflets/model_860__negative_sputter_ion_source.pdfhttp://isnap.nd.edu/html/research_SNICS.htmlAici gasiti descrierea fenomenului de sputter-are, care in cazul sursei 860 se face cu fascicule de Cs: http://pprco.tripod.com/SIMS/Theory.htm sisteme de focalizare si dirijare a fasciculului: lentile Einzel (http://simion.com/examples/einzel.html) , cuadrupoli electrostatici (http://www.pelletron.com/escomp.htm http://www.sbfisica.org.br/bjp/files/v34_1598.pdf), steerer-i electrostatic (http://www.nuclear.lu.se/fileadmin/nuclear/beamtransport2011_02.pdf)

sisteme de monitorizare si diagnoza electrica ale fasciculului de ioni: Beam Profile Monitors (BPM) si cupe Faraday (http://en.wikipedia.org/wiki/Faraday_cup ); magnet bipolar analizor (spectrometru de masa) din zona de energie joasa; generator de inalta tensiune (3 MV) de tip Cockroft-Walton: http://en.wikipedia.org/wiki/Cockcroft%E2%80%93Walton_generator mediu de strippare solid (foite subtire de C) sau gazos (Ar);

magnet bipolar comutator in zona de energie inalta; 3 linii de fascicul dedicate pentru: IBA (Ion Beam Analysis), IIB (Implantation with Ion Beams) si CSM (Cross-Section Measurements).

Acest tip de accelerator are in componenta un sistem injector cu doua tipuri de substante, si anume:

- gazoasa (He)

- solida (grafit)

In cazul utilizarii grafitului, sursa de ioni negativi se realizeaza prin sputterare - procesul prin care sunt eliberati atomi de carbon din grafit prin saparea acestuia de catre ionii pozitivi de Cs obtinuti in urma incalzirii acestuia la o temperatura de 800 prin intermediul unei rezistente.

Exista un spatiu de extractie in care ionii pozitivi sunt separati de cei negativi.

Fasciculul de ioni astfel obtinut este divergent iar focalizarea lui se realizeaza prin intermediul unor lentile electrostatice (Einzel), de forma cilindrica. Exista 3 seturi de astfel de lentile dintre care asupra celui de-al doilea set se aplica o diferenta de potential cuprinsa intre 0-20 KeV cu scopul de a accelera particulele incarcate.

De aseamenea pentru focalizarea fasciculului este folosit Y-sterrer-ul (doua placi paralele care permit directionarea traiectoriei fasciculului sus-jos)

In cazul utilizarii heliului, atunci cand iese din butelie, presiunea acestuia este controlata pentru a putea limita numarul atomilor care intra in sursa unde interactioneaza cu norul de Na (ajunge in aceasta stare prin incalzire la temperaturi ridicate de aprox. 8000) astfel obtinandu-se plasma de He, ca sursa de ioni pozitivi. Pentru ca plasma sa fie confinata este aplicat un camp magnetic prin intermediul unui magnet.La fel ca in cazul ionilor de carbon, si pentru ionii de heliu exista un spatiu destinat separarii celor pozitivi de cei negativi.

Traiectoria fasciculului este deviata spre coloana de accelerare prin intermediul unui magnet bipolar ale carui polaritati pot fi schimbate.

Tancul este prevazut cu joje de vid destinate masurarii presiunii din coloana de accelerare. Mediul in care sunt accelerate particulele trebuie sa fie vidat datorita faptului ca, daca ar interactiona cu moleculele de aer parcursul particulelor nu ar depasi cativa centimetri.Inainte de a intra in tanc fasciculul este diagnosticat prin intermediul unor elemente specifice. Exista doua tije care oscileaza si taie fasciculul realizandu-se o imagine transversala a acestuia de unde se poate observa daca este centrat sau nu. Pentru aflarea intensitatii acestuia sunt folosite cupele Faraday care masoara curentul de ioni.In interiorul tancului se gaseste un gaz, hexafluorura de sulf, necesar pentru scaderea probabilitatii de a avea loc descarcari.

La mijlocul tancului exista mediul de strippare unde particulele incarcate isi schimba sarcina. In aceeasi zona, prin intermediul unei tije care preia tensiunea de 3MV de la generatorul de tip Cockcroft-Walton, ionii pozitivi/negativi sunt accelerati din nou.La iesirea din tanc fasciculul are tendinta sa devina divergent iar pentru focalizarea exacta a acestuia este utilizat acelasi tip de lentile electrostatice (Einzel) insa mult mai puternice. Exista un cuadrupol pe care se aplica o diferenta de potential ce genereaza aparitia unui camp magnetic puternic necesar pentru confinarea fasciculului.Acest tip de accelerator este destinat analizei prin intermediul fasciculului de ioni. Astfel exista un magnet deflector care poate directiona fasciculul pe una din cele 3 linii de cercetare.Prima linie este destinata analizei elementale a materialelor, determinarii compozitiei acestora, analizei efectelor iradierii materialelor. La capatul liniei exista camera unde are loc interactia fasciculului cu materialul de analizat.Exista posibilitatea de a obtine un fascicul cu diametrul de ordinul micrometrilor datorita existentei unui magnet cuadrupolar. In interiorul camerei exista doi detectori pentru patricule incarcate, unul fix si unul mobil. De asemenea este folosit un luminofor constand dintr-un material plastic pe care este depusa sulfura de zinc ce lumineaza cand interactioneaza cu fasciculul.

Metodele utilizate in analiza sunt: emisia de radiatie X indusa cu particule accelerate (Particle Induced X-Ray Emission PIXE), emisia de radiatie gama indusa de particule accelerate (Particle Induced Gamma Ray Emission PIGE), retroimprastierea de tip Rutherford (Rutherford Back Scattering RBS), analiza ionilor imprastiati elastic (Elastic Recoil Detection Analysis ERDA) etc., considerate in prezent tehnici de inalta precizie si sensibilitate a analizei elementale pentru caracterizarea materialelor.

Pe a doua linie se realizeaza experimente de implantari de ioni in materiale, pentru a le modifica proprietatile, iar cea de-a treia linie este destinata experimentelor din domeniul astrofizicii.