مدل سازی خنثی سازی پرتو با سلول تبادل شارژ

سلول های تبادل بار اغلب به عنوان راهی برای به دست آوردن پرتوهای خنثی شده از ذرات پر انرژی استفاده می شود. در این پست وبلاگ مدلی از سلول مبادله شارژ ساده را معرفی کرده و کارایی خنثی سازی آن را تحلیل می کنیم.

سلول تبادل شارژ چگونه کار می کند؟

پرتوهای ذرات خنثی با انرژی های مختلف عنصر مهمی در بسیاری از کاربردها از جمله پزشکی، طراحی ابزارهای علمی و پردازش مواد هستند. در تلاش برای شتاب دادن ذرات خنثی به سرعت های بسیار بالا، می توانیم توجه خود را به نقش سلول تبادل بار معطوف کنیم.

سلول تبادل بار به ناحیه ای از گاز با چگالی بالا گفته می شود که در مسیر پرتو یونی قرار می گیرد. در این ناحیه، یون های سریع پرتو می توانند با گاز زمینه تحت واکنش های تبادل بار قرار گیرند. این باعث خنثی شدن یون ها می شود که به نوبه خود یک پرتو ذرات خنثی به سمت انتهای سلول ایجاد می کند.

بیایید این فرآیند را بیشتر بشکنیم و با یک سلول تبادل شارژ پر از آرگون خنثی شروع کنیم. از آنجایی که پروتون ها از طریق این محیط شتاب می گیرند، می توانند الکترون ها را از اتم های آرگون در دسترس بگیرند. این ترکیب یک اتم هیدروژن خنثی تولید می کند که به سرعت از سلول خارج می شود و یک یون آرگون با حرکت آهسته تولید می کند. با این حال، احتمال گرفتن الکترون ها نسبتاً کم است. بنابراین، بسیاری از ذرات باردار همچنان می توانند در پرتو هنگام خروج از سلول باقی بمانند.

بنابراین چگونه از طریق این فرآیند به یک پرتو کاملاً خنثی دست یابیم؟ یک روش استفاده از یک جفت صفحه باردار برای منحرف کردن پروتون ها قبل از رسیدن پرتو به هدف است. با استفاده از شبیه سازی می توان نقش پیل گاز و صفحات باردار را در فرآیند خنثی سازی بررسی کرد.

فرآیند خنثی سازی سلول تبادل شارژ

مدل‌سازی واکنش‌های تبادل شارژ

مدل سلول تبادل شارژ برای انجام تجزیه و تحلیل فرآیند خنثی سازی پرتو استفاده می شود. این مدل به ماژول جریان مولکولی و مدول ردیابی ذرات نیاز دارد .

مدل Charge Exchange Cell دارای یک سلول گاز استوانه ای در یک سیستم خلاء است. گاز آرگون خنثی توسط یک حلقه سر دوش در مرکز سلول تامین می شود. سر دوش شامل میکروکانال هایی است که چگالی گاز خنثی سلول را کنترل می کند و ناحیه ای با فشار بالا در سیستم خلاء اصلی دستگاه ایجاد می کند. رابط جریان مولکولی آزاد برای محاسبه چگالی عدد و فشار گاز آرگون در سلول گاز استفاده می شود.

نمودار سطحی فشار درون سلول تبادل بار.

در این مثال، صفحات دارای بار الکتریکی به صورت دو بلوک نشان داده شده اند. صفحه بالایی دارای پتانسیل الکتریکی اعمال شده 200 ولت است، در حالی که صفحه پایینی زمین باقی می ماند. رابط Electrostatics برای محاسبه پتانسیل الکتریکی بین صفحات استفاده می شود که سپس می توان از آن برای انحراف یون ها استفاده کرد.

برای مدل‌سازی برخورد پرتو یونی ورودی با گاز خنثی، از رابط ردیابی ذرات شارژ شده استفاده می‌شود. این رابط شامل یک نیروی برخورد الاستیک است که چگالی گاز محاسبه شده توسط رابط جریان مولکولی آزاد را می گیرد و از آن برای تعیین فرکانس برخورد استفاده می کند.

کارایی خنثی سازی

شکل زیر مسیر حرکت ذرات را در حین حرکت در سلول تبادل بار نشان می دهد. خطوط خاکستری تیره مسیر حرکت یون ها را نشان می دهد که تعداد بار آنها 1 است. خطوط خاکستری روشن مسیر حرکت ذرات خنثی را نشان می دهد که دارای عدد بار 0 هستند.

مسیر ذرات در مدل این تصویر نشان می‌دهد که چگونه برخی از یون‌ها قبل از خروج از سلول، تحت واکنش‌های تبادل بار قرار می‌گیرند.

همچنین می توان تعداد کل ذراتی را که به یک مرز مشخص برخورد کرده اند ارزیابی کرد. با مقایسه تعداد ذرات وارد شده به صفحه زمین با تعداد کل ذرات موجود در مدل، می توان بازده خنثی سازی سلول گاز را تخمین زد. در این حالت راندمان خنثی سازی حدود 13.8 درصد تعیین می شود. توجه داشته باشید که این مقدار در مراحل مختلف مدل می تواند کمی متفاوت باشد زیرا واکنش های تبادل بار بین یون ها و خنثی ها به طور تصادفی رخ می دهد.

دانلود مدل

• مدل سلول تبادل شارژ