Elektron spektrometreleri için manyetik açı değiştirici (MAC) aygıtın simülasyonu, dizaynı ve yapımı
Design, simulation and construction of the magnetic angle changer (MAC) device for electron spectrometers
Yazar: HASAN CIRIK
Danışman: PROF. DR. MEVLÜT DOĞAN
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Elektron-atom çarpışması = Electron-atom collision ; Tesir kesiti = Cross section ; Yüklü parçacıklar = Charged particles

Özet:
Atomik çarpışma deneyleri, atomik ve moleküler sistemlerin yapısını incelemek, biyolojik öneme sahip moleküllerin yapılarını belirlemek ve teorik modellerin doğruluklarını sınamak için temel önem taşımaktadır. Bu deneylerin yapılabilmesi için tasarlanan elektron spektrometrelerinde analizörlerin açısal konumları elektron tabancası ve Faraday Elektron Toplayıcı (FET) yüzünden sınırlıdır. Bu yüzden deneylerde genellikle açısal limit 45°-135° ve 125°-185° arasındadır. Bu çalışmada, Manyetik Açı Değiştirici (MAC) aygıt ile üretilen düzgün bir manyetik alanla elektronların ölçülebilir açılara taşınması sağlanarak bu sorunun ortadan kaldırılması hedeflenmiştir.MAC aygıtının elektron optiksel özellikleri yüklü parçacık optiği simülasyon programı (CPO-3D) kullanılarak incelenmiş ve MAC aygıtı için mümkün olan en iyi geometri belirlenmiştir.Dipol ve oktopol şartların birlikte sağlandığı iki veya üç solenoidli akım sistemlerinin oluşturduğu manyetik alanın radyal uzaklığa göre değişimleri incelenerek, saptırılan demetin radyal bir doğrultuya en erken ulaşma mesafeleri hesaplanmıştır.MAC aygıtının saptırılan elektronlar üzerinde odaklama ve dağıtma etkisinin olduğu gözlenmiştir. MAC aygıtı tarafından saptırılan elektronların saptırma açıları hesaplanarak MAC aygıtının elektron yörüngelerinde ek açısal dağılımlara neden olduğu gösterilmiştir.Elektron yörüngeleri üzerindeki odaklama ve dağıtma etkilerini incelemek için solenoidlere uygulanan akım değerlerine karşılık gelen büyütme oranları (?) hesaplanmıştır. İdeal bir saptırma için gerekli olan ? parametresi, açısal çözünürlüğün iyileştirilmesi için mümkün olan en ideal MAC geometrisi ve solenoidlere uygulanacak en uygun akım çiftleri belirlenmiştir.İmalat aşamasında ortaya çıkabilecek olası problemleri önceden tespit edebilmek amacıyla SolidWorks ve AutoCAD programlarında aygıtın 3-D modelleri oluşturulmuştur. MAC aygıtını oluşturan parçalar, Afyon Kocatepe Üniversitesi Fizik Bölümünde bulunan Elektron Çarpışma Laboratuvarı'ndaki eCOL Malzeme İşleme Atölyesi'nde imal edilmiştir. Aygıt, montajı ve bakımı yapıldıktan sonra uygun deney şartları oluşturularak bir manyetometre cihazı ile test edilmiştir.MAC aygıtı spektrometre içerisinde sürekli çalışması gerekeceğinden aşırı ısınma ihtimaline karşı maksimum akım değerleri uygulanarak aygıtın çalışma performansı test edilmiştir. MAC aygıtı, test işlemleri tamamlandıktan sonra çarpışma deneylerinde kullanılmak üzere elektron çarpışma deney düzeneğine yerleştirilmiştir.MAC aygıtının saptırma açısını belirlemek ve çalışma performansını test etmek amacıyla helyum atomunun kendiliğinden iyonlaşma rezonans düzeyleri için tesir kesiti ölçümleri alınmıştır. MAC kapalıyken 30° de alınan ölçümler ile MAC açıkken 48° de alınan ölçümlerin birbirleriyle uyumlu olduğu gözlenmiştir. Bu sayede 135° nin üzerindeki büyük açılarda MAC aygıtı ile ölçümler alınabilmektedir.Anahtar Kelimeler: Elektron-atom çarpışmaları, elektron spektrometresi, tesir kesiti, yüklü parçacık optiği, manyetik açı değiştirici aygıt (MAC), CPO-3D yüklü parçacık optiği simülasyon programı

Abstract:
Atomic collision experiments are important to investigate the structure of atomic and molecular systems, which have biological importance, and to test the accuracy of theoretical models. Electron spectrometers that are designed to make these kinds of experiments have angular limitations caused by the electron gun and Faraday Cup (FC). So, in these experiments, the angular limit usually is between 45°-135° and 125°-185°. The aim of this work is to remove any angular limitation by moving electrons to measurable angles by generated uniform magnetic field using Magnetic Angle Changer (MAC).Electron optical properties of MAC device are investigated using charged particle optics simulation program (CPO-3D) and the optimum geometry is determined for a MAC device.By investigating magnetic fields generated by two or three solenoids systems that satisfy the dipole and octupole conditions as a function of radial distance, the positions that deflected beam has a radial direction are calculated.It is found that MAC device has a focusing and dispersing effect on deflected electrons. Calculating deflection angles of the deflected electrons by MAC it is shown that MAC device causes further angular dispersion in electron trajectories.To evaluate the focusing and dispersion effects on electron trajectories, magnification ratios (?) corresponding to the values of current that apply to solenoids are calculated. ? parameter for a ideal deflection is determined. To improve the angular resolution, the optimum MAC geometry and solenoids current pairs are determined.To anticipate the production problems that can occur during manufacturing process, 3D modeling of the device is carried out using SolidWorks and AutoCAD programs. The components of MAC device are produced in the eCOL Workshop in Physics Department at Afyon Kocatepe University. After mounting and maintenance of the MAC device are finished, it is tested using a magnetometer.Since the MAC device will work inside the spectrometer continuously and eventually overheating, the maximum current limit and its performance are tested. After these test measurements, the MAC device is installed in the electron collision experimental setup to use for collision experiments.Cross section measurements for the helium autoionization resonance states were carried out in order to determine the deflection angle of the MAC device and to test the working performance of the system. It was found that the measurements taken at 30° with the MAC-ON case was in good agreement with that of taken at 48° with the MAC-OFF case. So, it is possible to take some measurements above 135°.Key Words: Electron-atom collisions, electron spectrometer, cross section, charged particle optics, the magnetic angle changer device (MAC), CPO-3D charged particle optics simulation programs