4.1. Lưu ý chung
+ Nguồn tạo ion dương RF (cao tần), trong đó khí Heli được phun vào bình phóng điện thạch anh qua một van định lượng để duy trì áp suất cỡ 10-50 microns Torr (10-15x10-6 Torr). Một máy tạo dao động sẽ tạo ra trạng thái plasma ở trong bình cho khí Heli, được tăng cường bằng nam châm solenoid. Thế một chiều được áp dọc theo chiều của plasma có tác dụng tách các ion ra khỏi plasma và gia tốc để chúng đi qua ống Ta (Ta exit canal), sau đó đi vào buồng trao đổi điện tích.
+ Buồng trao đổi điện tích là thành phần chính thứ 2 của nguồn Alphatross.Ở đó các ion He+ được trung hòa bởi hơi Rb. Một vài nguyên tử He nhanh sẽ trải qua hai lần trao đổi điện tích rồi trở thành He- . Bởi vậy, trong Alphatross xuất hiện các phần tử Heo 100-200 pμA và He- 1-4 μA. Mấu chốt của để vận hành thành công bộ trao đổi điện tích nằm ở việc điều khiển nhiệt độ trong lò nung và trong buồng trao đổi. Lò nung Rb (oven) được nung nóng đến nhiệt độ 200-250 oC. Hơi Rb bay lên qua 1 ống thông khí vào trong buồng trao đổi điện tích, ngay lập tức ngưng tụ trên thành của buồng. Ở đây Rb duy trì ở trạng thái lỏng nên có thể chảy xuống theo trọng lực trở lại lò nung. Do đó Rb được vận chuyển tuần hoàn liên tục. Tuy nhiên, nếu thành của buồng đốt quá lạnh, Rb sẽ đóng băng (Rb có nhiệt độ đông đặc ở 38.9 oC) và cuối cùng dẫn đến không còn gì ở lò nung, trường hợp này bộ trao đổi điện tích sẽ ngừng hoạt động. Mặt khác, nhiệt độ lò nung cũng không được quá cao, vì điều này sẽ dẫn đến sự khuếch tán của Rb ra ngoài ở phần cuối của buồng trao đổi. Nhiệt độ hoạt động tốt của buồng trao đổi là ở 55 oC. Nhiệt độ buồng đốt được điều chỉnh bằng hệ thống khí làm lạnh và nhiệt độ của chất lỏng chảy qua. Sự điều chỉnh này được thực hiện bởi hệ thống làm lạnh NEC(2IA061160) và hệ thống làm lạnh ACF (2IA061110). Nếu nguồn không được trang bị các thành phần này bạn nên cẩn thận khi điều chỉnh bằng tay các thông số.
4.2. Hướng dẫn khởi động
Sau đây là hướng dẫn sử dụng cho việc tạo nguồn ion He- từ Alphatross. Việc tạo các họ ion khác về cơ bản là giống nhau, chỉ có một vài sự khác biệt nhỏ về các thông số vận hành sẽ được đề cập ở phần sau. Vì vậy có thể coi đây là hướng dẫn chung:
1) Bật hệ thống khí làm lạnh, chất lỏng làm lạnh và nguồn điện cấp cho nguồn. Trong các hệ thống được trang bị nguồn cấp điện của hệ làm lạnh ACF thì có thể được interlock (khóa bên trong) để cho chất lỏng chảy qua. Cũng như vậy thì hệ máy nén khí cũng được bật lên bằng nguồn cấp điện này.
2) Đợi trong 60 giây thời gian trễ để máy tạo dao động được bật lên. Sau 60s plasma có thể cháy(ignite) tự phát trong bình thạch anh. Nếu không cần phải "mồi" vào trong bình một ít khí thông qua van định lượng (Metering valve) để khởi động nó.
3) Từ từ mở van định lượng trong khi đó quan sát bình thạch anh. Khi áp suất tăng lên thì plasma bắt đầu cháy. Sau đó ta nhanh chóng làm giảm áp suất tới điểm làm việc bằng cách đóng van định lượng. Điểm làm việc có áp suất tối ưu phụ thuộc vào độ dẫn của hệ thống chân không cụ thể.
4) Bật nguồn cấp điện cho nam châm đến 3.5A. Cường độ chùm tia sẽ tỉ lệ thuận với cường độ dòng trong nam châm ( Tối đa ở 4 amps). Sau đó nguồn sẽ được khởi động, nam châm có thể điều chỉnh để thu được dòng lối ra mong muốn.
5) Quan sát plasma . Màu sắc của plasma nên là màu aqua green nếu là He plasma. Nếu xảy ra rò rỉ hoặc nguồn là mới thì sẽ có màu xanh blue. ???. Nguồn mới gần như cần đến 1-2 giờ để các khí đọng lại thoát ra hết trước khi quan sát được màu sắc tốt.
6) Tăng thế dò từ từ đến 6 kV. Trong nguồn mới nên để ý đến một vài sự không ổn định của dòng đầu dò (probe current). Điều này là bình thường. Trong trường hợp này, phải dừng lại ở 3kV và tăng thế từng 0.5 kV một sau mỗi khoảng thời gian là năm phút. Tiếp tục vận hành đến khi đầu dò ổn định và quan sát được màu plasma thích hợp trước khi tiến hành khởi động bộ trao đổi điện tích. Với đầu dò ở 6 kV và nam châm ở 3-4 A một sự phóng điện thích hợp sẽ tạo ra màu trắng ở phần trước của bình thạch anh và chuyển thành màu xanh sáng ở phần sau của bình thạch anh. Một màu hơi đỏ sáng lên trong bình thạch anh là bình thường. Dòng đầu dò bình thường ở 2.5 mA ±0.5 mA. ???
7) Bật nguồn điện của lò nung Rb bằng mọi cách để đến điểm làm việc (xem phần sau). Trong vòng một vài phút bạn nên quan sát điểm mà nhiệt độ lò nung bắt đầu tăng lên.
8) Đợi trong 10 phút. Ở bước này nhiệt độ lò nung sẽ đạt đến 150-200 oC. 9) Bật và điều chỉnh bias, các thấu kính... và bắt đầu hiệu chỉnh để đạt được He-. (Chú ý: Bật bias và(hoặc) thấu kính trước khi thời điểm này dường như dẫn đến kết quả là sự không ổn định của thấu kính).
10) Điều chỉnh van định lượng để tăng tối đa cường độ chùm tia ra khi lò nung đạt đến nhiệt độ làm việc (xem phần sau)
11) Điều chỉnh nam châm nguồn đến khi thu được mức cường độ chùm tia thích hợp. Cường độ chìm tia ở mức bình thường là từ 1-4 μA.
12) Sau khoảng 30 phút nên quan sát nhiệt độ của buồng để tiến tới điểm làm việc ở 55 oC. Nếu bạn không có hệ nén khí NEC bạn sẽ cần phải điều chỉnh khí đi qua để duy trì nhiệt độ này. Nhiệt độ của khí nén biến đổi từ nơi này đến nơi khác vì vậy một vài sự thử nghiệm và sự thăm dò lỗi là cần thiết cho lần đầu tiên để đạt đến tốc độ dòng chảy thích hợp. Bạn nên bắt đầu ở 40 SCFH. Khi buồng được làm nóng lên, ta tăng dòng để đạt được giá trị xung quanh 75 SCFH hoặc một giá trị nào khác. (Các giá trị này là nhiệt độ phòng.Bạn sẽ cần phải sửa lại các thông số tăng lên hay giảm đi phụ thuộc vào nhiệt độ của khí nén).
4.3. Hướng dẫn tắt
Việc thực hiện đúng quy trình tắt và khởi động là quan trọng như nhau (có khi quan trọng hơn. Vì vậy cần phải làm theo chỉ dẫn sau một cách chính xác. Điều quan trọng nhất là duy trì được plasma đến khi bộ trao đổi điện tích được làm lạnh để ngăn cản Rb đi vào bình phóng điện (discharge bottle). Nếu rút ngắn thời gian tắt plasma sẽ dẫn đến kéo dài thời gian của lần khởi động tiếp theo và làm cho nguồn plasma mất ổn định.
1) Tắt các thành phần điều chỉnh chùm tia (beamline components) như thấu kính, bộ chọn (selector)...
2) Tắt lò nung. Vẫn chạy plasma. Đợi từ 20-30 phút đến khi lò nung được làm nguội tới 50 độ C.
3) Giảm điện áp đầu dò (probe voltage) về 0. 4) Giảm dòng qua nam châm về 0
5) Đóng van định lượng. Điều này được thực hiện bằng cách vặn CW của nó 1 hoặc 2 vòng qua điểm vận hành. KHÔNG ĐƯỢC vặn đến khi nó dừng hẳn. Điều này sẽ dẫn đến cản trở việc đóng van.
6) Tắt nguồn ion
7) Tắt tất cả các bộ làm mát
Nếu nguồn Alphatross đang chạy mà xảy ra sự cố về nguồn điện, hãy tắt nguồn điện cấp cho lò nung và cố gắng khởi động lại plasma ngay khi nguồn điện cấp được phục hồi lại. Xác nhận lại sự ổn định của plasma có thể được duy trì trước khi tiến hành vận hành bộ trao đổi điện tích lần nữa. Nếu sự cố mất điện hay xảy ra ở khu đặt máy gia tốc, bạn cần phải cân nhắc đến việc cài đặt một ống dẫn khí nén mà sẽ thổi vào lò nung Rb và làm lạnh nhanh nhất có thể.
4.4. Cách điều chỉnh nguồn điện của lò nung Rb
Nhiệt độ của lò nung Rb và buồng trao đổi điện tích quyết định sự thành công của việc vận hành. Cần chú ý rằng không có không có một thiết lập nhất định cho nguồn điện cấp cho lò nung và nhiệt độ, bởi vì các thông số này còn phụ thuộc vào môi trường đặt nguồn ion và các trang bị liên quan. Các yếu tố trong lò nung luôn biến đổi. Nguồn điện biến đổi ở thế AC, tần số và vòng quay máy biến áp cách ly. Sự xắp xếp chính xác của các cặp nhiệt điện (TC) trong lò nung, vị trí của nó có liên quan đến bộ gia nhiệt (heater), độ dẫn nhiệt của chỗ tiếp xúc nhiệt, sự căn chỉnh (calibration) của TC, sự có mặt của RFI, và nhiệt độ phòng xung quanh tất cả đều có ảnh hưởng đến giá trị đọc được trên TC. Cặp nhiệt điện(TC) lò nung cho biết nhiệt độ tương quan trong lò và được sử dụng như một thiết bị để kiểm tra bất cứ thay đổi nào bất thường, mà ta sẽ có thể bị nhầm lẫn nếu chỉ xét đến nhiệt độ tuyệt đối và các thiết lập của lò nung.
Để tính toán nhiệt độ vận hành thích hợp cho nguồn, "hãy để chùm tia nói cho bạn biết", và từ đó, tiến hành từ bước cài đặt nguồn điện cấp cho lò nung chứ không phải TC. Bởi vì đầu tiên phải cho ra được một plasma tốt: Sáng mạnh, màu trong aqua, và nam châm có chỉ số 2-3mA @ 6kV với 4 amps. Bắt đầu với khoảng 60% năng lượng trong nguồn variac cấp cho lò nung. Khi tất cả đã ổn định, hãy ghi lại cường độ của chùm tia He-. Sau đó tăng thêm điện áp cấp cho lò nung, để nó có thể đạt tới sự cân bằng ở bước tiếp theo. Ta nên quan sát sự tăng cường độ chùm tia. Ở thời điểm nhất định bạn sẽ để ý thấy rằng cường độ chùm tia không còn tăng lên theo sự tăng của nguồn cấp. Bạn cũng nên chú ý quan sát nếu cường độ chùm tia không ổn định thì điều này cho thấy rằng nguồn cấp cho lò nung quá lớn. Điểm vận hành tốt nhất là điểm mà dòng ra là lớn nhất và ổn định nhất. điểm này thường vào khoảng 60 đến 75 % của năng lượng toàn phần cấp cho lò nung tùy thuộc vào đặc tính của bộ gia nhiệt (heater) và điện áp AC trong cầu điện thế cao (high voltage deck). Bộ gia nhiệt của NEC hiện tại có công suất 300 W, vì vậy điện áp làm việc của lò nung sẽ nhỏ hơn, trong hệ máy mới nhất với nguồn cấp điện DC cho lò nung đặt ở mức 70V.
4.5. Cách tạo nguồn Ion khác
Mặc dù nguồn Alphatross được thiết kế đầu tiên để tạo chùm tia He-
nhưng nó còn có khả năng tạo được nhiều nguồn ion âm khác. Trong một số trường hợp các ion có thể được tạo ra đơn giản bằng đưa loại khí thích hợp vào để tạo plasma, nhưng trong hầu hết các trường hợp người ta thấy rằng sử dụng hỗn hợp khí là tốt nhất. Điều này được thực hiện với một vài bình chứa khí với van định lượng tương ứng. Điều này cho phép người dùng có thể độc lập điều khiển định lượng của từng loại khí nạp vào tạo plasma để thu được chùm ion tối ưu ở lối ra.
Nếu chỉ có một van định lượng, ta vẫn có thể tạo ra các ion khác bằng cách trộn sắn các khí với tỉ lệ đúng vào trong một bình, tuy nhiên theo cách này thì rất hiếm khi đạt được chùm lối ra lớn nhất.
Tất cả các nguyên tố mà có thể tồn tại ở thể khí và có thể tạo thành ion âm ( cả nguyên tử và phân tử) đều có thể tạo ra ở Alphatross.
Thời gian sống của nguồn là hàm phụ thuộc lớn vào tốc độ phún xạ của ống lối ra (exit canal). Các ion nặng sẽ phún xạ qua ống canal nhanh hơn các
ion nhẹ ; Vì vậy thời gian sống khác nhau tỉ lệ nghịch với khối lượng của ion
Cũng như vậy, khả năng xảy ra các phản ứng hóa học giữa chất khí và Rb cần phải được xét đến. Ví dụ chẳng hạn, trong lần đầu tiên tiến hành tạo ra ion NH2-, người ta thấy rằng việc sử dụng khí amoniac đã xảy ra hiệu ứng không mong muốn với Rb.
4.5.1. Chùm tia H-, (D-)
Có thể tạo ra chùm tia H- (hoặc D-) đơn giản bằng cách cho một lượng khí H2(D2) nguyên chất nhất định vào trong bình thạch anh và vận hành với thế thăm dò cỡ 2-4 kV, tuy nhiên người ta thấy rằng cường độ chùm tia là không ổn định nếu sử dụng ống phun Ta (Ta canal). Trong trường hợp này người ta sử dụng ống phun nhôm và lớp cách ly(insulator) tương ứng sẽ làm việc tốt hơn. Để thu được chùm tia ổn định nếu sử dụng ống phun Ta cần có hỗn hợp khí với tỉ lệ 3% H2 đến 97% He.
Hiệu suất trao đổi điện tích của hidrogen lớn hơn ở heli và tốt nhất ở vùng năng lượng thấp,, vì vậy có thể thu được dòng H- 10 micro amperes hoặc nhiều hơn. Cần lưu ý khi đang chạy nguồn H- thì có 3 chùm ion khác nhau được sinh ra từ nguồn RF: H+, H2+ và H3+ ( Với tỉ lệ biến đổi phụ thuộc vào các điều kiện plasma, bề mặt các vật liệu). Khi chúng đi qua hơi Rb các ion phân tử sẽ được
phân chia ra với năng lượng bằng nhau trong số các nguyên tử. Vì vậy các ion
H- tạo thành từ các ion H3+ sẽ chỉ có năng lượng bằng 1/3 năng lượng đó ở dạng ion H+ và nếu tạo thành từ ion H2+ thì chỉ là 1/2. Điều này sẽ có ảnh hưởng lớn đến các thông số cài đặt quang học của ion và cài đặt về điện thế của các thấu kính.
4.5.2.Tạo đồng thời các chùm tia He- và H-
Nếu bạn cần chuyển đổi thường xuyên giữa chùm tia Heli và Hidro ( Ví dụ trường hợp bạn cần cả phân tích PIXE và RBS), hãy thử với hỗn hợp 1% H2
và 99% He. Từ hỗn hợp này sẽ có thể tạo ra 1 μA He- và một vài μA H-.
4.5.3. Chùm tia NH-
Nitơ-15 là một loại chùm tia rất đáng chú ý trong nhiều thí ngiệm. Tuy nhiên, Nitơ không có dạng ion âm. Phân tử NH2- (Hoặc NH-, NH3-) có thể được tạo thành bằng cách vận hành với tỉ lệ hỗn hợp plasma vào khoảng 0.5% N2 và 99.5% H2. Tỉ lệ này là tốt nhất để có thể điều chỉnh độc lập được cả 2 loại khí. Có thể thu được cường độ chùm tia vào khoảng 2-3 μA. Thế thăm dò nên để ở 3 kV.
4.5.4. Chùm tia O-
Oxy là một loại ion phổ biến, không khó để tạo ra nó. Có thể dễ dàng tạo ra 10 micro amps O- bằng cách đưa một lượng nhỏ O2 vào trong He plasma. Điện thế thăm dò nên để ở 3-4 kV.