Ion Sources

HIZLANDIRICILARDA PARÇACIK
KAYNAKLARI
Dumlupınar Üniversitesi
Latife Şahin
VII. Uluslararası Katılımlı Parçacık Hızlandırıcıları ve Detektörleri Yaz Okulu
21 - 26 Ağustos 2011, BODRUM/TÜRKİYE
Genel bir hızlandırıcı kompleksi
Parçacık kaynağı hızlandırıcı zincirinin ayrılmaz bir parçasıdır.
Parçacık kaynakları





Parçacık hızlandırıcıları veya başka uygulamalar için iyon ve
elektron demeti üreten cihazlara denir.
Her hızlandırıcı bir parçacık kaynağına ihtiyaç duyar.
Parçacık kaynakları sadece hızlandırıcılar tarafından
kullanılmazlar.
İyon implantasyonu, füzyon uygulamaları, tıp, gıda ışınlanması
gibi birçok alanda uygulaması bulunmaktadır.
İstediğimiz amaca ve akıma yönelik parçacığı elde etmek için
uygun parçacık kaynaklarını kullanmak gereklidir.

Parçacık kaynak çeşitleri nelerdir?

Parçacıklar nasıl üretilir?
Parçacık Kaynakları




Elektron Kaynakları
İyon Kaynakları
 Pozitif iyon kaynakları
 Negatif iyon kaynakları
Proton kaynağı
Anti-parçacık kaynakları
Nötron kaynakları
Elektron kaynağı
Elektron kaynakları



Elektron kaynakları da parçacık hızlandırıcıları için
elektron demeti üreten kaynaklardan biridir.
Elektron demetinin kaynağı katottur(flament).
Elektron demetleri üretim mekanizmasına göre
sınıflandırılabilirler
Elektron kaynakları
Elektron kaynak çeşitleri:
 Termiyonik emisyon(yayılım)
 Yüksek alan emisyonu
 Fotoelektrik emisyonu
Bu kaynaklar nasıl çalışır?
Termiyonik emisyon







Flament yüksek erime noktası ve
düşük iş fonksiyonlu malzemeden
yapılır
Filament elektron akışı olana kadar
ısıtılır.
Negatif bir potansiyel(birkaç yüz
Volt) Wehnelt silindirine uygulanır.
Anota pozitif bir elektriksel
potansiyel uygulanır.
Elektronlar anota doğru hareket
ederken, katot tarafında, yayılan
elektronların bir kısmı Wehnelt
silindiri tarafından geri itilirler.
Elektronlar pozitif potansiyel ile aşağı
doğru hızlandırılırlar.
Anot üzerindeki delikten çıkarlar
http://www.matter.org.uk/tem/electron_gun/electron_gun_simulation.htm
Termiyonik emisyon




Flament akımı, flament sıcaklığını ve dolayısıyla
yayınlanan elektronların sayısını kontrol eder
Flamentin küçük bir bölgesinden elektronların
yayınlanması istenilir
Flament akımı demet akımı artık yükselemeyeceyi
noktaya gelene kadar artırılır
Bias potansiyeli flamentte elektronların
yayınlanacağı bölgeyi kontrol eder
Termiyonik emisyon

Isıtılan yüzey bir katodu
meydana getiriyor ise verilen
sıcaklıkta yayınlanan
maksimum akım yoğunluğu
Richardson/Dushman denklemi
ile verilir.
J = A . T2 . e ( -11600 .  / T )

Bu denklemde  eV cinsinden
iş fonksiyonudur. A ise 120
amper/cm2K2 değerinde teorik
bir değerdir. Yandaki tabloda
sıklıkla kullanılan termiyonik
katotların bazı temel
parametreleri yer almaktadır.
Metal
Akım(A)
İş
Fonksiyonu
(eV)
Sıcaklık (°
K)
Akım
yoğunluğu
(A/cm2)
Tungsten
60
4.54
2500
0.3
Toryum
katkılı
tungsten
3
2.63
1900
1.16
Karışmış
oksitler
0.01
1.
1200
1.
Sezyum
162
1.81
Tantal
60
3.38
2500
2.38
Sezyum/Ok
sijen/Tungs
ten
0.003
0.72
1000
0.35
Termiyonik katot malzeme
İki parametre önemlidir
W=İş fonksiyonu (mümkün olduğu kadar düşük)
T=Çalışma sıcaklığı(yüksek tercih edilir)
 Sezyum(Cs) düşük iş fonksiyonu sahip fakat
çalışma sıcaklığıda düşük (T=320K)
=> Yüksek akım için iyi değil
 Metaller: Ta (4.1eV, 2680K), W (4.5eV, 2860K)
 BaO iyi özelliklere sahip (1eV; 1000K) fakat havada
oksitleşir

Soru




Aşağıdaki metaryellerden hangisi aynı sıcaklıkta en
yüksek termiyonik akımı verir?
(a) Demir (Fe); W=4.7 eV
(b) Gadolinyum (Gd); W=2.90 eV
(c) Kobalt (Co); W=5 eV
Yüksek alan emisyonu



Alan emisyonlu
tabancalarda, metal
flamentten elektronları çekip
çıkarmak için çok güçlü
elektrik alan (109Vm-1)
kullanılır
Sıcaklık termiyonik
emisyonlu kaynaklardan
daha düşüktür
Fakat kaynak parlaklığı (katı
açı başına akım yoğunluğu)
termiyonik emisyondan daha
yüksek olup yüksek vakum
gerektir
Fotoelektrik emisyon






Bir malzemenin iş fonksiyonundan daha yüksek enerjili bir
foton malzeme yüzeyine çarptığı zaman bir elektronun
yayınlanmasına sebep olur.
Emisyona sebep olacak maksimum foton dalga boyu 
=1240/ burada  iş fonksiyonu olup  nanometre birimindedir.
Fotondan gelen fazla enerji elektrona kinetik enerji olarak
aktarılır.
Gelen foton başına yayınlanan elektronların oranı kuantum
verimliliği olarak adlandırılır.
Kuantum verimliliği katodun ömrü boyunca azalacaktır:
Kontamine olabilir veya hasarlanabilir
Metaller için minimum foton enerjisi morötesi enerji
aralığındadır(200nm buda 6 eV karşılık gelir, çoğu metallerde
elektron koparmak için yeterlidir)
İyon kaynakları-İyon nedir?


Elektrik yüklü atom ya da
atom grubudur
Bir atom ya da atom grubu
bir veya daha fazla elektron
kaybeder veya kazanırsa
elektrik yükü kazanmış olur.
İyon kaynakları




Parcaçık hızlandırıcıları ve başka uygulamlar için
iyon demeti üreten cihazlardır
Basit bir iyon kaynağı için iyonize gaz olan
plazmanın üretilmesi ve iyonların plazmadan
çekilerek istenilen enerjiye hızlandırılması gereklidir
Plazma iyon, elektron ve nötr atomun karışımından
oluşur
Ortamdaki gaz atom yada moleküllerin elektronlar ile
bombardıman edilmesi sonucu plazma meydana
gelir.
İyon kaynakları



Plazma kaynağı ile iyonlar üretilir
Ekstraktördeki elektrotlara uygulanan voltaj ile iyonlar
hızlandırılarak, enerji kazandırılır
Ekstraktörden ayrılan iyon demeti uygulamaların yapılacağı
bölgeye gönderilir
İyon kaynakları



Ekstraktör geometrisi, iyon demetinin şeklini ve boyutunu
belirlemekte önemlidir
Küçük çaplı dairesel bir demet için, bir küçük delikli
ekstraktör kullanmak uygun olacaktır
Geniş bir demet için, bir çok delik(slit) bulunan ekstraktör
kullanılır
İyon kaynakları
Pozitif iyon kaynakları
 Yüksek akım iyon kaynaklar
 Çoklu-yüklenmiş iyon kaynaklar
 Çok-kutuplu sınırlanmış kaynaklar
 Oldukça yüklenmiş iyon kaynaklar
Negatif iyon kaynakları
 Hacim yöntemi
 Yüzey yöntemi
 Yük alışveriş yöntemi
Pozitif İyon Üretimi




Bir atom veya molekülden
elektronun uzaklaştırılması
gerekir.
Başarılı bir iyonizasyon için
atom veya moleküle
minimum enerji(eşik enerjisi)
transferi gereklidir.
Birden fazla elektron, atom
veya molekülden sökülebilir
Pozitif iyon üretimi
iyonizasyon enerjisini
sağlayacak fotonlar ve
elektronlar tarafından
gerçekleştirilir

2

H e H  H e

H  e  H  2e
Ai   e  A(i  n )  (n  1)e
A i   e  A (i 1)   2e
Flament İyon Kaynağı







Plazmadaki nötr atom yada molekülleri iyonlaştırarak,
plazmanın yoğunluğunu artıran en iyi yöntem
Elektron üretmek için çok sıcak bir telden(flament) termiyonik
yayılımı kullanılır
Flamente -70 V uygulanması , iyonlaştırma için elektronun
yeterince enerji kazanmasına sebep olur
Bu kaynak iyonlaşma oranı gaz yoğunluğu ile orantılı olması
istenilince tercih edilir
Flamentin ömrü buharlaşma ve sputtering yüzünden sınırlıdır
1 mT basınçta, cm başına bir iyon üretmek için 300 elektron
gereklidir
Yüksek şiddette iyon demeti üretmek için uygun değil!!!
Flament İyon Kaynağı
Elektron çoğalımı





Townsend discharge: Gaz
iyonizasyon prosesi
Elektronlar, ortamın basıncı ve
elektrik alan izin verdiği ölçüde
enerji kazanırlar
İyonlaştıran ve iyonlaşan
elektron tekrar yeni
iyonlaşmalar meydana getirir
Sonuçta akım aradaki d
uzaklığına bağlı olarak
exponansiyel artar
d sabit tutulur ve basınç
değiştirilirse akım max . değere
ulaşır
Yüklü Parçacıkların Hapsedilmesi
Pening İyon Kaynağı






Plazma hapsetmesi için dipol alanın
bir uygulaması
Anod eksenine paralel manyetik
alanda bir silindir anot ve iki katot
bloktan oluşur
Katottan yayınlanan elektronlar Bçizgilerini takip ederek diğer katota
gider ve oradan yansıtılır
Bu şekilde elektronlar iki katot
arasında titreşerek elektron akım
yoğunluğunu yükselterek yüksek
verimlilik sağlarlar.
İyonların çıkışı eksen boyunca ya
katoda açılan bir delikten yada çap
boyunca anottaki bir kesikten
sağlanır.
Katotların sputteringi yüzünden
ömrü sınırlı, özellikle yüksek yüklü
parçacıklar için
Multicusp İyon Kaynağı







Füsyon için geliştirilmiştir
Multicusp alanlar düzenli
magnetler tarafından üretilmiş
Manyetil alan duvarlardan
uzaklaştıkça azalır, merkezde
sıfır
Duvarlardaki güçlü manyetik
alan iyonların tekrar merkeze
gönderilmesini sağlar
Elektronlar, termiyonik yayılım
ile bir flament tarafından
sağlanır
Odanın duvarları anot görevi
yapar
Flamentin ömrü sputtering
yüzünden sınırlı!!!!!
Sputter(püskürme)- iyon kaynağı katili????





Elekronların hızlanıp tekrar iyonlaşma meydana getirmesi için
elektrik alan gerekli
Aynı elektrik alan iyonlarıda etkiler, bu sebeple iyonlar
hızlanarak elektrotlara çarpar ve eletrotlardan atomları
püskürtebilir(sputtering)
Sputtering flamentlerin incelmesini , dolayısıyla kırılmasına
sebep olabilir
Yani Sputtering malzemelerin ömrünü kısaltır
Azatılması gerekir
Ne yapılabilir?





Flament yerine anten dizayn edilir
Antene RF kaynağı ile akım sağlanır
Bu akım aynı zamanda dairesel E alan üretir
Bükülen E alan antenin ortasında yoğunlaşır
Bu alan sayesinde iyonlar açısal yönde hızlanır
RF ile beslenen multicusp iyon
kaynakları



Alternatif akım ile dairesel
E alan üretilir
İyon kaynağının ömrü
uzatılır
iyon yoğunluğunu
artırmak, elektrik alanı
artırmaya, elektrik alanı
artırmakta anten akımı
artırmaya bağlı
RF akımı artırmanın limiti var
mı?




RF volatjı artırdıkca, akım
artar ve sonunda plazma
yoğunluğu artarken plazma
empedansı düşer
Rf akımı antenden
plazmaya bypass olur
Bu da plazmada değişikli
yaratır
Bu antenlerin uygun
kaplaması ile düzeltilebilir
Negatif İyon üretimi



Tabakalarında elektron boşluğu bulunan bazı atomlar
extra bir elektronu çeker ve negatif net yüklü kararlı
izotop meydana getirir
Kararlılık elektron bağlanma enerjisi veya elektron
yatkınlığı ile ifade edilebilir
Elektron yatkınlığı, iyonizasyon enerjilerinden daha
küçüktür
Hacim yöntemi




Elektron doğrudan atoma
bağlanır , enerji fazlalığı
gama ışını olarak

A

e

A

yayınlanır(Tesir kesiti
küçük!!!)
Enerji fazlalığı üçüncü M  e  A  B  e  A  B 
parçacığa aktarılır
Sıcak elektronlar
molekülleri titreşimle
uyarır
Uyarılmış molekül ve
soğuk elektronlar arasında
çözülmeli bağlanma olur
M  e* M 2e*M  e
*
M  e * M   A  B 
Yüzey yöntemi




Metaller zayıf bağlı iletim elektronlarına sahiptirler.
Ancak yüzeyden bir elektron koparabilmek için
yaklaşık 4,5 – 6 eV’luk enerji gerekir(iş fonksiyonu).
Oda sıcaklığında sıvı bir metal olan Cs’un iş
fonksiyonu ise yalnızca 2 eV kadardır.
Bir metal yüzey üzerine yoğunlaştırıldığında, Cs,
yüzeyin iş fonksiyonunu 1,4 – 1,8 eV civarına
düşürür.
Elektron yatkınlığı 2 eV’dan fazla olan atomlar
Cs’daki elektronu kolayca yakalayarak negatif iyon
meydana getirirler.
Yük alışverişi


Pozitif iyon demetlerinin
çift yük değişimi, negatif
iyon üretiminden daha çok
tutulan bir yöntem
Yüksek akım gerektiren
durumlarda kullanılmıyor
X   Cs  X  Cs 
Nötrleşme
X  Cs  X   Cs  İyonlaşma
Magnetron İyon Kaynağı






Plazmanın hapsedilmesi için
selonoid alanın en basit şekilde
uygulandığı kaynak
0.1 T büyüklüğünde bir alan iyon
kaynağınınm dışına yerleştirilen
solenoid ile sağlanır
Katot bir termiyonik yayılım
sağlayan flament iken, anot
odacığın kendisidir
Manyetik alana parelel
yerleştirilen flament
elektronların spiral yol
çizmelerine sebep olur
Flamentin ömrü sınırlıdır:
Sputtering
Yüksek manyetik alanada
plazmada titreşime sebep olur
H- Magnetron Iyon Kaynağı
J Alessi, BNL
e-
~1 mm
Mo
Cathode (-)
Cs
M Stockli,
R Welton, SNS
H
H+H2+
H-
eAnode (+)
e-
B
Multicusp Negatif İyon Kaynağı




Pozitif iyon yüksek-akım
kaynağı gibi görünür fakat Holarak çalıştırıldığında su ile
soğutmalı mıknatıs filtresi
dahil edilir
Bu filtre katottan çıkan ilk
elektronların çıkış bölgesine
girmesini önlemek için
yeterince kuvvetli dir
Çok yavaş elektronlarla
birlikte pozitif ve negatif
iyonların herikisi filtreden
geçebilir
Hacim prosesi ile yüksek
verimlikli H- lu soğuk
plazma oluşabilir.
Yüzey dönüştürme iyon kaynağı








LBNL, tarafından geliştirilmiştir
Cs un soğuk metal yüzeye
yoğunlaştırılması sonucu , H- iyonlar
oluşturulmuştur
iyonlar negatif voltajda tutulan
sezyum(Cs) ile kaplanmış bir metal
yüzeyde oluşturulur.
Flament plazma oluşturmak için
kullanılır
Küresel yüzey su ile soğutulur
Bu yüzeye voltaj uygulayarak negatif
iyonlar ortamdan çekilir
Yüzey eletrotlarında Cs miktarı
korunmalı
Ortamdaki elektronların iyon
akımına katkısını azatmak için dipol
manyetik alan kullanılır
H- İyon kaynakları Kullanan Laboratuvarlar
Moehs et all. IEEETransactions on plasma science, Vol. 33,No.6, 2005
DESY-HERA
JPARC
SNS/LBNL
ORNL-SNS
ECR H- İyon Kaynağı
ECR İyon Kaynağı
Kaynaklar




Ion sources, N. Angert, GSI, Darmstadt, Germany
Ion and Electron sources, C.E. Hill, CERN,
Geneva, Switzerland
Electron and Ion sources for particle accelerators,
R. Scrivens, CERN, Geneva, Switzerland
Moehs et all. , IEEETransactions on plasma
science, Vol. 33, No.6, 2005