Strumenti di diagnostica e selezione masse [3]

Gli strumenti di misura per caratterizzare il fascio sono principalmente tre:

 Coppa o pozzo di Faraday (“Faraday cup), che serve a rilevare la corrente di ioni e quindi l’intensità del fascio. Non è altro che una sorta di bicchierino in Rame che, collegata ad un circuito elettrico, è in grado di misurare la corrente che vi scorre quando viene colpita dal fascio di ioni.

Rilevatore del profilo (o profilatore) del raggio (“beam profiler”) che serve a rappresentare la forma del fascio. Questo oggetto è composto da un reticolo di fili di Rame che rilevano la corrente provocata dalle particelle cariche del fascio. In questo modo, conoscendo la posizione del filo su cui si effettua la misura, si conosce automaticamente la posizione della particella e quindi, attraverso il reticolo si riesce a ricostruire la forma della sezione del raggio ortogonale all’asse di avanzamento.

 Rilevatore di emittanza (“emittance meter”), come indica il nome serve a misurare l’emittanza del fascio. È simile al rilevatore di profilo del fascio, cioè una serie di fili di Rame, solo che in questo caso il reticolo orizzontale e quello verticale vengono inseriti in sequenza all’interno del raggio.

I sistemi descritti sono collocati in due stazioni di diagnostica, tranne il rilevatore di emittanza che è presente solamente alla fine della linea.

Con riferimento alla Figura 5.1, si può costruire uno schema della parte finale del sistema per la caratterizzazione delle sorgenti (Figura 5.10):

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Questa disposizione è dovuta alla presenza del filtro di Wien per la selezione delle masse (in realtà nel sistema reale il rilevatore di emittanza si trova subito dopo la seconda coppa di Faraday e profilatore di fascio): se usassi solo la prima stazione otterrei informazioni generali sul fascio che viene estratto dalla sorgente, ma non conoscerei da quali specie è composto; la seconda stazione invece consente di ottenere misure particolari su un elemento specifico, tuttavia l’effetto del campo magnetico fa sì che si perdano informazioni sulla totalità del fascio. Inoltre si usano delle slitte che migliorano la risoluzione del sistema di filtraggio delle masse, ma che assorbono gli ioni che ci impattano. Per questo, sfruttando le informazioni provenienti da due diverse stazioni di rilevamento si può caratterizzare il fascio in modo preciso.

Gli strumenti di misura descritti, da soli non sono sufficienti per le prove di efficienza, in quanto non siamo a conoscenza di quanti atomi di una determinata specie stiamo estraendo: non posso infatti confrontare la totalità della corrente del fascio con la quantità di atomi di gas immessi nella sorgente, poiché starei trascurando la presenza di contaminanti.

Per questo è stato aggiunto al sistema il filtro o spettrometro di massa (“Wien Filter”). Questo elemento è composto da un’armatura che ha il compito di generare un campo elettrico e da un elettromagnete formato da una serie di avvolgimenti che deve formare un campo magnetico.

Il principio di funzionamento consiste nel selezionare le particelle di massa diversa in base alla velocità. Il fascio di ioni che viene estratto è composto da particelle che hanno velocità con direzione rettilinea coincidente con l’asse della sorgente. La velocità e la massa sono legate dalla relazione seguente, che lega energia cinetica ed elettrica:

𝑞𝑉 = ¹

2𝑚𝑣2; ^(5.3)

dove q è la carica della particella espressa in coulomb. Si suppone che la sorgente ionizzi sempre particelle fino allo stato 1+, perciò si pone q = e = 1.602*10-19 C. V è la differenza di potenziale con cui lo ione viene accelerato, cioè nel nostro caso 25 kV; m è la massa dell’atomo o della molecola e v è la sua velocità, dati entrambi incogniti.

Quando la particella carica entra in un campo elettrico è soggetta ad una forza 𝐹⃗⃗⃗⃗ 𝐸 = q𝐸⃗ , dove 𝐸⃗ è il vettore campo il cui modulo è espresso in V/m. Anche per un campo magnetico vale una formulazione simile, tuttavia, stavolta la forza è espressa dalla formula di Lorentz, cioè 𝐹⃗⃗⃗⃗ 𝐵 = 𝑣 x 𝐵⃗ , dove 𝐵⃗ è il vettore campo magnetico.

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Figura 5.11: rappresentazione dei vettori delle forze elettrica, magnetica e della velocità della particella ionizzata nello spettrometro di massa [1].

Se si dispongono gli avvolgimenti e l’armatura in modo che il campo magnetico, il campo elettrico e la velocità risultino ortogonali fra di loro, come mostrato in Figura 5.11, si ottiene che le forze elettrica e magnetica hanno stessa direzione ma verso opposto, e la forza di Lorentz si può esprimere semplicemente come FB = vB. Si può quindi, annullando la somma vettoriale delle due forze, dire che:

𝑣 = ^𝐸

𝐵; ^(5.4)

ed è per questo motivo che lo spettrometro è considerato un filtro in velocità.

Gli ioni del fascio passano attraverso l’analizzatore, costituito da un tubo cilindrico disposto nell’elettromagnete. La sola forza magnetica agirebbe sullo ione deviandolo e costringendolo a percorrere una traiettoria circolare di raggio r, la forza centrifuga, che verrà eguagliata da quella centrifuga, è quindi uguale a:

𝐵_𝑞𝑣 = ^𝐵2𝑟2

𝑉 ; (5.5)

Considerando le relazioni esposte sopra, si capisce che se vale l’ipotesi che gli ioni abbiano tutti la stessa carica, e siano cioè tutti 1+, masse diverse corrispondono a velocità diverse. Quindi per differenziare i vari elementi che compongono il fascio basta variare il campo magnetico, agendo sulla corrente negli avvolgimenti, così da variare la forza di Lorentz e selezionando quindi di volta in volta masse diverse.

La presenza nello stesso fascio di ioni di particelle con massa simile fa sì che se le forze elettrica e magnetica non sono molto elevate la risoluzione dello spettrometro sarà modesta, al punto da non rendere distinguibili due specie diverse. Ciò è dovuto anche al fatto che come detto gli ioni scorrono in tubo aperto alle estremità, perciò anche se deviate leggermente alcune particelle potrebbero passare e andare ad essere rilevate dalla seconda stazione di diagnostica. Per evitare questo fenomeno si usano due slitte, che non sono altro che due saracinesche che possono essere chiuse a piacere. Facendo in modo che vi sia una luce molto sottile fra le due slitte, si potrà permettere il passaggio solo alle particelle che viaggiano in direzione rettilinea, fermando le altre. Perciò si è sicuri che

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impostando una certa corrente sugli avvolgimenti del filtro di Wien, la seconda stazione di diagnostica rileverà soltanto gli ioni con massa voluta.

Il sistema descritto permette dunque la stima dell’efficienza della sorgente FEBIAD attraverso la misura delle proprietà del fascio di ioni stabili.