title: Simulating space charge effects in the ILIAMS ion cooler
Creators: name: Baumgartner, Daniel Mario
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Isobaren, Kerne oder Moleküle mit identischer Nukleonenmasse, sind ein häufiges Problem in der Massenspektrometrie, da die typischerweise elektromagnetischen Massenselektoren sie nicht trennen können. Ion-Laser InterAction Mass Spectrometry (ILIAMS) ist ein neuartiger Ansatz zur Unterdrückung dieser Isobaren-Interferenz für hochempfindliche Accelerator Mass Spectrometry (AMS)-Messungen, der von der Isotopenphysik-Forschungsgruppe am Vienna Environemental Research Accelerator (VERA) entwickelt und erfolgreich eingesetzt wurde. Laserinduziertes Photodetachment kann Anionen neutralisieren und aus dem Ionenstrahl entfernen, wenn die Photonenenergie die Schwelle ihrer Elektronenablösungsenergie überschreitet. Auf diese Weise ermöglicht ILIAMS die Messung neuer Isotope und verbessert die Empfindlichkeit für andere. Für nahezu vollständige Unterdrückung muss die Wechselwirkungszeit zwischen Ionen und Laser im Millisekundenbereich liegen, was durch stufenweise elektrostatische Abbremsung und anschließende Injektion in eine gasgefüllte Radiofrequenz-Quadrupol-Kammer erreicht wird. Dort kühlen die Ionen auf eine Energie von nur wenigen eV ab und diffundieren vorwärts, wobei sie durch den Gradienten eines konstanten Leitpotentialsbeinflusst, und durch das RF-Wechselfeld radial begrenzt werden, um einen guten Überlap von Ionen- und Laserstrahl zu gewährleisten. Diese einzigartige Konfiguration lieferte hervorragende Ergebnisse, wies aber auch ein teilweise undurchsichtiges Verhalten auf, einschließlich einer starken Abhängigkeit der Ionenverweilzeit vom Strahlstrom. Es wurde vermutet, dass Raumladungseffekte einen großen Einlfuss haben, welche jedoch mit den verfügbaren Diagnoseinstrumenten nicht experimentell nachgewiesen werden konnten, so dass diese Arbeit erforderlich wurde. Die Ionenausbreitung durch das Puffergas wurde bereits zuvor simuliert [1], und das verwendete COMSOL®Multiphysics-Modell wurde erweitert, um Berechnungen der Raumladungseffekte zu ermöglichen. Simulationen in einem einfacheren, kleineren Modell zeigen den großen Einfluss der Raumladung in Radiofrequenz-Quadrupolen im Allgemeinen und eine Zunahme des durchschnittlichen radialen Achsenabstands, insbesondere in Kombination mit Puffergas. Es wird gezeigt, dass eine hypothetische Beschleunigungskraft in einem für die Coulomb-Wechselwirkung typischen Bereich in der Lage ist, für verkürzte Verweilzeiten zu sorgen. Eine iterative Methode zur Berechnung des Raumladungsfeldes bestätigte eine signifikante Zunahme der Raumladungsdichte für größere Strahlströme. Abschließend ermöglichte die volldynamische Simulation eines injizierten Ionenpulses bei verschiedenen Strömen wichtige Einblicke in die Entwicklung der Raumladungsfelder, das anfängliche Verhalten der Ionenausbreitung sowie die Auswirkungen einer Injektionsunterbrechung. Die Ionen sammeln sich rundum ihre mittleren Eindringtiefe und bauen ein starkes elektrisches Potenzial auf, welches die Ionen zum Ausgang hin beschleunigen kann, und zugleich auch als Barriere für Ionen niedrigerer Energie wirkt.
description: Isobars, nuclei or molecules of identical nucleon mass, are a common adversity in mass spectrometry because the typically electromagnetic mass selecting apparati cannot feasibly separate them. Ion-Laser InterAction Mass Spectrometry (ILIAMS) is a novel approach to suppressing this isobaric interference for high sensitivity Accelerator Mass Spectrometry (AMS) measurements, developed and successfully employed by the Isotope Physics research group at the Vienna Environemental Research Accelerator (VERA). Laser-induced photodetachment neutralizes anions if the photon energy surpasses the electron detachment energy threshold, removing them from the ion beam. ILIAMS thus uniquely enables the measurement of new isotopes and improves sensitivity for others. For near-total suppression, the ion-laser interaction time must be in the millisecond range, which is achieved through step-wise electrostatic deceleration followed by injection into a gas-filled Radio Frequency Quadrupole (RFQ) cavity. There, the ions cool down to only a few eV of energy and diffuse forwards, biased by the gradient of a constant guiding potential and radially confined by the alternating RF field to guarantee good ion-laser beam overlap. This unique configuration provided excellent results but also exhibited obscure behaviour, including a strong beam current dependence of ion residence time. A major impact of space charge effects was suspected, but impossible to experimentally detect with the diagnostic instruments available, thus necessitating this work. Ion propagation through the buffer gas has been simulated before [1], and the existing COMSOL®Multiphysics model, was extended to include the computation of space charge effects. Simulations in a simpler, smaller model show the large impact of space charge in RFQs in general, e.g. an increase in average radial distance from the axis, especially in combination with buffer gas. An arbitrary, accelerating force in a range typical for Coulomb interaction is shown to be able to cause shortened residence times. An iterative method of computing the space charge field confirmed a significant increase in space charge density for larger beam currents. Finally, the fully dynamic simulation of an injected ion pulse at different currents allowed important insights into the development of space charge fields and initial ion propagation, as well as the effects of injection cut-off. The ions accumulate at their mean deposition depth and build up a strong electric potential, which can accelerate ions towards the exit, while also acting as a barrier for lower-energy ions.