Geometrik olarak soğutulmuş geri tepen iyon spektrometresi simülasyonu ve kurulumu

Abstract

ÖZETGEOMETRİK OLARAK SOĞUTULMUŞ GERİ TEPEN İYONSPEKTROMETRESİ SİMÜLASYONU VE KURULUMUAfyon Kocatepe ÜniversitesiFen Bilimleri EnstitüsüCOLTRIMS (Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy-Geri Tepen İyonMomentum Spektroskopisi); iyon, elektron ya da fotonun atom ya da moleküllerleetkileşmeleri sonucu iyonlaşma dinamiğini inceleyen bir tekniktir. COLTRIMS tekniğindeamaç, üç ya da daha fazla parçacık reaksiyonunu kinematik olarak tamamen açıklayacak birsistem sağlamaktır. Çarpışmalarda oluşan geri tepen hedef iyonun momentum vektörününyüksek çözünürlükle ölçümünde kullanılır. Çarpışmada oluşan parçacıkların momentumvektörlerinin belirlenmesi, iyon yük durumlarına bağlı olarak reaksiyonun çok katlılığı içintemel oluşturur. Momentum vektörü kullanılarak, reaksiyonda yer alan diğer yüklü parçacıkreaksiyonları yardımı ile istenilen reaksiyonun mekanizması belirlenebilir. COLTRIMStekniği, 4Ï elektron momentum analizörlerinin kullanılması ile saçılma deneyleri içinkinematik olarak tamamlanmış bir momentum düzeneği sağlar.COLTRIMS sistemi; süpersonik yayılma ile vakum içinde üretilen soğutulmuş gaz hedefinive iyon- elektron momentumunu inceleyen bir düzenekten oluşur. İyon ya da elektronlar,herhangi bir gaz hedefinden iyonlaşma radyasyonu ile üretilir. Atomik ya da moleküler birreaksiyondan elde edilen bütün yüklü parçacıklar, elektrik ve manyetik alan sayesindekonum hassas dedektörlere düşürülür. Parçacıkların uçuş sürelerinden ve dedektörüzerindeki konum etkilerinden üç boyutlu momentum vektörü elde edilebilir.Parçalanmadan önce süpersonik yayılma ile hedef atomların soğutulması, bir kaç atomikbirimlik momentum çözünürlüğü elde etmeyi sağlar.Bu çalışmada, COLTRIMS tekniği ve COLTRIMS deney düzeneğinin kurulumuanlatılmıştır. Bu bakımdan sistemin teknik tanımlaması: Vakum sistemi, dedektörler,konum spektrumları, dedektörlerde zamanlama ve spektrometre dizaynı incelenmiştir.COLTRIMS düzeneğinin teknik tanımı yanında temel olarak SIMION 7 programıkullanılarak spektrometre simülasyonları yapılmıştır. Spektrometre, düzeneğin en önemliparçalarından bir tanesidir ve elektron-iyonlarını konum duyarlı dedektörler üzerineyönlendirir. Bir spektrometrenin tipik olarak iki kısmı bulunur: etkileşim bölgesinden yüklüparçacıkları elektrik alan yardımı ile çekmeyi sağlayan çekim bölgesi ve serbestsürüklenme bölgesi. Bu iki bölge birbirinden ağlarla ayrılırlar. Simülasyon programlarıkullanılarak, çekim bölgesine ve hedefin ilk durum kinetik enerjisine bağlı olarakparçacıkların momentum dağılımları hesaplanabilir. Bu dağılım daha sonra veri analizindeiyon momentumunun yeniden incelenmesinde kullanılabilir.2007, 159 SayfaAnahtar Kelimeler: COLTRIMS, TOF spektrometresi, simülasyon, dedektör, vakum, jet,atomik çarpışmalar.

ABSTRACTDESIGNING AND SIMULATING COLTRIMS SPECTROMETERAfyon Kocatepe UniversityGraduate School of Natural and Applied SciencesCOLTRIMS (Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy), is a technique forinvestigating the dynamics of ionizing ion, electron or photon impact reactions with atomsor molecules. The goal of COLTRIMS is to provide a tool for kinematically completestudies of three - and more - particle collisions. It allows the high-resolution measurementof the previously undetectable small three-dimensional momentum vector of the recoilingtarget ion created in these collisions. Accurately identifying the momentum vector of theparticles creates the basis for determining the reaction?s multiplicity due to ion chargestates. Using the momentum vectors one can determine the dynamical mechanism of thereaction with the help of other charged particle collisions taking place in the reaction.Combined with novel 4Ï electron momentum analyzers, COLTRIMS is a momentummicroscope for kinematically complete scattering experiments.The COLTRIMS system consists of an internally and geometrically cold gas target,produced in vacuum with a supersonic expansion, and a part which resolves ion-electronmomentum. Ions and electrons are produced by ionizing radiation of any kind of gas target.All charged fragments from an atomic or molecular reaction are projected by a combinationof electric and magnetic fields onto position-sensitive detectors. From the measured time-of-flight of the particles and their position of impact on the detector, one can obtain theirthree-dimensional momentum vector. Cooling of the target atoms before the fragmentationby super sonic expansion allows a momentum resolution for the ion momenta of a fewatomic units.In this work, we studied the COLTRIMS technique and the setup of the COLTRIMSapparatus. In this framework, we worked on the technical description of the setup: vacuumchambers, detectors, spectra of positions, timing on the detectors and designing thespectrometer.Parallel to the technical description of the COLTRIMS setup it has been made somesimulations of the spectrometer using SIMION 7. The spectrometer is one of the mostimportant components of the experimental setup. Its purpose is to guide ions and electronsonto position sensitive detectors. It typically consists of two regions: the extraction regionwhere a homogeneous electric field is generated to extract the charged particles from theinteraction zone and a field-free drift region. Both are separated by meshes of variabletransmission. Using SIMION one can calculate the spread of transverse momentadepending on extraction field and initial kinetic energy of the target. This spread can laterbe used in the data analysis to reconstruct the ion momenta.2007, 159 PagesKeywords: COLTRIMS, TOF spectrometer, simulation, dedector, vacuum, jet, atomiccollisions.