RF 加速谐振腔(2):从静电场到RF场

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前一篇讲了带电粒子可以被电场推着跑。今天我们来说一下,用什么样的电场来加速。 最简单,有压差的电极板之间就会有电场,升高电极板之间的电压,电场也就随着增加。但同时也带来问题,电压不能一直提升,不能超过击穿电压。这就带来了问题,电场高到一定程度就不能再升了,从而就限制了加速的程度。 (源自网络) 1930年,第一个Crokcroft&Walton静电场加速器,实现了200kV加速,经过改良设计,1932年,提高到了800kV。同年代,人们设计了Van de Graaf静电场加速器:往球型电极不断运送电荷(防止尖端放电效应),可以使电压差高达7MV。 静电场加速器现在也有,例如法国Orsay的15MV加速器,慕尼黑的14MV加速器等。 其实,早再1928年,R.Wideröe就实验证明了用RF变化的场来加速粒子。使用25kV电压差,成功加速离子到50keV。 (源自网络) 原理其实很简单,就是根据要加速的粒子速度,来谐振腔的尺寸,以及RF的频率等。从而实现,粒子在变化的RF场加速。例如,粒子进入第一个腔,这时候电场方向分布是:第一个正向(同粒子飞行方向),第二个反向,第三个正向,以此类推。然后,当粒子飞过第一个要进入第二个的时候,RF电场这时候反向:第一个反向,第二个正向,第三个反向……这样的话,粒子就会被固定振幅的RF场加速。最终粒子会有很高的能量,而不用很高的电压差,从而解决了静电场加速器的问题。 需要的基础知识储备: 电磁波,谐振腔,

RF 加速谐振腔(1):加速带电粒子

RF 加速谐振腔(1):加速带电粒子

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RF加速谐振腔将分为10个部分来讲解。 首先来点基础粒子物理,还是那句老话:只有懂的基础的原理,才能更好的理解实际中的应用。下面先说说爱老爷子提出的吧,这公式应该不用解释了吧,这公式跟苹果砸牛同学一样人尽皆知了……那来看一下由这个公式引发的一系列的“惨案”。 就公式本身而言,m代表物体的质量,c代表光在真空中的传播速度,就是初中就学过的光速,是一个不变的常数。等号左边E表示能量。简单翻译过来只要物体有质量就是有能量的。 惨案的第一受害者就是前边的牛同学,因为牛同学认为,静止的物体是没有能量的。那我们根据这个公式计算出来电子的静止能量有511keV,质子有938.3MeV。小小的原子中蕴含着巨大的能量啊!!!这么多能量我们能不能利用一下呢? 从而引出了下个惨案,不能说直接由这个公式引起的,但也,在后来的应用分析中起到了关键的作用。就是原子弹的研制与应用,更确切的说,战争中原子弹引起了无数的惨案。 言归正传,下面我们来说一下怎么加速粒子? 我们都知道,物体只有给个外力,例如,我们使劲蹬自行车,才会前行,否则,自行车不会自己跑。那好,那么小的粒子怎么“推”它一下呢? 那就是用洛伦兹力! 把带电粒子放到电磁场中,电场里就会推着要加速的粒子往前跑了。 根据洛伦兹定律(这里就不多废话了),粒子受到的推力可以通过下面这个公式计算: 实际上,只有电场是推动粒子加速的幕后真凶(磁场对粒子的作用力始终垂直与粒子运动方向,所以对加速没效果)。自然而然的想到,电场的方向要跟运动方向平行,粒子才能受到最大的推力,比如 模式的电磁波,产生的电场同粒子运动方向相同。 下面来看个简单的例子: 把一个电子和一个质子分别受到相同的加速电压差下(10 MV),电子可以被加速到光速的99.88%,而质子只能被加速到光速的14.5%,请看下图,质量大的例子,拥有的静止能量更大,所以要改变其总能量就需要更高的能量,这点其实很容易理解,跟平时推越重的物体越难推动是相似的道理。所以,不同的带电粒子需要设计不同的加速器来实现加速。 (图片源自PPT J-L. Biarrotte, Ecole IN2P3 accélérateur, La Londe les Maures, Septembre 2009) 下一篇将会讲解一下现有加速器的种类。

那都不是事儿之——原子探针实验

那都不是事儿之——原子探针实验

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目前,原子探针都是由Ametek的子公司Cameca生产的,全球仅此一家。 最新一代原子探针 LEAP 5000 R/XR拥有电和激光两种模式,也就是说可以一台机器分析导体和非导体样品。有人会问,激光模式也可以分析导体样品啊,关于激光模式的问题,Dr. Lu 会在以后的文章中详细讨论。 首先说电模式下的原子探针实验,也就是LEAP R。 电模式可以用来分析导体样品或者高电导率的半导体材料(后一种材料工业中通常选激光模式)。 电模式原子探针实验的问题: 首先,质谱图分辨率不够好,换句话说,在分析样品元素成分时,会不准确,甚至产生错误成分分析结果。为了解决这个问题,LEAP 5000配备lereflectron来提高质谱分辨率。但是,因为reflectron的存在,使得实验分析时间加长,比未使用的原子探针分析时间长5倍左右。还有,最新测试表明,由于reflectron的存在,还会影响空间解析度,也就是分析出来的3D图像结果有偏差。如果,想要测量原子位置对于材料样品性能的分析,这点也是不容忽略的。 所以,在做实验时,首先要考虑的就是这个仪器的配置是否能出想要的分析结果。 电模式第二个问题,就是分析失败概率明显高与激光模式。因为,电模式是通过瞬间提高样品的电场来激发样品表面原子脱离样品,从而在时间上实现可控场蒸发。但是,如果样品硬度不够,或者很脆,有时就不仅仅是样品表面原子脱落,而是一大部分样品直接飞出,致使实验失败,就是常说的“针断了”,一般断裂过程,会产生电弧,也叫做“flash”。 想要提高实验成功率,可以选用低蒸发速率(evaporation rate),LEAP 中就是 at/s(多少个原子每秒),代价就是分析时间比较长。还有,可行的方法就是升高分析仓温度(base temperature),越低的温度,需要的电场能越大,所以也就越容易断。但提高温度,会对元素成分比造成影响,所以,首先要进行温度测试,选定哪个温度范围内引起的成分波动是可接受的。 因为半导体材料的迅猛发展及应用,激光模式的原子探针现在应用也越来越广。它克服了传统电模式只能分析导体的限制,而且,实验成功率也明显高与电模式的原子探针。 通常做激光模式原子探针,着重要注意的参数:分析舱温度,激光能量和波长(如果可变的话),通常选用UV。因为激光模式是通过提高样品局部温度来激发场蒸发,样品温度的变化,通常会带来许多意象不到的影响。 例如,原子的随机热运动加剧,致使重建的3D结果不准确。还有可能引起样品局部热扩散等效应。 分析舱温度,对于最后分析出来的成分比很重要,首先选用不同的温度来分析样品,根据真实样品成分比,来选定合适的分析温度。通常分析舱温度要低于80K。 激光能量是越低越好,可以降低样品温度的变化,从而降低温度对实验结果的影响。但是,激光能量小,需要的电场能量就会增加,也就提高了断针的可能性。而且,激光能与电场能的比值关系,还会对最终分析出来的元素成分比造成影响。所以,也要像温度一样,测试不同的激光能来进行测试,从而选定合适的能量来分析样品。 最后,如果激光波长可变,通常选用UV来分析样品。经实验表明,用UV光获得的质谱分辨率,明显好与IR等波长。 激光模式分析不能用于分析金属合金材料,因为,原子探针实验测量的成分比跟实际成分相差很大。通常,不能满足对样品成分量化的要求。 英文版APT guide将在下周发布。 图片源自:http://www.cameca.com/instruments-for-research/leap-hr.aspx  

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