یکی از مهم ترین قسمت های یک چشمه یونی سیستم استخراج یون می باشد که به شدت بر خواص باریکه استخراجی اثر می گذارد. این قسمت از یک چشمه یونی معمولا با اتکا به شبیه سازی و سعی و خطای تجربی بهینه می شود. در حال حاضر یک چشمه یونی کاتد سرد از نوع پنینگ در دانشکده فیزیک دانشگاه ساخته شده و به بهره برداری رسیده است. سیستم استخراج این چشمه با سعی و خطای تجربی ساخته شده است. پژوهش انجام شده در این پایان نامه دو هدف عمده را تعقیب می کند الف) مطالعه دینامیک باریکه خروجی از چشمه یونی ساخته شده در دانشکده فیزیک دانشگاه تهران، ب) طراحی سیستم استخراج جدید جهت بهبود کیفیت باریکه خروجی. در واقع این مطالعه با استفاده از شبیه ساز سیمیون و بدون در نظر گرفتن دینامیک غلاف پلاسما انجام شد. در دو فصل اول به کار با نرم افزار سیمیون و آشنایی با روشهای محاسباتی بکار رفته در آن می پردازیم. در ادامه و در فصل سوم اطلاعاتی در مورد اپتیک باریکه های یونی و لنزهای الکترواستاتیک ارائه می کنیم. در انتهای مباحث نظری در دو بخش اول فصل چهار به بررسی سیستمهای استخراج و عوامل موثر در کیفیت باریکه می پردازیم. با استفاده از مقدمات نظری مطرح شده در فصول قبل، در بخش سوم فصل چهارم به طراحی سیستم استخراج چشمه یونی موجود در دانشکده فیزیک می پردازیم. ابتدا لازم است برای بدست آوردن حداکثر دقت در نتایج شبیه سازی، خطای نرم افزار در محاسبه ولتاژ و مسیر حرکت یونها، تخمین زده شود و پارامترهای شبیه سازی به گونه ای انتخاب شوند که بالاترین دقت را همراه با سرعت مناسب در عمل ریفاین و شبیه سازی داشته باشیم. در مرحله بعد به بررسی تغییر خواص باریکه با تغییر شکل و اندازه الکترودهای سیستم استخراج می پردازیم و در نهایت سیستم استخراج جدید را طراحی کرده و با اعمال تغییرات در انرژی اولیه ذرات خواص باریکه را بررسی می کنیم.

در این پایان نامه شبیه ساز geant4 راه اندازی می شود و پس از الحاق نرم افزار root به این شبیه ساز، با استفاده از این نرم افزار از شبیه ساز geant4 داده گیری می شود. با بکارگیری مفهوم آشکارساز نقطه ای مجازی سعی شده است که حتی الامکان آشکارسازهایی شبیه سازی شوند که مشابه آشکارسازهای واقعی رفتار کنند. ابتدا برای آشکارسازهای واقعی در انرژی های مختلف، به طور تجربی مکان آشکارساز نقطه ای مجازی اندازه گیری شد. پس از شبیه سازی آشکارسازها با تغییر برخی از پارامترها در آشکارسازهای شبیه سازی شده، در هر حالت برای انرژی های مختلف مکان آشکارساز نقطه ای مجازی محاسبه شد و با مقایسه مقادیر مکان آشکارساز نقطه ای مجازی شبیه سازی شده با اندازه گیری شده برای هر آشکارساز، آشکارساز هایی شبیه سازی شدند که پاسخی مشابه آشکارسازهای واقعی داشته باشند. پس از شبیه سازی آشکارسازهای بهینه، از آن ها در شبیه سازی سیستم هم زمانی آشکارسازی گاماهای نابودی پوزیترون در ماده استفاده شد و در نهایت با اجرای برنامه شبیه سازی شده این سیستم برای هندسه های مختلف، بهترین پیکربندی برای سیستم هم زمانی آشکارسازی گاماهای نابودی پوزیترون در ماده پیشنهاد گردید.

روش طیف سنجی نابودی پوزیترون در دو دهه ی اخیر گسترش فراوانی یافته است و به درک بیشتر ساختار و خواص مواد مختلف از جمله رسانا ها و نیمه رسانا ها کمک شایانی نموده است. دقت و حساسیت بالا و همچنین غیر مخرب بودن از مهمترین مزیت های این روش است، به همین دلیل می توان از آن در بررسی ساختار لایه های نازک و نمونه های بسیار کوچک مواد استفاده کرد. در این رساله، پروفایل نفوذ پوزیترون های کم انرژی در مواد مختلف با استفاده از کتابخانه های اندرکنش های کم انرژی الکترومغناطیسی کد شبیه سازی geant4، شبیه سازی شده است. پروفایل های به دست آمده از شبیه سازی به معادلاتی که برای توضیح پروفایل نفوذ پوزیترون در مواد وجود دارد، برازش داده شده است و مقدار دقیق پارامتر های موجود در آن معادلات، برای مواد مختلف محاسبه شده است. بستگی پروفایل ها و پارامترهای مختلف نسبت به تغییر انرژی پوزیترون ها در مواد مختلف بررسی شده است. همچنین بهترین محدوده ی کاربرد و اشکالات موجود در geant4 در این زمینه، بیان شده است.

پوزیترون‏های کند شده اهمیت زیادی در علوم مختلف از جمله بسیاری از شاخه‏های فیزیک، مواد، پزشکی، شیمی و غیره دارند. دستیابی به این گونه پوزیترون‏ها نیازمند به کندکننده‏ای است که پوزیترون‏های پر سرعت در آن انرژی خود را کم نموده و قبل از نابودی بتوانند از سطح آن گذار نمایند. کندکننده تنگستن به علت کاربرد آسان، بازدهی قابل قبول، تابع کار پوزیترونی منفی و پایداری خاصیت کندکنندگی‏اش در شرایط خلا و همچنین مقرون به صرفه بودن نسبت به سایر کندکننده‏ها، در حال حاضر در تمام دنیا بسیار پرکاربرد می‏باشد. در این تحقیق تلاش شده است با استفاده از روش‏های مختلفی از جمله نازک نمودن ورقه‏های تنگستن به روش خوردگی شیمیایی و تابکاری ورقه‏ها در دماهای بالا به کمک جریان الکتریکی، کیفیت این کندکننده‏ها بهبود یابد. نتایج تجربی و داده‏های تحقیق با طراحی و راه‏اندازی چیدمان اندازه‏گیری جدیدی که کم‏هزینه‏تر از سیستم‏های پیشنهاد شده در مقالات می‏باشد، به دست آمده است. نتایج تجربی حاصل شده برای تمام کندکننده‏ها قبل و بعد از تغییرات، رسم و با یکدیگر مقایسه شده است. در ابتدای آزمایش با ایجاد خلا به میزان mbar2-10 4/3 به افزایش 562 نابودی همزمانی در داخل هدف منجر شد که حکایت از افزایش برد همین تعداد پوزیترون در خلا بود. در مراحل بعدی با کم نمودن ضخامت ورقه کندکننده به میزان 10 و تغییر در طراحی چشمه، تعداد نابودی‏های همزمانی مقدار140عدد افزایش داشت که می‏توان این امر را ناشی از انجام خوردگی‏شیمیایی روی ورقه‏ها و همچنین مفید بودن تغییر در چشمه مورد نظر دانست. همچنین پس از قرار دادن کندکننده 17 تابکاری شده، بر خلاف افزایش در ضخامت نسبت به کندکننده 15، مقدار نابودی همزمانی باز هم افزایش و در مقایسه با حالت قبلی 77 عدد نابودی بیشتر را نشان داد که حکایت از تاثیر خوب تابکاری بر کندکننده دارد.

دشارژ در میدان یکنواخت دو الکترود موازی و دشارژ پنینگ دو موضوع مطالعه ی حاضر می باشند. در قسمت اول، روشی تئوری برای تعیین تغییرات ضریب گسیل ثانویه موثر، ، به صورت تابعی از پارامترهندسی d/r ( نسبت فاصله بین الکترودهای موازی به شعاع شان) پیشنهاد شد. دو ضریب gi و gp که به ترتیب وابستگی جملات القای یونی و فوتونی به این پارامتر را شرح می دهند، به صورت نظری محاسبه شدند. سپس با استفاده از داده های تجربی برای 16/0 d/r=، ضریب گامای موثر و منحنی های پاشن برای گاز آرگون و برای مقادیر d/r 32/0، 63/0، 27/1 و 90/1 به دست آمدند که نتایج آن در توافق قابل قبولی با داده های تجربی می باشند. در قسمت دوم، یک چشمه یونی پنینگ جهت مطالعه روی این نوع دشارژ توسعه داده شد که نتایج آن عبارتند از: 1- یافتن بهترین طول آند جهت داشتن جریان دشارژ زیاد و پایدار، جریان دشارژ برای شش آند با طول هایی بین 14 تا mm 24 اندازه گیری شد که در نهایت آندی با طول mm 20 انتخاب گردید. 2- تأثیر میدان مغناطیسی در محدوده ی g 600-440 بر ولتاژ شکست در آندهای 14، 20 و mm 24 بررسی شد و مدل ریاضی برای توضیح نتایج آن بنا گردید. 3- با استفاده از نتایج اندازه گیری های ولتاژ شکست و بهره گرفتن از شبیه سازی عددی ضریب گامای موثر در چشمه پنینگ محاسبه گردید و با داده های تجربی مقایسه گردید. از این مقایسه آشکار شد که برای آند mm 24 با خطای4 درصد برابر با بوده و در نتیجه از این آند می توان برای اندازه گیری جمله القای یونی گامای موثر استفاده کرد.

طیف سنجی نابودی پوزیترون یکی از ابزار تحقیقاتی شناخته شده برای مطالعه عیوب موجود در مواد است. در این روش، از باریکه های پوزیترون تک انرژی به جای چشمه های پوزیترون، استفاده می شود. در این پژوهش، ما یک دستگاه انتقال پوزیترون کند را شبیه سازی و طراحی کردیم. پس از بررسی مزایا و معایب روش های مختلف انتقال پوزیترون کند و امکانات موجود، سیستم انتقال مغناطیسی از نوع خمیده را برای این منظور انتخاب کردیم. این دستگاه شامل چشمه پوزیترون (_^22)na با شدت 2 میلی کوری، عدسی های الکتریکی متمرکز کننده و پیچه های حامل جریان برای هدایت باریکه در مسیر مناسب است. جزئیات فنی لنزهای الکتریکی و پیچه های مغناطیسی به کار رفته با استفاده از از نرم افزار cst particle studio شبیه سازی شده است. محفظه های خلا و لوله ی انتقال باریکه با نرم افزار solidworks 2011 طراحی شده است. اتاقک های خلأ به گونه ای طراحی شدند که در ابتدا تمامی شرایط لازم برای انجام آزمایش پهن شدگی دوپلری را دارا باشند و با اعمال تغییراتی امکان آزمایش طیف سنجی طول عمر پوزیترون را در آینده فراهم کند. برای تولید خلأ mbar ?10?^(-6) از یک پمپ روتاری و توربو استفاده کردیم که به صورت هماهنگ با یکدیگر کار می کنند.

چکیده ندارد.