تعیین مشخصه های یون های پرانرژی تولیدی در دستگاه پلاسمای کانونی سهند

امروزه باریکه های یونی پرانرژی کاربردهای فراوانی در حوزه های مختلف از جمله تولید رادیوایزوتوپهای پزشکی و پردازش مواد پیدا کرده اند. یون ها را می توان توسط دستگاه هایی چون شتابدهنده های ذرات، شتابدهنده های مبتنی بر لیزر و سیستم پلاسمای کانونی به انرژی های خیلی بالایی رساند. در سیستم پلاسمای کانونی، با اعمال ولتاژهای بالای 10kev، یون های پرانرژی در محدوده انرژی 10kev تا چندین mev (چندین برابر ولتاژ اعمالی) تولید می گردند. از این لحاظ این سیستم نسبتاً کوچک و کم هزینه به عنوان یک منبع کارا برای تولید یون های پرانرژی معرفی گردیده است. با وجود اینکه فیزیک تولید و شتابدهی یون ها در پلاسمای کانونی تاکنون به طور کامل توصیف نگردیده است، تلاش های زیادی برای درک مکانیسم شتابدهی و بهینه سازی روش ها به منظور افزایش بازدهی دستگاه صورت گرفته است. یون های تولیدی در دستگاه پلاسمای کانونی تک انرژی نبوده و طیف وسیعی از انرژی ها را شامل می شوند. از طرف دیگر این یون ها به صورت ناهمسانگرد گسیل می شوند. روش های مختلفی برای تعیین این ویژگی ها در دستگاه های مختلف به کارگرفته شده اند. فنجان فارادی به عنوان یک ابزار مناسب جهت تعیین انرژی و توزیع فضایی یون های گسیلی مورد توجه قرار گرفته است. هر چند که طراحی فنجان فارادی ساده بوده و ساخت آن کم هزینه می باشد، با این وجود بکارگیری آن در پلاسمای کانونی با چند مشکل عمده همراه است که از جمله می توان به حضور پارازیت ناشی از وجود میدان های الکترومغناطیسی در ناحیه تنگش، تولید الکترون های ثانوی به هنگام برخورد یون های پرانرژی با سطح فلزی الکترود جمع کننده ی یون و تأثیر حضور رساناهای واقع در نزدیکی مسیر یون ها بر روی سیگنال مشاهده شده اشاره نمود. در این رساله، ابتدا فنجان فارادی مناسب برای به حداقل رساندن خطاهای مربوط به دو مورد اول طراحی و ساخته شده است. با استفاده از نرم افزار cst، تعداد الکترون های تولید شده ناشی از برخورد یون ها بر سطح الکترود داخلی و تعداد الکترون های خارج شده از داخل فنجان مورد ارزیابی قرار گرفته و بهینه ابعاد برای الکترود داخلی جهت جلوگیری از فرار الکترون های ثانویه و در نتیجه کاهش اثرات آنها بر روی سیگنال های آشکار شده، تعیین گردیده است. با بررسی نظری اثر حضور رسانا در اطراف پرتو یونی، بهینه فاصله بین فنجان فارادی و چشمه چنان تعیین گردید که این اثر را به حداقل برساند و در نتیجه قابل چشم پوشی باشد. با بکارگیری فنجان طراحی شده بر روی محور دستگاه سهند، طیف انرژی یون های آرگون به روش زمان پرواز برای فشارهای کاری و انرژی بانک خازنی مختلف اندازه گیری شده و نسبت به تأثیر گاز زمینه تصحیح گردیده است. برای تعیین ناهمسانگردی و توزیع زاویه ای یون های گسیلی از ناحیه تنگش در دستگاه سهند، تعدادی فنجان مشابه ساخته شده و در زوایای مختلف نسبت به محور دستگاه در فواصل یکسان از آند نصب گردیدند. نشان داده شده است که شار یونی اندازه گیری شده در برخی زوایا بیشتر بوده و توزیع زاویه ای یک مقدار کمینه ای در راستای محور دستگاه نشان می دهد. تحلیل گردیده است که این نتیجه می تواند موید یک مکانسیم شتابدهی تحت عنوان سورفاترون برای یون ها باشد. جهت امکان سنجی تولید رادیوایزوتوپ کوتاه عمر n13 با استفاده از واکنش 12c(p,y)13n و مکانسیم باریکه هدف، از گاز متان به عنوان گاز کاری و یک هدف کربنی جامد واقع در فاصله معینی از تنگش جهت فعال سازی توسط پروتون های تولیدی از متان استفاده گردیده و نشان داده شده است که تنگش مناسبی جهت تولید پروتون های پرانرژی و شار و انرژی مناسب برای فعال سازی ایجاد نمی گردد. همچنین به علت عدم امکان تکرار شات ها با فرکانس بالا در دستگاه سهند، با شرایط بکارگرفته شده در این آزمایش امکان تولید ایزوتوپ نیتروژن 13 وجود ندارد.