title: Multiphysics simulation of negative ions in a gas filled RF-quadrupole
Creators: name: Gaggl, Philipp
Publisher: name: :none
Year: 2021

description: Beschleuniger Massenspektrometrie (AMS) ist eine extrem sensitive Methode zum Nachweis kleinster Mengen von Spurenisotopen bis hin zu Isotopenverhältnissen von 10-12 – 10-16. Die größte Herausforderung für AMS besteht in der effektiven Unterdrückung von unerwünschten Isobaren. Diese Isotope anderer Elemente, jedoch beinahe gleicher Masse, können mit konventionellen Masseseparatoren nicht abgetrennt werden und sind üblicherweise um mehrere Größenordnungen intensiver. Laser photo detachment von Anionen ist ein neuartiges Verfahren zur selektiven Neutralisierung und Unterdrückung von isobarem Hintergrund mittels Einsatz eines intensiven Lasers geeigneter Wellenlänge. Das Ionen Laser Interaktions Massenspektrometrie (ILIAMS) Projekt an der Universität Wien ist die erste Umsetzung dieses Ansatzes als Teil einer AMS-Anlage, in diesem Fall des Vienna Environmental Research Accelerator (VERA). Das Kernstück von ILIAMS ist ein Anionenkühler auf der Grundlage eines gasgefüllten Radiofrequenz Quadrupols (RFQ). Diese Masterarbeit beschreibt die Entwicklung eines Simulationsmodells zur präzisen Berechnung der Bahnen der Ionen, welche diesen RFQ Kühler durchqeren. Für diesen Zweck wurde die Multiphysik Simulationssoftware COMSOL benutzt. Das generierte Modell beinhaltet Resultate von Buffergas Verteilungen anhand der Theorie verdünnter Gasströmungen. Vormals unbestimmte Einflüsse der verwendeten Geometrien auf Druck und Dichte werden zusammen mit einer Validation anhand experimenteller Daten vorgestellt. Diese Ergebnisse werden mit FEM-Berechnungen statischer bzw. zeitabhängiger elektrischer Felder kombiniert. Weitere Simulationen von Ionenkollisionen mit dem Buffer Gas verwenden einen variable harte Sphären (VHS) Wirkungsquerschnitt. Das entwickelte Modell reproduziert experimentelle 63Cu- Aufenthaltszeiten von 8.2 ms bei niedrigen Ionen Stromstärken mit hoher Genauigkeit. Änderungen mit wechselndem Gasdruck stimmen gut mit experimentellen Daten überein. Ein zusätzlicher Modellierungsansatz zur Annäherung von auftretenden Raumladungseffekten liefert Einsicht in die mögliche Entstehung und Entwicklung solcher Ladungsverteilungen, welche die Aufenthaltszeiten stark beeinflussen. Das erstellte Modell erweitert die Möglichkeiten zur Anpassung und Verbesserung des RFQ Kühlers und sollte die permanente Forschung bei VERA und ILIAMS positiv beeinflussen.
description: Accelerator mass spectrometry (AMS) is an ultra sensitive technique for measuring smallest amounts of trace isotopes with isotopic ratios down to 10-12 - 10-16. The main challenge of AMS is the effective suppression of unwanted isobars. These isotopes of different elements with almost equal mass cannot be separated by conventional mass analyzers and are usually many orders of magnitude more intense. Laser photo detachment of anions is a novel technique for isobar suppression based on the selective neutralization of isobaric background by the means of a suitable intense laser. The Ion Laser Interaction Mass Spectrometry (ILIAMS) project at the University of Vienna is the first implementation of this approach as part of an AMS-facility, in this case the Vienna Environmental Research Accelerator (VERA). The key component of ILIAMS is a negative ion cooler based on a gas filled radio frequency quadrupole (RFQ). This master’s thesis describes the development of a simulation model capable of accurately computing trajectories of ions transiting the RFQ cooler using the multiphysics simulations software COMSOL. The generated model includes results of buffer gas distributions based on rarefied gas dynamics. Formerly unresolved geometric effects on pressure and density are presented along with experimental validation. Gathered information is combined with FEM-calculations of applied static and time dependent electric fields. Further simulations of ion-gas collisions apply an elastic scattering variable hard sphere (VHS) collisional cross section. The developed model reproduces experimental 63Cu- residence times of 8.2 ms at low beam currents with high accuracy. Furthermore, changes with varying buffer gas pressure are in good agreement with experimental data. An additional approach with the purpose of approximating occurring space charge effects gives insight into the possible formation process of such charge distributions, known to strongly affect ion residence times. The constructed model will extend the possibilities to perform modifications and optimizations on the RFQ cooler, improving the ongoing research on the ILIAMS setup at VERA.