فن آوری پرتوهای الکترونی کاربرد گسترده ای در تحقیقات علمی و صنایع مختلف دارد، از طیف سنج های الکترونی و میکروسکوپ های الکترونی گرفته تا استفاده های کارگاهی مانند جوشکاری، دریل کاری، برشکاری و غیره. با بکارگیری سامانه های اپتیک الکترونی می توان به الکترون ها شتاب داده و آن ها را در یک نقطه کوچک متمرکز نمود. اگر اینچنین پرتویی با چگالی توان بالا به ماده جامد برخورد کند، می تواند پیوند های ماده را در هم ریخته و باعث ذوب شدن آن بشود.به این وسیله می توان دو قطعه فلزی را به هم جوش داد. براین اساس می-توانیم از پرتوهای الکترونی در صنعت جوشکاری استفاده نماییم. در این پایان نامه گزارشی از طراحی و ساخت یک تفنگ الکترونی ارائه شده است. این تفنگ از یک منبع الکترونی ترمویونیکی به همراه سامانه های اپتیک الکترونی شامل لنزهای الکتروستاتیکی ضروری برای شتاب دادن به الکترون ها تشکیل شده است. یک لنز متمرکز کننده مغناطیسی نیز برای متمرکز کردن پرتو الکترونی و بهبود چگالی توان مورد استفاده قرار گرفته است. از یک سیم تنگستن به قطر 3/0 میلیمتر و به شکل نوک تیز خم شده به عنوان کاتد استفاده نمودیم. نتایج حاصل از اندازه گیری های مستقیم در این پروژه نشان دهنده تولید یک پرتو الکترونی با جریان پرتو نهایی 212 میلی آمپر و شعاعی حدود 5/1 میلیمتر می باشد.

تفنگ های الکترونی از ابزارهای بسیار مهم و پرکاربرد در فیزیک اتمی می باشند. استفاده از تفنگ های الکترونی برای بررسی ساختار اتم ها و مولکول ها از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد، و می تواند اطلاعات مهم و دقیقی از ساختار اتم ها و مولکول ها به دست آورد. نمونه های متفاوت و متنوعی از تفنگ های الکترونی طراحی شده است، که متناسب با هدف خاص می باشند. در این پایان نامه، با استفاده از کد محاسباتی سه بعدی سیمیون، مدل 8.0 یک تفنگ الکترونی طراحی کرده ایم، که الکترون ها را از یک ساطع کننده یون گرمایی استخراج نموده، شتاب داده و در یک نقطه معیین (هدف) متمرکز می کند. این ساطع کننده و الکترون از جنس اکسید فلزی بوده که به صورت غیر مستقیم، با عبور جریان گرم می شود. پرتو الکترونی خارج شده از این تفنگ در محدوده وسیعی از انرژی های نهایی متمرکز می شود، به طوری که مناسب فرآیند برخورد الکترونی باشد. از این کد محاسباتی برای تصحیح خصوصیات کانونی لنزها و محاسبه ولتاژهای اعمالی به اجزاء اپتیکی تفنگ الکترونی استفاده می شود. همچنین با استفاده از این کد محل و قطر همه روزنه ها (مردمک، پنجره) و مسیریابی پرتوها از درون لنزهای الکتروستاتیکی، انجام می شود. در پایان، موفق به شبیه سازی پرتوی با زاویه واگرایی در نقطه هدف، کمتر از 5 درجه، با انرژی نهایی متغیر بین ev5 تا ev45 شدیم. قطر پرتو خروجی بین mm 0/7 تا mm2 متغیر می باشد. با بکارگیری زوم لنز در ساختار تفنگ الکترونی طراحی شده می توان محل کانون پرتوها را بدون تغییر در انرژی آنها جابه جا کرد.

چکیده ی فارسی: طیف سنج های جرمی چهارقطبی یا فیلترهای جرمی چهارقطبی استفاده های فراوانی در شاخه های مختلف علوم به منظور جداسازی نمونه های مختلف اتمی و مولکولی دارند. فیلترهای جرمی ایده آل برای تولید یک میدان الکتریکی موردنظر از چهار الکترود با سطح مقطع های هذلولوی استفاده می کنند. در بیشتر فیلترهای جرمی تجاری استفاده از الکترودهای استوانه ای، به دلیل سادگی در ساختار، ترجیح داده می شوند. پارامترهای دینامیک و استاتیک اعمال شده به این الکترودها چندین ناحیه ی پایداری برای مسیر یونهایی که به درون آن وارد می شوند، ایجاد می کنند. در این مطالعه با استفاده از نرم افزار simion3d version 7 عبور یونها در دو منطقه ی پایداری اول و سوم شبیه سازی شده و کارآیی فیلتر جرمی چهار قطبی با سطح مقطع هذلولوی مورد بررسی قرار گرفته است. با تغییر انرژی اولیه، شعاع و توزیع زاویه ای یون ها و همچنین طول فیلتر، درصد انتقال و قدرت تفکیک فیلتر مورد محاسبه قرار گرفته است. همچنین 5 فیلتر جرمی چهارقطبی با سطح مقطع دایروی به شعاع های مختلف شبیه سازی شده و کارآیی آن ها برای عبور یونهای گازی هلیوم در همان مناطق پایداری مورد مطالعه قرار گرفته است. در نهایت عملکرد هندسه های هذلولوی و دایروی در مناطق اول و سوم پایداری مورد مقایسه قرار گرفته است.

تکنولوژی پرتو الکترونی کاربردهای بسیار مهمی در زمینه های مختلف مانند جوش کاری، تبخیر، لایه نشانی، ذوب، اسپکترومترها و میکروسکوپ های الکترونی دارد. تفنگ الکترونی ابزار بسیار سودمندی برای تولید پرتو الکترونی می باشد و با کانونی کردن آن توسط لنزهای مغناطیسی و الکتریکی، توزیعی کانونی از پرتو روی هدف به دست می آید. در تفنگ های الکترونی استفاده شده در تولید بخار، فشار محفظه کمتر از 5-10 تور بوده و انتشار الکترون از کاتد فیلمان داغ عموماً از جنس تنگستن یا تانتالیم، اتفاق می-افتد. شبیه سازی این تفنگ های الکترونی، نقش مهمی را در ساخت آزمایشگاهی و صنعتی این تفنگ ها ایفا می کند. هدف اصلی این پایان نامه، شبیه سازی منبع تبخیر الکترونی برای کاربرد آن در لایه نشانی می باشد. به این منظور، ابتدا منابع تولید پرتو الکترونی و کاربردهای آن و انواع لایه نشانی ها مطالعه شده اند و به دلیل اهمیت حرکت الکترون تحت میدان های الکتریکی، مغناطیسی و الکترومغناطیسی، بررسی هایی در این زمینه ها صورت گرفته است و با معرفی و کاربرد نرم افزار ebs، شبیه سازی-های منبع تبخیر پرتو الکترونی توسط این نرم افزار و بررسی شرایط مطلوب آن جهت بهره برداری در لایه نشانی صورت گرفته است. سرانجام در این پایان نامه موفق به طراحی و شبیه سازی یک سامانه اپتیک الکترونی برای تبخیر با پرتو الکترونی در خلأ شده که دارای چگالی جریان2a/cm7/4 می باشد و سطح برخورد کوچک می باشد که شعاع این پرتو mm 2 و بر اساس محاسبات صورت گرفته گسیلندگی آن mm-rad56/12 و با چرخشی 90 درجه ای، توانی برابر با va 106 ×7/2 ایجاد می کند که بیا ن گر مناسب بودن این تفنگ برای فرآیند تبخیر با پرتو الکترونی در خلأ می باشد.

استفاده از خاصیت فوتوکاتالیستی نیمرساناها، یکی از موثرترین روش های کاهش آلودگی های صنعتی در جهان می باشد. در سال های اخیر به اکسیدروی به دلیل دارا بودن خواصی مانند: غیر سمی بودن، ارزان بودن، پایداری فیزیکی و کارایی شیمیایی بالا توجه ویژه ای شده است. علاوه براین اکسیدروی در کاهش فوتوکاتالیستی بعضی آلودگی ها بازده بهتری دارد. از آنجا که واکنش فوتوکاتالیستی یک فرآیند سطحی است، استفاده از نانوساختارها به علت بیشتر بودن سطح موثر، افزایش خاصیت فوتوکاتالیستی را به دنبال دارد. اما با این وجود نانوساختارهای مختلف، خاصیت فوتوکاتالیستی متفاوتی از خود نشان می دهند که وابسته به مورفولوژی آنها می باشد. در این تحقیق ابتدا از دو روش تجزیه ی حرارتی دی هیدرات استات روی و سل-ژل نانوساختارهای مختلف از قبیل نانوذرات کروی، نانوسیم ها و نانودیسک ها ساخته شدند. خواص نانوساختارها با استفاده از دستگاه پراش پرتو ایکس xrd، طیف سنج ft-ir، طیف سنج uv-visible و میکروسکوپ الکترونی روبشی sem بررسی شد. در بخش دوم کار، خاصیت فوتوکاتالیستی نانوساختارهای مختلف از طریق تجزیه ی رنگ متیلن آبی اندازه گیری شد. نتایج نشان دادند که نانوساختارهای مختلف، خاصیت فوتوکاتالیستی متفاوتی از خود نشان می دهند. نمونه ی به دست آمده از طریق تجزیه ی حرارتی دی هیدرات استات روی در مدت 5 ساعت در فاز بخار، بهترین خاصیت فوتوکاتالیستی را از خود نشان داد. این نمونه در 30دقیقه اول بیش از 72% و در 120دقیقه بیش از 99% از رنگ متیلن آبی را تجزیه می کند. همچنین رابطه ی منطقی بین میزان جذب رنگ روی نانوپودر اکسیدروی در 30دقیقه اول در غیاب تابش نور uv و خاصیت فوتوکاتالیستی مشاهده شد که براین اساس بسیاری از نمونه ها از مدل لانگمور-هینشلوود پیروی می کردند. به طور کلی نتایج نشان دادند که خاصیت فوتوکاتالیستی نانودیسک ها و نانوصفحات بیشتر از نانوذرات و خاصیت فوتوکاتالیستی نانوذرات بیشتر از نانوسیم ها می باشد. همچنین خاصیت فوتوکاتالیستی بسیاری از نمونه های ساخته شده در مقایسه با tio2تجاری بهتر بود که نشان دهنده ی کارایی اکسیدروی می باشد.

طیف سنج جرمی زمان پرواز به دلیل توان تفکیک بالای آن، یکی از پرکاربردترین طیف سنجها در علوم و تکنولوژی است. در این طیف سنج، یون ها پس از تشکیل در منبع یونی توسط یک میدان الکتریکی شتاب گرفته و با توجه به سرعت-هایشان جداسازی می شوند. در این مطالعه، با استفاده از نرم افزار simion نسخه ی 7.0، یک طیف سنج جرمی زمان پرواز انعکاسی ?rtof? با سه الکترود استوانه ای به منظور آنالیز یون های بیومولکولی سنگین طراحی و شبیه سازی شده است. تأثیر ولتاژهای اعمال شده بر الکترودهای طیف سنج و نیز طول این الکترودها بر توان تفکیک و درصد انتقال بررسی شده است. همچنین در این پایان نامه یک طیف سنج جرمی زمان پرواز انعکاسی رادیوفرکانسی جدید ??rfrtof? ارائه شده است. بدین منظور تأثیر پارامترهای مختلفی همچون فرکانس و دامنه ولتاژ rf الکترودهای چهارقطبی بر مسیرهای یونی در این طیف سنج و توان تفکیک و درصد انتقال این سامانه بررسی شده است. سپس عملکرد rtof معمولی با طیف سنج rfrtof جدید مورد مقایسه قرار گرفته است. نتایج محاسبات بهبود 30.3% در توان تفکیک سامانه ی rfrtof را در مقایسه با طیف سنج rtof نشان می دهد. همچنین نتایج نشان می دهند که انتقال یونها در rfrtof حدود 98.5 درصد است.

در این پایان نامه، معادله گرمای وابسته به زمان برای قطعه فلزی تحت جوشکاری با پرتو الکترونی حل شد و توزیع دمای قطعه کار در شرایط سرمایش مختلف به دست آمد. معادله گرما در مختصات استوانه ای حل شد و شرایط مرزی همرفت و تابش به ترتیب متناظر با محیط های جوشکاری در محیط بدون خلأ و در محیط خلأ به کار رفت. چگالی چشمه تولید گرما که توسط الکترون ها در حجم قطعه ی کار تولید می شود، از کار لو و همکارانش گرفته شده که در آن، توزیع در صفحه عمود بر جهت انتشار پرتو به صورت گاوسی و در جهت انتشار به صورت یک تابع نمایی است [ y. luo, j. liu, and h. ye, “an analytical model and tomographic calculation of vacuum electron beam welding heat source,” vacuum 84, 857-863 (2010)]. در شرایط بدون خلأ، مکانیسم اصلی سرمایش جریانات همرفتی هستند. برای این حالت یک جواب تحلیلی برای توزیع دما برحسب مختصات استوانه ای r و z و زمان t به دست آمد. شرط مرزی تابش که در محیط خلأ موثرترین مکانیسم سرمایش است، مانع از حل تحلیلی معادله گرما می شود، زیرا معادله را غیرخطی میکند. برای این کار از نرم افزار comsol multiphysics استفاده کرده ایم که به روش عناصر محدود معادلات را حل می کند. همچنین با توجه به اینکه در عمل، سطح قطعه جوشکاری بسیار بزرگتر از شعاع پرتو الکترونی، ، است، محاسبات در یک شعاع که شرط برقرار است، انجام شدند. روی این مرز، شرط عایق حرارتی استفاده شده است. نتایج نشان میدهند که هرچه جریان پرتو بیشتر و اندازه لکه کوچکتر باشد، دمای قطعه کار بیشتر است. دما به مکان تمرکز پرتو نیز بستگی دارد. به این ترتیب که هرچه مکان تمرکز به سطح قطعه کار نزدیکتر باشد، دمای قطعه کار بیشتر خواهد بود. از طرفی میتوان نتیجه گرفت که پارامترهای مختلف در هر دو محیط به یک شکل تأثیر میگذارند، با این تفاوت که دما در محیط خلأ بالاتر از محیط بدون خلأ است. نتایج برای پیش بینی دمای قطعه کار تا رسیدن به دمای ذوب اعتبار دارند. روابط تحلیلی، طراحان را در پیش بینی دما بر اساس پارامترهای پرتو و فلز، یاری می رساند.

در این پایان نامه گزارشی از مراحل مختلف طراحی، ساخت و بالیدن یک سامانه برای تبخیر مواد و لایه نشانی در خلأ ارائه می شود. هدف پایان نامه استفاده از بمباران الکترونی به جای روش های مقاومتی برای تبخیر مواد دیرگداز که باعث واکنش با مواد مختلف، تبخیر مواد ترکیبی (غیر خالص) و در نتیجه آلودگی لایه های نشانده می شدند، بوده است. این سامانه از سه بخش مهم منبع الکترونی، منبع تغذیه ولتاژ بالا برای شتاب دادن به الکترون ها و خلأ تشکیل شده است که مشروح تلاش های انجام شده در هر یک از این سه بخش در این پایان نامه گزارش می گردد. منبع الکترونی با استفاده از نتایج محاسبات انجام شده توسط کد محاسباتی ebslite .2 طراحی شده است. همچنین یک تفنگ الکترونی با استفاده از نتایج شبیه سازی شده توسط نرم افزار سالیدورک طراحی و ساخته شد. این تفنگ الکترونی شامل کاتد، آند و الکترود متمرکز کننده پیرس است که امکان هدایت و کنترل مطلوب جریان الکترونی تولید شده توسط کاتد را دارد. برای فیلامان این تفنگ از فلز تنگستن v- شکل به قطر mm3/. و طول mm30 استفاده شده که با اعمال ولتاژ شتاب دهنده kv 8/2 جریان گسیل 15 تولید می کند. منبع تغذیه ولتاژ بالا که در این پایان نامه استفاده شده است یک ترانسفورماتور خشک kv20 با جریان ma400 می باشد. نتایج نشان می دهد که تفنگ ساخته شده قابلیت استفاده در سیستم های لایه نشانی را دارد، و از آن جهت لایه نشانی آلومینیوم بر روی شیشه استفاده شد.

طیف سنج الکترونی شامل اجزای مختلفی است که یکی از کلیدی ترین اجزای آن آنالیزور انرژی است. آنالیزورهای انرژی انواع مختلفی دارند که هرکدام دارای ویژگی های خاص خود است. یکی از پرکاربردترین آن ها، آنالیزور منحرف کننده ی نیم کروی (hda) است. حضور میدان های حاشیه ای در ورودی و خروجی این آنالیزور اثرات مخربی بر قدرت تفکیک انرژی آن می گذارد، به این خاطر لازم است در ورودی وخروجی آنالیزور تصحیحاتی اعمال گردد. در این تحقیق تصحیح میدان های حاشیه ای، از روشی موسوم به ورودی پیرامرکزی بایاس شده انجام می گیرد. به

در این تحقیق کاربردهای پرتوهای الکترونی در مطالعات و آزمایش ها علمی، صنعت و پزشکی بررسی، ابزار تولید پرتوهای الکترونی یا تفنگ الکترونی معرفی و بخش های مختلف و فیزیک حاکم بر آن ها مورد مطالعه قرار گرفت. از جمله مهمترین بخش های یک تفنگ الکترونی ابزارهای متمرکزسازی یا لنزهای الکتروستاتیکی هستند. در این پایان نامه انواع مختلف این ابزارها و کارایی هر کدام بررسی و توسط نرم افزار ebs 2.00 شبیه سازی شدند. به منظور بررسی رفتار اپتیکی لنزهای الکتروستاتیکی تصویرسازی و رفتار کانونی در آن ها بررسی شد. در بررسی رفتارهای اپتیکی در این لنزها در تصویرسازی از زوایای گسیل مشخص و در رفتار کانونی از پهنای پرتوی مشخصی استفاده شد. مقدار این زوایا و پهنا ها توسط نرم افزار به گونه ای بهینه شد که ابیراهی در این سامانه ها حذف شود. همچنین اثر تغییر زوایای گسیل و پهنای پرتو و نیز انرژی اولیه ی پرتوها هنگام ورود به لنز در لنز روزنه ای دو جزئی مورد بررسی قرار گرفت. در انتها سه نمونه تفنگ الکترونی برای کاربردهای خاص طراحی و شبیه سازی شدند. این طراحی ها عبارتند از 1) تفنگ الکترونی با انرژی پایین به عنوان منبعی برای یک تکفام ساز 2) تفنگ الکترونی در انرژی پایین به منظور تولید باریکه ی الکترونی با قطر و مکان تصویر ثابت در انرژی های نهایی مختلف و 3) تفنگ الکترونی تبخیر. در این تفنگ ها از لنزهای الکتروستاتیک در حضور کاتد گرمایونی استفاده شد و در نهایت برخی پارامترها در این تفنگ ها مورد بررسی قرار گرفت.

با توجه به استفاده فراوان پرتوهای الکترونی در سامانه های الکترون اپتیکی نظیر طیف سنج های الکترونی و سیستم های لیتوگرافی، مطالع? دقیق رفتار فیزیکی این پرتوها دارای اهمیت است. یکی از مهم ترین عامل های موثر در مشخصه های پرتوهای الکترونی، اثر بار فضایی است. گرچه به منظور جلوگیری از پیچیدگی این اثر در سامانه های الکترون اپتیکی از آن صرف نظر می-شود. اما در بسیاری از کاربردها در مورد پرتوهای الکترونی با چگالی بالا اثرات بار فضایی نقش مهمی را ایفا می کند. بنابراین در این تحقیق به علت اهمیت بار فضایی، در ابتدا اصول -اپتیک الکترونی، منابع و روش های تولید الکترون، ابیراهی موجود در سامانه های الکترون اپتیکی را مورد مطالعه قرار می دهیم. سپس چگونگی تشکیل شدن ناحی? بار فضایی مطالعه و شبیه سازی می شود. هم چنین یک نمونه کاتد گرمایونی را شبیه سازی کرده و اثر دمای کاتد، اندازه متفاوت شعاع روزن? آند، بر روی جریان محدود شده توسط اثر بار فضایی مطالعه می شود. و در آخر هم یک نمونه تفنگ الکترونی بر اساس مطالعات انجام شده بر روی کاتد، بهینه ، طراحی و شبیه سازی می گردد.