لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*
فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحه: 39
بررسی ایجاد پرتوهای یونی سرد برای نانوتکنولوژی
عنصر اساسی در توانایی ما برای مشاهده، ساخت، و در بعضی موارد به‌کاراندازی دستگاههای بسیار کوچک فراهم بودن پرتوهای ذره‌ای بسیار متمرکز، مشخصا" از فوتون‌ها، الکترون‌ها و یون‌ها می‌باشد.
قانون عمومی حاکم بر اثر ذرات برخوردی، بیان می‌دارد که چنانچه تمایل به تمرکز یک پرتو از ذرات به یک نقطه با اندازه مشخص داشته باشیم، طول موج وابسته به ذرات برخوردی باید کوچک‌تر از اندازه قطر نقطه مورد نظر باشد. روابط حاکم بر انرژی و بالطبع طول موج این ذرات بیان کننده آن است که اتم‌ها و بالطبع یون‌ها مناسب ترین کاندیداها برای این آزمایشات میباشند (جدول 1)
با نگاهی به جدول 1 مشاهده می‌کنیم که فوتون‌های در ناحیه مریی (eV5/3 – 6/1) برای تمایز تا یک مایکرون و تشخیص اندازه‌های تا چند مایکرون مفید هستند. استفاده از فوتون‌های انرژی بالاتر یعنی در ناحیه UV تا محدود اشعه ایکس (eV1000 – 5) قدرت تمایز پذیری بیشتری را حاصل می‌نماید. اما با افزایش بیشتر انرژی (بزرگ‌تر از (eV) 1000) به علت افزایش اثر پخش شدگی (scattering) فوتون‌ها کاربرد خود را در محدوده طول موج‌های کوتاه به سرعت از دست می‌دهند.
در مورد الکترون‌ها که معمولا" در محدوده انرژی‌های (eV) 105 - 102 به کار می‌روند، محدودیت طول موج در اندازه‌های اتمی، که چند آنگستروم (m10-10) می‌باشد، وجود نداشته اما دوباره محدودیت ناشی اثر بخش شدگی ظاهر میگردد، که توجه به استفاده از الکترون‌ها را کاهش می‌دهد. در خصوص به کارگیری یون‌ها، با توجه به جدول 1 حتی یون‌های با انرژی خیلی کم طول موجی بسیار کوتاهی دارا میباشند، و به علت آنکه دارای اندازه‌ای قابل مقایسه با اندازه‌های آرایه‌های اتمی میباشند، حوزه عمل آنها بسیار محدود بوده و دارای پخش شدگی بسیار ناچیز میباشند.
به واسطه همین خصوصیات از یک طرف و امکان دست‌کاری (manipulation) آسان یون‌ها در میدآنهای الکتریکی و مغناطیسی، توجه به استفاده از یون‌ها در ساختارهای بسیار ریز در قرن جدید و آینده، که قرون ساختارهای بسیار ریز که اصطلاحا" فن‌آوری نانویی گفته می‌شود اهمیت می‌یابد. با توجه به خصوصیات این فن‌آوری، سیستم تحویل دهنده پرتو یونی باید یون‌هایی را آماده سازد که به صورت بسیار بالایی متمرکز شده، و دارای هم‌راستایی بسیار خوبی بوده و در نتیجه دارای پراکندگی بسیار کم و تابندگی بالا باشند.
فضای فاز
برطبق مکانیک آماری مشخصه اصلی حرکت هر توزیع یونی در فضای فاز (phase space) که فضای معرف حرکت یون‌ها می‌باشد، به وسیله مختصات اندازه حرکت (p) و جابه‌جایی (q) بیان میگردد. برای سیستم‌های با سه درجه آزادی (x,y,z) این فضا، فضایی 6 بعدی را با مختصات (px,p y,p z) p iو (q x,q y,q z) q i تشکیل می‌دهد.در نتیجه برای یک حجم جزیی در فضای فاز داریم؛
dV6 = dq x dq y dq z dp x dp y dp z
و برای تعداد ذرات در این فضا خواهیم داشت:
d6N = f6(q, p, t)dV6
که Vحجم کلی در این فضا و f دانسیته مکانی در فضای فاز (local phase space density)می‌باشد.
اصل کلی در مکانیک آماری که بیانگر روابط مابین این مختصات و حرکت یون‌ها می‌باشد به قضیه لیوویل مشهور می‌باشد(1). برطبق این قضیه دانسیته(f) فضای فاز (phase space density) در طول مسیر یون‌ها نسبت به زمان مقداری است ثابت و در نتیجه توسط شرایط اولیه توزیع یونی تعیین میگردد.
از طرفی بر طبق مکانیک آماری هر توزیع یونی را که در تعادل ترمودینامیکی قرار دارد می‌توان توسط مفهوم اساسی دما مشخص نمود (1). در این صورت نتیجه کلی قضیه لیوویل و مفهوم دما، ارتباط دانسیته توزیع یون‌ها در فضای فاز و دمای توزیع یونی می‌باشد.
phase space density = Constant *exp(E/kT)
به طور خلاصه می‌توان بیان داشت که هر چه دمای مجموعه‌ای از یون‌ها پایین تر باشد دانسیته توزیع یونی در فضای فاز بیشتر میگردد (شکل 1).
در شرایط اولیه (b) توزیع یونی پس از سرد شدن
با توجه به ارتباط مابین دانسیته توزیع یونی و پراکندگی و تابندگی و قطر توزیع می‌توان اصل ارتباط این مفاهیم را با مفهوم دما به صورت ذیل بیان نمود,
با کاهش دمای توزیع یونی، دانسیته
توزیع در فضای فاز افزایش یافته و در نتیجه این امر باعث کاهش پراکندگی (emittance) و افزایش تابندگی (brightness) و کاهش قطر توزیع(distribution diameter) یونی میگردد (نمودار 1).
نمودار 1. بیان کننده جهت افزایش و کاهش پارامترهای مختلف.
حد نهایی این کاهش دما و در نتیجه کاهش پراکندگی و قطر توزیع و افزایش تابندگی را می‌توان میعان بوز - انیشتین(2(دانست.
برای ایجاد توزیع یون‌ها در دماهای پایین، ابتدا باید یون‌ها در محیطی که اصطلاحا" به آن تله (trap) می‌گویند، به دام انداخت. تله‌های مغناطیسی که به تله‌های پنینگ مشهورند (3)، تله‌های رادیوفرکانسی (RFQ)، که تله‌های پایولی (Paul trap) نیز نامیده می‌شوند (4)، محیط‌های به دام انداختن یون‌ها را فراهم می‌سازند. جزییات نحوه عملکرد این تله‌ها را می‌توان در مراجع اشاره شده جستجو نمود، اما به دلیل اهمیت و کاربرد آینده در تهیه پرتوهای نوری مورد استفاده در فن‌آوری نانویی توجه خاص به تله‌های رادیوفرکانسی و هدایت کننده‌های یونی رادیو فرکانسی (RFQ ion guide) (چهارقطبی رادیوفرکانسی) که نحوه عملکرد متشابهی با تله‌های رادیوفرکانسی دارند می‌نماییم.
اساسا" تله‌های یونی و هدایت کننده‌های چهارقطبی، محیط‌های ایده آل برای مشاهده و دست‌کاری (manipulation) یون‌ها را فراهم می‌سازند. یک تله یونی دارای ساختاری متشکل از سه الکترود، (الکترود حلقه و دو الکترود انتهایی) به شکل هذلولی دوار می‌باشد که با به‌کارگیری پتانسیل‌های متغیر(AC) و ثابت (DC) یک میدان چهارقطبی را ایجاد می‌نماید که قادر است حرکات ذرات باردار در سه بعد محصور نماید (شکل 2).
شکل2. مشخصات الکترودهای یک تله یونی رادیوفرکانسی
هدایت کننده چهار قطبی، از چهار میله موازی بهره می‌جوید که با اعمال ترکیبی از پتانسیل‌های متغیر (AC) و ثابت (DC) یک میدان چهار قطبی ایجاد و قادر خواهد بود حرکات ذرات باردار را در دو بعد محصور و در بعد سوم باعث انتقال ذرات باردار گردد (شکل 3).
شکل 3. مشخصات الکترودهای یک هدایت کننده چهار قطبی
معادلات حاکم بر حرکات ذرات در چهارقطبی‌ها از نوع فرم عمومی معادلات مشهور به ماتیو(Mathieu equation) (1) بوده که دارای راه حل‌های استاندارد میباشند.
در این معادله U جایگزین مختصات z و یا r شده، و au و qu پارامترهای پایداری حرکت نامیده می‌شوند، و دارای مقادیر که در آنها، w تابع فرکانس RF، U مقدار پتانسیل ثابت (DC) و V دامنه پتانسیل متغیر (AC) می‌باشد.
آنالیز ریاضی معادلات ماتیو (Mathieu)، نواحی از پایداری حرکت یون‌ها را در میدآنهای چهارقطبی مشخص می‌نماید، که به دیاگرام پایداری موسوم می‌باشد (شکل 4). با قراردادن یون‌ها در نواحی پایدار می‌توان آنها را در تله‌ها و هدایت کننده‌های چهارقطبی به ترتیب در سه و دو بعد محصور نمود.
شکل 4. دیاگرام پایداری
سرد کردن یون‌ها در میدآنهای چهارقطبی
عامل اصلی در پایداری حرکت یون‌ها در میدآنهای چهارقطبی وجود RF می‌باشد. هرچند که وجود RF در این میدآنها خود عاملی است جهت افزایش دمای پرتوهای یونی و در نتیجه جلوگیری از ابقای طولانی این پرتوها(5). در حقیقت هر چه دما پرتوها در این میدآنها کاهش یابد پایداری حرکت یون‌ها از یک طرف در این چهار قطبی‌ها افزایش یافته و از طرف دیگر با کاهش دما، دانسیته فضای فاز افزایش یافته و پرتوهایی با پراکندگی کمتر و تابندگی بیشتر حاصل میگردد. روش‌های مختلفی برای کاهش دما پرتوهای یونی به‌کار می‌رود که مهم‌ترین آنها عبارتند از:
1- سرد کردن به روش تبخیری،
2- سرد کردن به وسیله برخورد با مولکول‌های خنثی یا سرد کردن بافری،
3- سرد کردن با لیزر،
1- در روش تبخیری، یون‌های با انرژی بالا به وسیله برخورد با الکترودهای چهارقطبی از بین رفته و در نتیجه متوسط انرژی یون‌ها در پرتو کاهش یافته نهایتا" باعث سرد شدن تدریجی پرتو میگردد.
2- در روش برخورد با مولکول‌های خنثی (برخورد یون - ذره خنثی)، متوسط انرژی پرتو و در نتیجه دمای پرتو بوسیله برخورد با مولکول‌هایی که جرم آنها به مراتب کوچک‌تر از جرم پرتوهای یونی است در پروسه‌ای که اصطلاحا" کشش جذبی (Viscous Drag) گفته می‌شود، کاهش می‌یابد. در عمل وجود rf به همراه این برخوردها باعث می‌شود دمای تعادل نهایی حاصل از عمل سرد شدن کمی بالاتر از دمای گاز بافری باشد. نهایتا" در این روش با کاهش دمای گاز بافری تا دمای نیتروژن مایع و یا حتی هلیوم مایع می‌توان پرتوهای یونی بسیار متمرکز با پراکندگی بسیار کم و تابندگی بالا ایجاد نمود که کاربردهای آینده این فن‌آوری را در نانوتکنولوژی فراهم می‌سازد.
منابع و مراجع:
- Goldstein, “Classical Machanics”, Addison-Wesley, Reading (1980).
- Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle, Carl E. Wiemen, “Bose-Einstein Condensation in dilute gases of Alkali atoms”, The 2001 Nobel Prize in Physics.
- R.E. March and J.F.J. Todd, “Modern Mass Spectrometry-Practical Aspects of Ion Trap Mass Spectrometry, CRC Press series (1995).
- A.M. Ghalambor Dezfuli, “Injection, Cooling and Extraction of Ions from a Very Large Paul Trap”, Ph.D. Thesis, McGill University (1996)
- A.M. Ghalambor Dezfuli, “Ion Trap Nanotechnology?” Physical society, Physics Department McGill University, Montreal Quebec Canada (2001)
- T. Kim. “Buffer gas cooling of ions in a radio frequency Quadrupole ion guide”. Ph.D. Thesis, McGill University Montreal (Quebec), August (1997).
این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
دانلود تحقیق کامل درمورد بررسی ایجاد پرتوهای یونی سرد برای نانوتکنولوژی
