עבודת גמר בפיזיקה

1

עבודת גמר בפיזיקה בנושא: אופטימיזציה של קרן יונים

שם התלמיד: שחף ויינזון

ת.ז:

טלפון בבית:

תיכון שש שנתי "אלדד". - שם ביה"ס

441097 סמל ביה"ס:

09-8356560-טלפון ביה"ס

יזיקהדוקטורנט בפ שם המנחה: עופר אביב,

במכון וייצמן למדע, רחובות. תהעבודה בוצעה במעבדת הפיזיקה המולקולארי

יצמן למדעימכון ו

2

תודות

הכתיבה והביצוע של העבודה לא היו משימות קלות, אך הן התאפשרו הודות לאנשים והגופים הללו:

הם. תודה על הכול.המשפחה שלי, שתמכה בי בשלבי העבודה השונים, ורק אני והם יודעים כמה סבלנות נדרשה מ

מכון וייצמן, שאפשר לי לבצע את עבודת הגמר.

ראש המחלקה לפיזיקה של חלקיקים, פרופסור דניאל זייפמן, שאפשר לי לבצע את המדידות והניסויים השונים שמתוארים בעבודה.

עבודה, עזר להכיר את המנחה שלי, עופר אביב, שהדריך אותי וסיפק לי ייעוץ בנושאים שהתבררו כבעיתיים במהלך ה

Labview ו- Matlab ולהשתמש בהן, הסביר את אופן הפעולה של התוכנות שמשתמשים בהן במעבדה, ואת אופן הפעולה של רוב הרכיבים במערכת.

כן, -. כמואופקיהמסיט הו אנכיהסיט המ ,Einzelעדשת ], 3.1ראה מייקל רפפורט על השרטוטים של עדשת הקוודרופול [

גבי אופן הפעולה של עדשת הקוודרופול.על ההסבר ל

.הציג בפני את האופציה לבצע עבודת גמרלתיכון "אלדד" בנתניה ש

3

וכן ענייניםת 6-4 : מבוא1פרק

5-4 הקדמה 1.1 6-5הידע התיאורטי שעליו מסתמכת העבודה 1.2

6-5קה עובדות מתורת האלקטרוסטאטיקה והאלקטרודינאמי .א 6עובדות מתורת האופטיקה .ב 6עובדות מתורת המכאניקה .ג

6 ומילות המפתח שהשתמשתי בהם במהלך העבודה המושגים 1.3

7 : סקר ספרות2פרק

25-8 מערך המחקר: 3פרק

12-8מערכת הניסוי 3.1 14-12 מציאת תנאי העבודה האופטימאליים 3.2

13מציאת טמפרטורה אופטימאלית 3.2.1 14-13מציאת מתח האצה אופטימאלי 3.2.2 14 מציאת זרם אופטימאלי על המיינן 3.2.3

15-14אלגוריתם למציאת מקסימום של סדרת נתונים 3.3 15אלגוריתם בסיסי למציאת מתח אופטימאלי 3.4 17-16 כיול המתחים על הרכיבים 3.5 18 מציאת תחום המתחים האופטימאליים של כל אחד מהרכיבים 3.6 20-19 תוכנות אופטימיזציה לרכיב מסוים 3.7

19תוכנת אופטימיזציה ראשונה 3.7.1 20 תוכנת אופטימיזציה שנייה 3.7.2 FC 2 21תוכנת האופטימיזציה על 3.8 FC 4 23-22תוכנת האופטימיזציה על 3.9

25-24 פית התוכנה הסו 3.10

34-26 : ייעול תוכנות האופטימיזציה4פרק

Focus FC 2 28-26ייעול 4.1 Focus FC 4 34-28ייעול 4.2

35 דיון בתוצאות האופטימיזציה והמסקנות הנובעות מהן : 5פרק

36 : המלצות לנושאי חקר נוספים בעקבות בעבודה6פרק

37 ומסקנות : סיכום7פרק

38 ביבליוגרפיה

נספחים:

47-39 שעבדתי איתן Labview- של התוכנות ב Block Diagrams -1נספח

4

: מבוא1רק פ :לעבודה הקדמה 1.1

צר יונים מסוגים שונים וללכוד אותם במלכודות יונים. במלכודת מעבדות מחקר בפיזיקה משתמשות במקור יונים בכדי ליי אפשר לבצע עליהם ניסויים ומדידות, כמו למידה על יציבות היונים בעזרת לייזר.

בכדי ליצור קרן יונים רציפה. את קרן היונים שיוצאת Sputter Sourceבמעבדה שבה עבדתי משתמשים במקור יונים מסוג ).Electrostatic Ion Beam Trapודת יונים אלקטרוסטאטית (מהמקור לוכדים במלכ

מטרים, ולאורכו פזורים גלאים שמודדים את עוצמת הקרן. גלאים 8-אורך מסלול הקרן, ממקור היונים ועד למלכודת, הוא כשב שמקבלת ). עוצמת הקרן כפי שהיא נקלטת בגלאי עוברת עיבוד בתוכנת מחFaraday Cupsאלו נקראים "כוסות פרדיי" (

את קריאת הזרם מהגלאים ומציגה את עוצמת הקרן כפונקציה של הזמן.עוצמת הקרן, כיוונה וצורתה תלויים במידה רבה בתנאים השוררים במקור היונים, כמו הלחץ שבתוך המערכת או סוג

קים שבאוויר ועוצמת הקרן תרד היונים, וכאשר קרן היונים נעה בתווך גזי, למשל אוויר, היונים שבתוכה יתנגשו עם החלקי

, שבו כמות החלקיקים זניחה.−Torr710במידה ניכרת. לכן מסלול הקרן עובר בתווך בלחץ נמוך,קרן היונים מתבדרת, כלומר לאחר מרחק מסוים היא מאבדת מעוצמתה, בדומה לקרן אור, ובכדי למזער את התבדרותה הוכנסו

אלקטרוסטאטיים שונים שדומים בדרך הפעולה שלהם לרכיבים אופטיים, למשל עדשות. בעזרת לתוך מסלול הקרן רכיביםשינוי המתחים על כל אחד מהרכיבים הללו, ניתן להקטין במידה ניכרת את התבדרות הקרן ולקבל כמות יונים גדולה. תהליך

.אופטימיזציה של קרן היוניםזה נקרא כלומר, מציאת מקסימום מקומי של עוצמת הקרן ע"י -וצע ידנית, דרך ניסוי וטעייהעד היום, תהליך האופטימיזציה ב

מערכת הניסוי]. -3.1שימוש ברכיב מסוים, ואח"כ שימוש ברכיב אחר [למידע מפורט על רכיבי המערכת, ראה השימוש שנעשה השפעתו של כל רכיב בנפרד על הקרן ידועה, אולם לא ניתן לדעת מהי השפעת כל הרכיבים ביחד. סדר

באלמנטים השונים הוא אקראי, ולרוב נדרש זמן רב מדי לבצע אופטימיזציה לקרן היונים. .Labviewבכדי להתגבר על הקושי הזה, כתבתי עם המנחה תוכנה שתבצע בצורה אוטומאטית את האופטימיזציה, בשפת

Labview ]1,2[ יים במעבדה, כמו מודדי לחץ או ספקי מתח, היא שפת תכנות שבעזרתה ניתן לשלוט על רכיבים חשמלשנים. היא מאפשרת גמישות ונוחיות רבה לחוקרים בכך שבמקום לכתוב את 20ונמצאת בשימוש של מהנדסים ומדענים כבר

מערכת הניסוי בקוד מילולי, ניתן לכתוב אותה בצורה וויזואלית, כך שכל רכיב מיוצג בעזרת תמונה.או Cלתוכנה ידידותית למשתמש, מכיוון שגם אם אין לו ידע נרחב בשפות תכנות כמו Labviewהעובדה הנ"ל הופכת את

FORTRAN הוא יכול ליצור תוכנות שמסוגלות לנתח ולעבד אותות מניסוי בזמן אמת, רק מתוך היכרות עם הצלמיות , ותפקודן בתוכנה שהוא כותב.

יכולה לבצע Labviewזמון שניתן לשינוי ע"י המשתמש, ובזכותו עובר בת Labview- המידע שנשלח לתוכנה או תת תוכנה בשלטה על ספקי המתח של הרכיבים וקיבלה את הקריאה Labviewזמנית. במעבדה שעבדתי בה, -מספר רב של משימות בו

.השל הגלאים, ודרכה יכולתי לבצע את תהליך האופטימיזצי ם בעבודה בעזרת שתי תוכנות:ניתחתי את המידע שנאסף בניסויים ובמדידות שמתוארי

, שהיא שפת תכנות ותוכנה לניתוח נומרי (מספרי) של נתונים.]Matlab]3,4התוכנה הראשונה היא -

, והיא מאפשרת מניפולציות ושינויים של מטריצות, שרטוט גרפים בזמן אמת של MATHWORKSהיא נוצרה ע"י חברת וד במקביל עם תוכנות אחרות. היא נמצאת בשימוש של יותר ממיליון איש ניסויים או פונקציות והיא מסוגלת לתקשר ולעב

באקדמיה ובתעשייה, וכיום היא נמצאת בשימוש נרחב בלימודי אלגברה ליניארית ואנליזה נומרית באוניברסיטאות.של פונקציות , שמיועדת לניתוח נתונים ולשרטוט גרפים Graphהתוכנה השנייה שבה השתמשתי לניתוח הנתונים נקראת -

, והיא מיועדת לתלמידי חטיבת ביניים ותיכון.Matlabומקומות גיאומטריים. רמת הדיוק שלה פחותה מזו של .Ivan Johansenזו תוכנה חינמית, שנוצרה בידי

ויות עשרה דרגות חופש שחלקן תל-ביצוע אופטימיזציה לקרן היונים היא עבודה מסובכת במיוחד כיוון שיש להתחשב באחת

האחת בשנייה ושולטות על כיוון ועוצמת הקרן. שבעת דרגות החופש הראשונות הן האלמנטים האופטיים במערכת, כן, סדר השימוש באלמנטים, הקובע את מהירות ההגעה לעוצמת הקרן -ידי המתחים שמסופקים אליהם. כמו-שמאופיינים על

לחץ, טמפרטורה, ומתח האצה. -ונות הן התנאים במקור היוניםהאופטימאלית, הוא דרגת חופש נוספת. דרגות החופש האחרכדי לפשט את הסיבוך הזה יש לנקוט גישה של פתרון הדרגתי: כתבתי עם המנחה תת תוכנית שמבצעת אופטימיזציה לדרגת

FCעל ולאחר מכן FC 2חופש אחת בכל פעם ולאחר מכן, ניצור ממנה תוכנה, שתמצא את נקודת העבודה הטובה ביותר על בזמן הקצר ביותר האפשרי. לתוכנות הללו צריך להגדיר טווח מתחים שבו המשתמש יכול לעבוד, מאחר ומתחים גדולים 4

מדי יזיקו לרכיבים.

5

מקור היונים

Extractor

Einzelעדשת

מסיטי קרן

FC 2

מגנט

קוודרופול עדשת

FC 4

מסיטי קרן

מלכודת יונים

להלן תרשים של מסלול קרן היונים:

. האות 0-ל 10מוציא אות בטווח שבין המתחים על האלמנטים האופטיים הם בין עשרות לעשרות אלפי וולטים, כאשר המחשב ששולטת על Labview-ידי ספק המתח שלו. ישנה תוכנית ב-הזה מתורגם למתח שנמצא בתחום האופייני לכל אלמנט על

המתחים של הרכיבים ומקבלת את קריאות ספקי המתח, כך שניתן לקבל ממנה משוב על המתח שהספק מוציא.

מטרות המחקר ור היונים, בהם לקרן ישנה עוצמה מקסימאלית (ללא הרכיבים האופטיים).מציאת התנאים על מק .1בצורה אוטומאטית (ללא מגע יד אדם), שתמצא את התנאים FC 4כתיבת תוכנה שתבצע אופטימיזציה על .2

האופטימאליים לעוצמה המקסימאלית של הקרן. יצירת ממשק נוח וידידותי למשתמש עבור תוכנת האופטימיזציה. .3

לקחתי חלק בכתיבת התוכנה הנ"ל, ייעלתי אותה ומצאתי את תנאי העבודה, שבהם לקרן ישנה עוצמה מקסימאלית. בעבודתי

הידע התיאורטי שעליו מתבססת העבודה 1.2

עובדות מתורת האלקטרוסטאטיקה והאלקטרודינאמיקה: .א מושכים אחד את השני. סימן שונידוחים אחד את השני, ושמטענים סימן שמטענים זהי חת התופעות הבסיסיות בחשמל היאא

בעקבות הניסוי הוא אוגוסטין דה קולון.- התופעה הזו קיבלה חיזוק בעקבות ניסוי מפורסם שביצע מדען צרפתי בשם שארל ביסס את חוק קולון, שמתאר את גודלו של הכוח שפועל בין שני מטענים שנמצאים בריק במרחק מסוים אחד מהשני.

כי גודל הכוח ,]5[יתוחו חורגים מתחום העבודה, אך אציין שלאחר ניסויים רבים, קולון הגיע למסקנהאופן ביצוע הניסוי ונ

)1אחד מהשני הוא ( dשנמצאים במרחק 2q-ו 1qשפועל בין שני מטענים 2

21

04

1

d

qqFE

⋅⋅=

πε

rEF, כאשר

rהוא

כאשר המטענים זהי סימן (לדוגמה, שני פרוטונים), זהו -גודל הכוח שפועל בין שני המטענים. כיוון הכוח תלוי בסימן המטעניםכוח דחייה וסימנו חיובי. כאשר המטענים שוני סימן (כמו פרוטון ואלקטרון), זהו כוח משיכה שסימנו שלילי. גודלו של קבוע

,קולון בריק04

1

πεהוא SI, ביחידות

2

29109

C

mN ⋅. ערכו של הקבוע משנה לפי סוג התווך שבו הוא נמדד, וערכו באוויר ⋅

שווה בקירוב לערכו בריק.), תקף אך ורק כאשר המטענים נייחים. כאשר המטענים נעים או מאיצים, הנוסחה המובאת מעלה 1החוק, כמובא בנוסחה (

שית לא מדויקת בגלל שדות מגנטיים שהמטענים יוצרים מסביב לעצמם. התיקון לנוסחה נעשה במסגרת תורת היחסות של נע אינשטיין, אך הוא לא רלוונטי לעבודה.

.Einzelעדשת היישום של חוק קולון בעבודתי הוא בהסטת הקרן ע"י המסיטים האופטיים ובעקרון המרכוז של

מסלול קרן היונים במערכת -1.1.1איור

6

BvqF -, שלפיו]6[ורנץכן, השתמשתי בחוק ל-כמוrrr

על המגנט], כאשר 1, סעיף 3[על השימוש בנוסחה זו, ראה פרק =⋅×

F ,הוא הכוח שפועל על החלקיקq ,הוא מטען החלקיקv היא מהירות החלקיק ו-B .היא עוצמת השדה המגנטי 1.2.1ורצורת המסלול של חלקיקים שמוסטים בשדה מגנטי היא קשת מעגל, כמודגם באי

, m, שדרוש להסטת קרן יונים שמסתם Bבשביל למצוא את עוצמת השדה המגנטי, , איעזר r, למסלול מעגלי שרדיוסו vומהירותם הממוצעת היא qמטענם

)) 2( -במספר נוסחאות. לפי חוק לורנץ )BvEqFrrrr

. במגנט =⋅+×

E=0 - מתקייםr

vB-, וrr

) 3הכוח הצנטריפוגלי הוא ( .⊥r

vmF

2

חוק . מהשוואת=⋅

) 4( -לורנץ והכוח הצנטריפוגלי נקבלqr

mvB

⋅2) 5. לפי הנוסחה לאנרגיה קינטית, (=

2v

mEK , ובעזרת שינוי נושא =⋅

-נוסחה נקבל שm

Ev K2K) 6( -) ונקבל4ה (. נציב בנוסח=

K

Eqr

m

qr

m

Em

B 2

2

⋅⋅

=⋅

⋅

, כלומר קיים יחס ישר =

בין השדה המגנטי לשורש המסה ולשורש האנרגיה הקינטית של הקרן.

עובדות מתורת האופטיקה: .ב

אופן הפעולה של עדשות מרכזות הוא כזה, שקרן אור העוברת דרכה תתמקד בנקודה מסוימת.שכזו, היא מתרכזת בנקודה מסוימת. מרחק זה נקרא רוחק המוקד והוא משתנה אם קרן אור מקבילה עוברת דרך עדשה

.f-מעדשה לעדשה. סימונו המדעי הוא בככל שהעצם קרוב יותר למוקד העדשה, כך -הדמות שנוצרת בעדשה מרכזת תלויה מאוד במרחק העצם מהעדשה ובגודלו

דמותו גדולה יותר ונוצרת במרחק רב יותר מהעדשה. ישנה המחשה של מרכוז קרן אור מקבילה על ידי עדשה מרכזת: 1.1.2באיור

עובדות מהמכאניקה: .ג

amF-הכוח שפועל על גוף בתנועתו הוא מכפלה של מסתו בתאוצתו, או בנוסחה ,החוק השני של ניוטוןלפי rr, כאשר =⋅

Fr

a-היא מסת הגוף ו mהוא גודל הכוח השקול שפועל על הגוף, r

היא תאוצת הגוף. לכן, כאשר גוף נע בהשפעת כוח קבוע, .בתאוצההוא נע

בשדות מגנטיים וחשמליים פועלים על היונים כוחות מגנטיים וחשמליים בהתאמה, לכן היונים נעים בתאוצה שתלויה במסתם ועוצמת השדות המדוברים.

המושגים ומילות המפתח שהשתמשתי בהם בעבודה 1.3

פונקצית הגאוסיאן היא פונקציה שיש לה שימושים רבים, ביניהם לניתוח נתונים או להצגת - ]7[גאוסיאן .1התפלגות של תכונה מסוימת באוכלוסיה. לרוב קוראים לגאוסיאן "פעמון גאוס", זאת בגלל צורתו הדומה

נקודת קיצון אחת, נקודת המקסימום המוחלט שלו. משוואת הגאוסיאן היא לפעמון. לפונקצית הגאוסיאן יש

)6( -מהצורה2

2

2

)(

2

1σ

µ

πσ

−−

⋅⋅

=

x

eyכאשר ,σ מייצגת את סטיית התקן ו -µ מייצג את מיקום

המקסימום של הגאוסיאן.יקה העוסק במציאת המקסימום ו/או המינימום המוחלט של אופטימיזציה היא ענף במתמט - ]8[אופטימיזציה .2

-כן, אופטימיזציה היא גם ענף במדעי המחשב, העוסק בייעול תוכנות- פונקציה תחת אילוצים מסוימים. כמו קיצור זמן פעולתם תוך שמירה על דיוק מסוים באלגוריתם.

3. FC - FC הוא קיצור שלFaraday Cup מערכת הניסוי. - 3.1. למידע על אופן פעולתו, ראה

המחשה של -1.1.2איור מרכוז קרן אור מקבילה

עדשה מרכזתבעזרת

המחשה של הסחת קרן -1.2.1איור יונים באזור שבו נמצא שדה מגנטי.

7

: סקר ספרות2פרק

בספרות , והיא מוזכרתשכל מעבדה הכוללת מאיץ חלקיקים מבצעת בעצמה אופטימיזציה לקרן יונים היא תהליך

את לא ניתן ליישם לכן. בציוד שונהכיוון שבכל מאיץ משתמשים מ אזכורים הללוב לא יכולתי להיעזרהמדעית.

הללו במהלך כתיבת העבודה.ם אזכורילא נעזרתי בו ,מאיצים אחריםעל האופטימיזציה שביצעתי בעבודה

8

: מערך המחקר3פרק מערכת הניסוי 3.1

להלן פירוט על הרכיבים שבמערכת, ועקרונות הפעולה שלהם. צר יונים בעזרת צזיום (ראה הסבר בהמשך)., שמייSputter source: במעבדה ישנו מקור יונים מסוג ]9[מקור היונים

הצזיום. כוסיתיתן לראות את נ 3.1.1בתמונה

דחוס , ליצור יונים נמצא החומר שממנו רוצים ). באחד מקצותיה3.1.2ראה תמונה ישנה קתודה מנחושת ( בתוך המקור

, שמסתו]10[לומיניוםאהשכיח ביותר בשימוש הוא החומר ה.בצורת חרוט בחלק שניתן להוריד אותו בהברג

, מאחר והוא זמין יותר משאר החומרים שעובדים איתם במעבדה.Amu27היא

בתוך מקור חיל לנוע בצינורית, למיינן שבנוימתו מתאדה והצזיום - )3.1.1צזיום (ראה תמונה כוסית ה מחממים את

וכשאדי הצזיום ,מסדר גודל של מאות מעלות, נשמר בטמפרטורה גבוהה יחסית )3.1.3המיינן (ראה תמונה היונים.

מתנגשים בו, חלקם מאבדים אלקטרון והופכים ליונים חיוביים.

ויוצרים קודחים חור בתוך החומר יוניםאת היונים. ה אליה יץמא בין המיינן לקתודה V4200של הפרש פוטנציאלים

−יונים שליליים במטענים שונים ובמסות שונות, כמו

2Al 2−או3Al.

במערכת, כמו החומר בחרוט, מתחממים ועלולים להינתך. מכיוון שהמקור עובד במתחים גבוהים מאוד, רכיבים מסוימים

שמקררים את הרכיב. C°14בכדי להימנע מכך, מובנות ברכיב צינוריות קטנות שבהן זורמים מים בטמפרטורה של

צזיום ה ועל כמות הלשלוט על הטמפרטורה ששוררת בתוכ לכוסית הצזיום יש מערכת קירור אוויר, שבעזרתה ניתן

מציאת תנאי העבודה האופטימאליים]. -3.2שתצא ממנה [באותו נושא, ראה

כוסית הצזיום -1.13.תמונה הקתודה -13..2תמונה

רכיבי מקור היונים: -3.1.3תמונה הקתודה, המיינן וכוסית הצזיום

הצזיום כוסית

מיינן

קתודה

9

שמאיץ ,עשרות אלפי וולטים מסדר גודל של הוא רכיב שבו נמצא הפרש פוטנציאלים )3.1.4(ראה תמונה Extractor-ה

KVVהוא Extractor-וממרכז את קרן היונים. תחום המתחים שבו עובדים על ה 300 ≤≤

שלושה גלילים, כאשר הגליל המרכזי טעון לפוטנציאל מסוים שמורכבת מהעדשה הזו היא עדשה מרכזת, :Einzelעדשת

מוארקים. -והשניים האחרים

, משם ה, הגליל הראשון מקטין את עובייה, בגלל הדחייה החשמלית בינו לקרן.שליליים עוברת דרכ יוניםשל כאשר קרן

מופיעה 3.1.1באיור מספר .ית עבה יותר. הגליל האחרון דוחה את הקרן וממרכז אותההקרן נמשכת לגליל המרכזי ונהי

תחום המתחים שבו עובדים עם ניתן לראות שרטוט של העדשה. 3.1.6בתמונה ו המחשה של התהליך הנ"ל בחתך רוחב,

KVVהוא Einzelעדשת 30 ≤≤

חנו צריכים לשנות את כיוון תנועת הקרן, בשביל שתגיע למלכודת או לאלמנט אופטי אנבמהלך ניסוי, -מסיטי הקרן

לוחות מתכת שביניהן -קרן שפועלים על עקרון זהה לקבל לוחות במערכת. זאת ניתן להשיג ע"י שימוש במסיטימסוים שורר שדה חשמלי.

י שינוי עוצמת השדה ששורר בין הלוחות אפשר יד-ועל סחת לכיוון הלוח החיובי,נכנסת למסיט, היא מו קרן היוניםכאשר ימאלית.קרן עם עוצמה מקס תתקבללכוון את מסלול הקרן כך ש

)7( -, ששורר בין לוחות קבל הואEעוצמת השדה החשמלי, d

vE לוחות הוא הפרש הפוטנציאלים בין v, כאשר =

VVVהוא המרחק ביניהם. תחום המתחים בו עובדים עם המסיטים הוא d-הקבל ו 250250 ≤≤−

אפקט המרכוז -3.1.1איור . Einzelעדשת של

שרטוט של המסיטים. - 3.1.8תמונה , ומשמאל נמצא מימין נמצא המסיט האופקי

אנכי.המסיט ה

ומקור היונים Extractor – 13..4מונה ת

Extractor


-ספק המתח של ה-3.1.5תמונה Extractor מתוצרת חברת ,

Glassman High Voltages

עדשת ספק המתח של -3.1.7תמונה Einzel מתוצרת חברת ,Glassman

High Voltages

המחשה של הסטת הקרן בקבל. - 3.1.2איור מסלול תנועת הקרן הוא חלק מעקום פרבולי.

. Einzelעדשת – 3.1.6תמונה

אחד מספקי המתח של - 3.1.9תמונה Kikusuiהמסיטים, מתוצרת חברת

10

המגנט משמש כבורר מסות במערכת, ובעזרתו ניתן לקבוע את מסת היון שייכנס למלכודת. זהו אלקטרומגנט, - המגנט יתן לשנות את השדה המגנטי שלו.ולכן בעזרת שינוי המתח עליו נ

ן מטענים שונים תכונה נוספת של המגנט שעושה אותו שימושי מאוד במערכת הניסוי היא שבעזרתו ניתן להפריד ביניתן לחשב את עוצמת השדה המגנטי, בה קרן המכילה יונים 1.2) שפותחה בסעיף א.5נוסחה ( ומסות שונות, ובעזרת

−מסוימים (כמו יוני

2lAניתן לראות את ספק המתח של המגנט. תחום הערכים 3.1.13. בתמונה ) יוסטו לתוך המערכת

. שמתקבלות ת השדה המגנטיולעוצמ יםפרופורציוני הערכים, כאשר 1,000,000-ל 0בו עובדים עם המגנט הוא בין

- Quadrupleורכב מארבעה חתיכות של גלילי מתכת (ומכאן השם הרכיב הזה מ- )Quadruple( קוודרופולעדשת

להמחשה: 3.1.1.14-ו 3.1.13, 3.1.12 ארבעה קטבים), שמסודרים בשלושה סטים. ראה תמונות

yיובי של ציר (כיוונו הח yzמישור על כאשר קרן היונים נכנסת לעדשת הקוודרופול, בסט הראשון היא עוברת מרכוז

:3.1.3יוצא מהדף), כמתואר באיור

כזו ניתן לבצע ניסויים קרןעל ולכן צורתה משתנה למישור. הקרן נדחית מהאלקטרודות השליליות, כי מטענה שלילי,

חקירת האינטראקציה שלה עם קרן אלקטרונים. שונים, כגון

שלב א' במרכוז - 3.1.3איור הקרן. צורת הקרן משתנה למישור,

המיוצג בשרטוט בקו עבה.

+

- -

+

המגנט - 10.13.תמונה

קרן יונים מהמקור

אל מלכודת היונים

שרטוט של -3.1.12נה תמו עדשת הקוודרופול במערכת

הסט של -3.1.13תמונה עדשת הקוודרופול

סכמה של עדשת -3.1.14תמונה הקוודרופול בתוך המערכת

ספק המתח של המגנט, -3.1.11תמונה .Dan Physicמתוצרת חברת

11

:4.3.1כמתואר באיור x- סט שממרכז אותה על ציר הבשלב השני, הקרן נכנסת ל

, היא כמעט ולא מתבדרת בציר זה כאשר היא y-מכיוון שהקרן מפוקסת על ציר ה -בשלב זה, צורת הקרן משתנה לישר

נכנסת לסט השני של הקוודרופול.

ובו ניתן להטות את מסלול הקרן, המרכוז על שני הסטים, הקרן ממשיכה לקוודרופול האחרון, שמתפקד כמסיט קרן אחרי

:3.1.5, כמתואר באיור החשמלייםמסיטים בדומה ל

שלילי, נמשכת האפקט המתואר באיור הנ"ל קורה כאשר המוטות הנגדיים טעונים במטענים הפוכים. הקרן, שמטענה מסיטלמוטות הטעונים במטען חיובי. צורת מסלול הקרן וזווית ההסטה תלויים במידה רבה בפוטנציאלים של המוטות ב

בין האלקטרודות.שובמיקום הקרן במרחב את ספק המתח של עדשת הקוודרופול.ניתן לראות 3.1.15בתמונה

כוסית , שבנויים בצורה של"Faraday Cupsן בעזרת גלאים שנקראים "אנחנו מודדים את עוצמת הקר - הגלאים היא מוסרת לו את מטענה החשמלי, FC-ב קרן היונים פוגעתאשר . כ3.1.17-ו 3.1.16ממתכת, כמופיע בתמונות

.−A1210שאותו מודדים בעזרת פיקואמפרמטר שסף הרגישות שלו היא ,)אלקטרונים(

+

-

הסטת הקרן: בסט הזה, הקרן - 3.1.5ור אימוסחת לכיוון האלקטרודות החיוביות. את

גודל ההסחה ניתן לקבוע בעזרת שינוי המתחים על האלקטרודות.

-

+

שלב ב' במרכוז הקרן. - 3.1.4איור הקרן מקבלת צורה של ישר, המיוצג

+ ע"י הנקודה במרכז הקוודרופול.

-

+

-

-

ספק המתח של עדשת הקודרופל, -3.1.15תמונה .KIKUSUIמתוצרת חברת ספקי המתח של עדשת הקוודרופול, שכל 6זהו אחד מתוך

ספק מתח לחלק אחר בעדשהאחד מהם מ

12

FCK-(ראה בסעיף הבא). את קריאת הזרם מ FCK, בתוכנה Labviewאת הזרם נעשית בצורה ממוחשבת בידי קרי ניתן להעביד לתוכניות אחרות, ולקבל משוב על השינוי בעוצמת הקרן.

מציאת תנאי העבודה האופטימאליים 3.2 -רות שמפיקים תנאי עבודה אופטימאלייםביצעתי מדידות, שמטרתן הייתה למצוא את המתחים, הזרמים והטמפרטו

. מאחר ובשלב זה של העבודה לא התחלתי לכתוב את תוכנות האופטימיזציה, ביצעתי FC 2עוצמת קרן מקסימאלית על ) עד שהגעתי לעוצמה Einzel שיניתי מתח על רכיב מסוים (לדוגמה, עדשת -אופטימיזציה ידנית למתחי הרכיבים

) ושיניתי את המתחים עליו עד שעוצמת הקרן הגיעה לערך מסיט אופקיתי לרכיב אחר (המקסימאלית של הקרן. עברגבוה יותר, וכן הלאה. בשביל לדייק במדידה, ביצעתי את הכיוון מספר פעמים, עד שעוצמת הקרן הגיעה לערך מקסימאלי

ולאחר מכן התחלתי את המדידה.

. FCKאת התוכנה -3.2.2ת על המתחים במעבדה ובתמונה של התוכנה ששולט FP-ניתן לראות את ה 3.2.1בתמונה

Source control panel.במלבנים האדומים רשומה : המתחים על הרכיבים מופיעים בחלון התוכנה כמלבנים לבניםשלו - Extractor-וזהו המשוב שמקבלים לגבי המתח שהספק מכוון את הרכיב, למעט ה -קריאת ספקי המתח של כל רכיב

, 0.1-הוא תוצאה לא רצויה של התנאים במקור היונים, וכאשר הוא גדול מיש קריאה של זרם פנימי. הזרם הפנימי ניסוי ולהזיק למקור היונים.קרן שיכולות לשבש מתחילות תנודות בעוצמת ה

ית שניתן וסט בזו), שעבורו הקרן של יון מסוים תNominalעבור המגנט, התוכנה מחשבת את הערך (במשבצת של .magnet set-סוג היון וגודלו נכללים בחישוב. הערך שמועבר לספק נמצא ב לקבוע בעזרת הזזת המפסק, כאשר

, כי המתח שאליו מכוונים את הרכיב לא תואם לקריאה של ספק המתח. בעיה זו נגרמת בגלל 3.2.1ניתן לראות בתמונה .3.5האלקטרוניקה של ספק המתח, ואטפל בה בסעיף

FCK תוכנה זו מציגה את הזרם כפונקציה של הזמן. עוצמת הזרם מוצגת במלבן הכחול מעל לגרף, והיא מוצגת : בסקאלה זהה לזו של הפיקואמפרמטר.

, Einzelעדשת התוכנה ששולטת על המתחים של -3.2.1תמונה Extractorוהמסיט האופקי, המגנט, עדשת אנכיהמסיט , ה

)Gaugeהקוודרופול ומקבלת את הקריאה של מד הוואקום (

FCKהתוכנה -3.2.2תמונה

FC - 16.13.תמונה

במבט מהצד FC - 17.13.תמונה

אל הפיקואמפטרמטר

הפיקואמפרמטר שבעזרתו -3.1.18תמונה רת חברת נמדדים הזרמים במערכת, מתוצ

KEITHLY 6485, סדרה

13

1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 4.8 50

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

(KV) מתח האצה

(uA) עוצמת הקרן

90 120 150 180 210 240 270 300

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

(Celsius) טמפרטורה


מציאת מתח האצה אופטימאלי 3.2.1 ניתן לראות את ספק המתח של 3.2.1.1במדידה זו ביצעתי שינוי במתח ההאצה של הקרן בהפרשים קבועים. בתמונה

.FCKאת עוצמת הקרן קראתי בעזרת הקתודה.

.3nA- , והטעות במדידת עוצמת הקרן היא כKV01.0השגיאה בקריאת מתח ההאצה עומדת על .3.2.1.1את תוצאות המדידה ניתן לראות בגרף

הוא מתח ההאצה האופטימאלי 4.2KVשל המסקנה שנובעת ממדידה זו היא, שמתח האצה

מציאת טמפרטורה אופטימאלית 3.2.2במדידה זו בדקתי את תלות עוצמת הקרן המקסימאלית בטמפרטורת כוסית הצזיום. זו מדידה שארכה יום שלם, מאחר

דקות לאחר עשר תוולטמפרטורה לוקח זמן להתייצב. במהלך כיוון הטמפרטורה ישנן תנודות בעוצמת הקרן, שמתייצב :3.2.2.1הטמפרטורה שבתמונה -את הטמפרטורה של כוסית הצזיום קראתי בעזרת מד בממוצע.

במדידת עוצמת הקרן. 3nAהשגיאה היחסית בניסוי זה היא של עשירית המעלה במדידת הטמפרטורה וטעות שלצלזיוס, מכיוון שמעבר לטמפרטורה זו עלול להיגרם נזק מעלות 309עצרתי את המדידה כאשר הגעתי לטמפרטורה של

למערכת.

:3.2.2.1תוצאות המדידה מרוכזות בגרף

ריכוז -3.2.1.1גרף תוצאות המדידה הראשונה

ספק המתח של הקתודה -3.2.1.1תמונה

ריכוז -3.2.2.1גרף תוצאות המדידה השנייה

מד הטמפרטורה של -3.2.2.1תמונה , מתוצרת Cesium Reservoir-ה

52II, סדרה Flukeחברת

14

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 5 6 7 8

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

x

y

6 7 8 9 10 11 12 13 14 150

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

(A) זרם על המיינן

(nA) עוצמת הקרן

בטווח הטמפרטורות מתקבלת המסקנה שנובעת ממדידה זו היא, שעוצמת הקרן האופטימאלית

CTC optimal °>>° ) בעוצמת Aµ5.0חזקות (בסביבות . טמפרטורות גבוהות יותר עלולות לגרום לתנודות250270

הקרן, בגלל זרימת צזיום גדולה מדי.

מציאת הזרם האופטימאלי על המיינן 3.2.3 A01.0. השגיאה בקריאת הזרם על המיינן היא של שנעשתה ע"י המנחהישנה מפאת חוסר הזמן השתמשתי במדידה

.3.2.3.1בגרף תוצאות המדידה מרוכזות . 3nA -ובקריאת עוצמת הקרן

. A15המסקנה שנובעת ממדידה זו היא שהזרם האופטימאלי על המיינן הוא

אלגוריתם למציאת מקסימום של סדרת נתונים 3.3תם שכתבתי בתחילת אלגורי -הרעיון לתוכנה שתמצא את המתחים בהם לקרן יש עוצמה מקסימאלית בא ממקום לא צפוי

. מטרת האלגוריתם הייתה למצוא מקסימום של שחיוניות לביצוע העבודה Matlab-מיומנויות בהעבודה, בשביל לתרגל סדרת נתונים שהוזנה לתוכו, ובכתיבתו התבססתי על השיטה הבאה:

-, שבסביבתה יתקיים1zצריך למצוא נקודה ,zf)(מנת למצוא מקסימום (מקומי או גלובלי) של פונקציה נתונה -על

)()( 1 zfzf >.

מחשבים את הפתרונות של -השיטה הקלה ביותר למצוא מקסימום של פונקציה היא בעזרת כללי החשבון הדיפרנציאלי')(0המשוואה =zf שונה), ומוצאים את הנקודות שעבורן מתקיים(מוצאים את הנקודות שמאפסות את הנגזרת הרא-

0)()2( <zf (הנקודות שעבורן הנגזרת השנייה שלילית). אלו הן נקודות המקסימום של הפונקציה. נקודת המקסימום

)()( - , מקיימתmaxz, גלובאליה max zfzf , ניתן שקשה למצוא את נקודת הקיצון שלה נתונה פונקציה. כאשר zלכל <

להציב בה מספר רב של ערכים ולפיהם לצייר את הגרף. את ניתוח הנתונים ניתן לבצע בעזרת פונקציה בתוכנת מחשב, כמו Matlab אוLabview.

סיבות לשימוש בשיטה זו: שתילהלן .משך הזמן הנדרש לביצוע התהליך ארוך מדי .1 ריך שימוש במשאבי חישוב.התהליך מצ .2

סדרת הנתונים שעבדתי איתה הייתה של גאוסיאן (מספרים וערך הגאוסיאן המתאים להם). בחרתי בגאוסיאן מפני שקל

מוצג התיאור הגראפי של גאוסיאן מסוים. 3.3.1בגרף לנתח אותו ויש לו מקסימום אחד.

הוא גדול יותר מערך בנקודה קודמת.ובדק האם 1xונקציה בנקודה כתבתי את האלגוריתם כך, שהוא חישב את ערך הפ

הוא המשיך בחישוב עד למצב, שבו הערך הנוכחי קטן מהערך הקודם. אז הוא הפסיק את החיפוש והציג את הערך שמתאים לו. x-המקסימאלי של הגאוסיאן ואת ערך ה

5: גרף של הגאוסיאן 3.3.1גרף

)1( 2−−

=

x

ey.

ספק הזרם של המיינן -3.2.3.1תמונה

ריכוז תוצאות המדידה השלישית -3.2.3.1ף גר

15

stepVV +→

N

VVstep minmax −=

FC-לקיחת קריאה מה

העברת המתח לעדשה

סיום התוכנה, הצגת המתח האופטימאלי אלית בחלון התוכנהועוצמת הקרן המקסימ

maxVV >?

כן

לא

, Einzel הקרן, שהיא פונקציה של המשתנים הבאים: המתחים על עדשתבמערכת שעבדתי בה, מודדים את עוצמת Extractor ,מרכוז על ציר -, המגנט ועדשת הקוודרופולמסיט אופקי ,מסיט אנכיx ומרכוז על צירy.

הנ"ל לתוכנות האופטימיזציה שיוזכרו בהמשך העבודה: אלגוריתםישנם שני הבדלים חשובים בין הימום אחד, ישנם רכיבים שיש להם שתי נקודות אופטימאליות. אחת מהן היא נקודת בעוד שלגאוסיאן יש מקס .1

העבודה הרצויה, שבה לקרן תהיה עוצמה מקסימאלית.הגאוסיאן שמוצג פה הוא פונקציה של משתנה אחד, בעוד שהפונקציה שמתארת את המקסימום של הקרן .2

תלויים אחד בשני. מורכבת ממשתנים רבים, שעל חלקם לא ניתן לשלוט וכמה מהם

אלגוריתם בסיסי למציאת המתח האופטימאלי 3.4MinMaxבתחום המתחים Einzel להלן אלגוריתם בסיסי למציאת מתח אופטימאלי על עדשת VVV . אלגוריתם זה ≤≤

שאליו מכוונת העדשה.הוא המתח Vומיישם אותו על המערכת. Matlab-מתבסס על האלגוריתם שכתבתי ב) ומספר המדידות Max Voltageמתח המקסימאלי (), הMin Voltageמינימאלי (ההמתח הם: הקלטים של התוכנה

).Nשהתוכנה תבצע ( מתח אופטימאלי וזרם מקסימאלי הם: הפלטים של התוכנה

כיול המתחים על הרכיבים 3.5: החל מסעיף זה ועד לסוף הפרק, המתחים על הרכיבים נמדדים ביחידות שרירותיות, בדומה למתחים הערה חשובה

. המתח שמוזן בחלון התוכנה מתורגם למתח שנמצא בתחום הפעולה של הרכיב בעזרת Source Control Panel-ב ספק המתח שלו.

Source Control Panel י יצרניות ספקי המתח של מספר רכיביםלפו ספק לרכיב.נותנת משוב על המתח שהספק מ ,נובע, כי המשוב 3.2.1מתמונה ידי ספק המתח. -קיים קשר ליניארי בין המתח המוצג במחשב לבין המתח המתורגם על

כל התאמת מתחים ללכן, במטרה לקבל מדידות מדויקות ואמינות יותר, ביצעתי של ספק המתח שונה מהמספר שהוקלד. .מסיט אופקי, מסיט אנכי, מגנט ועדשת קוודרופול), Einzel, עדשת Extractor( הרכיבים במערכת

אלגוריתם של התוכנה -3.4.1איור הבסיסית למציאת מקסימום של הקרן

16

Quad y conversion

1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.41.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

3.4

Quad y input

Quad y read

Quadruple x conversion

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.81

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

In Voltage

Readout voltage

Magnet Mass to voltage Conversion

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

2

4

6

8

10

12

14

16

(Amu) מסה

(10KV) מתח על המגנטMagnet mass scan

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

(Amu) מסת היון


O2- Al-

Al2-

Al3-

AlO-

Conversion Einzel In-Out voltages

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.80

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

Einzel In Voltage

Einzel Out VoltageConversion Extractor In-Out voltages

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2

4

6

8

Extractor In Voltage

Extractor Out Voltage

Conversion Vertical in-out Voltages

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6

-120

-80

-40

0

40

80

120

160

Input Voltage

Readout Voltage

Conversion Horizontal In-Out Voltages

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

Input voltage

Output voltage

:3.5.6-3.5.1מצוינות, כמתואר בגרפים ליניאריות קבלתי התאמות

ה שלה היא לצורך ביצוע ההתאמה על המגנט, הפעלתי תוכנה שמבצעת סריקת מסות על המגנט, כלומר נקודת ההתחלוגם )3.5.7כפונקציה של המסה (גרף FC-מסה מסוימת והיא מתקדמת בפסיעה מוגדרת מראש. היא מציגה את קריאת ה

:). להלן הגרפים שהתקבלו3.5.8ת את המתח המתאים למסה שהוזנה (גרף מחשב

בטבלה שלהלן ניתן לראות את משוואות ההתאמות שביצעתי:

04409460 .V.V OutIn += Extractor

047.0945.0 += OutIn VV Einzel עדשת

OutIn VV 737.24= מסיט אנכי

005.0074.24 += OutIמ VV מסיט אופקי

mI 196.1098.1 ⋅= מגנט

0077.00042.1 −= OutIn VV עדשת קוודרופול xמרכוז על ציר

004.0−= OutIn VV ול עדשת קוודרופ y מרכוז על ציר

Extractor- ה כיול מתח על - 3.5.2גרף

המסיט האופקי כיול מתח על - 3.5.4גרף

המסיט האנכי כיול מתח על - 3.5.3גרף . Einzelעדשת כיול מתח על - 3.5.1גרף

עדשת כיול מתח על - 3.5.5גרף xקוודרופול, מרכוז על ציר

כיול מתח על עדשת - 3.5.6גרף y רקוודרופול, מרכוז על צי

כיול מתח על המגנט -3.5.8גרף סריקת מסות על המגנט -3.5.7גרף

17

האם המתח שהוזן נמצא בתחום מותר?

תיקון המתח לתחום מותר

שליחת המתח לרכיב

לא כן

ToleranceVV כיווןקריאה ≤− ?

)Vקריאהכיב (. קבלת קריאת מתח מספק מתח של ר1

. חישוב המתח שאמור להיות על הרכיב בעזרת ההתאמות 2

)Vכיווןהליניאריות (

האם עבר הזמן המקסימאלי שהוקצב לתוכנה לכוון את המתח?

התוכנה לא הצליחה לכוון את הרכיב למתח Tolerance-הנתון בדיוק של ה

ת הרכיב התוכנה הצליחה לכוון א Tolerance-למתח הנכון בדיוק של ה

לא כן

Tuneאופן הפעולה של התוכנה -3.5.1איור

ומהטבלה נובעות שלוש מסקנות: 3.5.1-3.5.8מהגרפים .1.2א.) שפותחה בסעיף 5המגנט, בדיוק לפי נוסחה ( קיים קשר של פונקצית שורש בין המסה לזרם על .1 עבור שאר הרכיבים, קיים קשר ליניארי בין המתח שמוכנס בתוכנה לקריאת ספק המתח שלהם. .2

− עבור היון .3

2lA.מתקבלת עוצמת קרן מקסימאלית, לכן אבצע בעזרתו אופטימיזציה לתוכנות המתקדמות

תוכנית שתבצע את ההעברה של המתח לספק המתח של הרכיב.- לפי שתי המסקנות הראשונות כתבתי תת

.Tuneשם התוכנה: .Toleranceרכיב, מתח שאליו רוצים לכוון אותו, : הקלטים של התוכנה הם

האם התוכנית הצליחה לכוון/לא לכוון את הרכיב למתח הרצוי. הפלט של התוכנה הואאם משנים מתח ברגישות שקטנה ממנה, הספק לא מגיב, מאחר והשינויים - היא רגישות מינימאלית של ספק המתח Tolerance-ה

ולכל ספק יש אלקטרוניקה שונה.משלו, מאחר Toleranceקטנים מכדי שיוכל למדוד אותם. לכל ספק ישנו

מציאת תחום המתחים האופטימאליים של כל אחד מהרכיבים 3.6ככל שהתחום גדול יותר, כך - משך הזמן שיידרש למציאת עוצמת הקרן מושפע מתחום המתחים שבו נערכת המדידה

ן הסריקה קטן יותר.כך משך זמ -משך זמן הסריקה גדול יותר, וככל שהתחום קטן יותרשהתקבלו מייצגים מתחים על רכיבים yוציר xציר ממדית על הרכיבים, כאשר- לכן, כתבנו תוכנה שביצעה סריקה תלת

מוצגות תוצאות 3.6.4-3.6.1 הוא עוצמת הקרן כפי שהפיקואמפרמטר קורא אותה. בגרפים zציר ו ,Tune בעזרת המדידה.

כתלות FC 2עוצמת הקרן על – 3.6.1גרף Extractorובמתח על Einzelבמתח על עדשת

FC 2עוצמת הקרן על -3.6.2גרף כתלות במתח על מסיט אנכי ומסיט אופקי

18

נובעות שלוש מסקנות: 3.6.1-3.6.4מהגרפים ישנם שני אזורים בהם לקרן ישנה עוצמה מקסימאלית. Extractor-עבור ה .1על המתח הגבוה Extractor-גבוה יותר, כך גדלה עוצמת הקרן. לכן, נקבע את ה Extractor-ככל שהמתח על ה .2

) ונשאיר אותו קבוע.8.81ביותר ( ם על הרכיבים הוא:תחום המתחים האופטימאליי .3

Einzel 1.5-2.5 עדשת (2+)-(6-) מסיט אנכי (2+)-(6-) מסיט אופקי

Y 0-ומסיט X, מסיט Y - 1.5-4 על ציר , מיקוד X 0.5-2 על ציר עדשת קוודרופוְל; מיקוד

לביטול השדה המגנטי שלו. אפקט ההיסטרסיס נגרם בגלל ), שגורם Hysteresisבמגנט ישנו אפקט של היסטרסיס (מבטלים את -זרמים חשמליים בצורת ספיראלות במגנטים, שמעקמים את קווי השדה המגנטי של המגנט ובסופו של דבר

המגנטיות שלו. לכן לא נוכל לבצע סריקה פשוטה על המגנט כי לא ניתן לשנות ערך במגנט ולחזור אליו, מכיוון שהערך מהערך הנומינלי של המסה הרצויה. %10±יד משתנה כתוצאה מהאפקט הנ"ל, ניקח ערך עם תחום שגיאה שלתמ

כתלות FC 2על עוצמת הקרן -3.6.3גרף כתלות במתחי FC 4עוצמת הקרן על - 3.6.4גרף ומסיט אופקי Extractorבמתח על

של עדשת הקוודרופול Y-ו Xמיקוד על ציר

19

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Einzel Voltage (KV)

Beam intensity (uA)

מתח מקסימאלי קטן ממתח מינימאלי?

Tune שליחת המתחים לתוכנה

תיקון מתח לערכים קבועים

כן

לא

FC-לקיחת קריאה מה

קסימאלית מציאת הקריאה המ ומציאת המתח האופטימאלי

לכוון את הרכיב למתח האופטימאלי?

הצבת המתח ברכיב

כן

סיום התוכנה והצגת המתח האופטימאלי והזרם המקסימאלי

לא

SVV +→

תוכנות אופטימיזציה לרכיב מסוים 3.7ם שנמצאו כתבנו שתי תוכנות אופטימיזציה לרכיב מסוים, שמבצעות אופטימיזציה לרכיב מסוים בשיטות שונות, בתחומי

הוא החלון שפתוח למשתמש. Labview- ב FPבסעיף הקודם. תוכנת אופטימיזציה ראשונה 3.7.1

:Scanלהלן הפירוט של התוכנה הראשונה,

Scanשם התוכנה: Scan היא מקבלת תחום סריקה וגודל צעד. עבור כל -, למעט ההבדל בקלט3.4מבוססת על האלגוריתם שהוצג בסעיף

מת הזרם, כך שבסיום הרצת התוכנה מתקבל מערך של מתחים ועוצמות קרן שמתאימות להם. מתח היא מוצאת את עוצמאתרת את העוצמה המקסימאלית ומוצאת את המתח האופטימאלי שמתאים Scanמתוך המערך של עוצמות הקרן,

לנקודה זו. : האלמנט שסורקים, הרגישות, תחום המתחים שבו תתבצע הסריקה.הקלטים של התוכנה הם של הקרן, מתח אופטימאלי. ת: עוצמה מקסימאליהפלטים של התוכנה הם

V הוא המתח שאליו מכוונים את הרכיב, ו-S .היא הרגישות של הסריקה

וך סריקה של התוכנה על תמונה מת -3.7.1.1גרף . Einzel עדשת

הוא עוצמת הקרן. yהוא המתח על הרכיב, וציר xציר

1minנתוני הסריקה הם: =V4.0=S, 6.2max =V, .

optimalV=96.1תוצאות הסריקה הן:

AFC µ93.1max =

Scanאופן הפעולה של התוכנה – 3.7.1.1איור

20

SVV +→

Tune הצבת המתחים בתוכנה

FC- מדידת זרם על ה

נוכחיקודם II >? לא

?1- האם מספר הלולאות גדול מ לא

כן

כיוון הרכיבים סיום התוכנה ו למתחים האופטימאליים.

SVV −→

Tune הצבת המתחים בתוכנה

FC- מדידת זרם על ה

נוכחיקודם II >? כן

חזרה למתח התחלתי

ושינוי לרגישות הבאה

לא

כן

תוכנת אופטימיזציה שנייה 3.7.2 לרכיב אחד בדרך אחרת. , שביצעה אופטימיזציהSurfלהלן הפירוט של תוכנת האופטימיזציה השנייה,

Surfשם התוכנה: סורקת על רכיב מסוים, היא בודקת האם עוצמת הקרן במגמת עלייה. Surfכאשר התוכנה היא ממשיכה בסריקה. - במידה וכן - משנה את כיוון הסריקה (כלומר, במקום להוסיף מתח היא מפחיתה ולהיפך). Surf -במידה ולא -

Surf מת הקרן יורדת. כאשר עוצמת הקרן יורדת, היא עוצרת ולוקחת את המתח שהניב ממשיכה את הסריקה עד שעוצ את עוצמת הקרן הגבוהה ביותר.

הקלטים של התוכנה הם: כיוון הסריקה, רגישות, מתח התחלתי כיוון הסריקה ורכיב שעליו סורקים. הפלט של התוכנה הוא המתח האופטימאלי על הרכיב.

S ,מסמן את רגישות הסריקהI מסמן את עוצמת הקרן, ו-V .מסמן את המתח על הרכיב

עלולה לפספס את הנקודה האופטימאלית, מאחר והיא מבצעת סריקה Scan-היא ש Surfהסיבה לכך שכתבנו את בתחום לא מתאים, או שזמן הסריקה יהיה רב מדי מאחר ותחום הסריקה רחב מדי או שהרגישויות קטנות מדי.

של ספק המתח והסריקה מתבצעת Tolerance-יכול להיות מצב, בו עוצמת הקרן לא משתנה ואז הרגישות נמוכה מה על אותה נקודה.

, והרצתי את שתיהן בשביל לברר איזה מנגנון יעיל Scan-ו Surfשהתבססו על FC 2כתבנו תוכנות אופטימיזציה על מטרת העל של העבודה היא מציאת העוצמה המקסימאלית של קרן היונים יותר לביצוע האופטימיזציה. אזכיר שוב, כי

השינוי לא היה יעיל ולא נשמור אותו. על בסיס -במידה והזמן יתקצר, אך עוצמת הקרן לא תעלה -בזמן קצר ככל הניתןנה נכונה, ואת התוכנה הסופית. בשביל להגיע למסק FC 4-התוכנה היעילה ביותר נבנה את תוכנת האופטימיזציה ל

לקחתי את אותם הפרמטרים ונקודות ההתחלה. להלן תוצאות המדידה:

שניות, בעוד שמשך זמן הסריקה 52-היה דקה ו Surf משך זמן הסריקה שבוצעה עם התוכנה שהתבססה על • שניות. 20-היה דקה ו Scanעם התוכנה שהתבססה על

, לעומת עוצמת הקרן שהתוכנה שהתבססה Aµ753.1מצאה היא fSurעוצמת הקרן שהתוכנה שהתבססה על •

.Aµ377.1-מצאה Scanעל

ארוך יותר, אבל עוצמת Surfזמן הסריקה עם -Scan-מבצעת סריקה יעילה יותר מ Surf המסקנה המתבקשת היא, כיואת התוכנה הסופית FC 4טימיזציה של הקרן שהתוכנה שהתבססה עליה מצאה גבוהה יותר. לכן נכתוב את תוכנת האופ

.Surfעל בסיס

Surfאופן הפעולה של -3.7.2.1איור

21

: Einzelעדשת סריקה על Einzelעדשת הכנסת הפרמטרים של הסריקה על

ומציאת המתח האופטימאלי עליה Surfלתוכנה

סריקה על מסיט אנכי:הכנסת הפרמטרים של הסריקה על המסיט האנכי

ציאת המתח האופטימאלי עליוומ Surfלתוכנה

סריקה על מסיט אופקי:הכנסת הפרמטרים של הסריקה על המסיט האופקי

ומציאת המתח האופטימאלי עליו Surfלתוכנה

שינוי לרגישויות עם האינדקס של הלולאה הבאה

האם האינדקס של הלולאה זהה למספר המקסימאלי של הלולאות?

כן

לא

ה והצג את המתחים האופטימאלייםסיים את הרצת התוכנ

FC 2תוכנת האופטימיזציה על 3.8 , לפי תוצאות ההשוואה שנערכה בעמוד הקודם:FC 2להלן תוכנת האופטימיזציה על

Focus FC 2שם התוכנה: יב ומספר הלולאות.הם ניחושי המתחים האופטימאליים על הרכיבים, רגישויות הסריקה על כל רכ הקלטים של התוכנה על כל אחד מהרכיבים. םהם המתחים האופטימאליי הפלטים של התוכנה

הפרמטרים של הסריקה הם ניחוש הנקודה האופטימאלית, רגישות/רגישויות הסריקה וכיוון הסריקה.ע סריקה הוספתי את האופציה לדלג על סריקה מסוימת אחרי כמה הרצות של התוכנה שבהן התברר לי כי אין טעם לבצ

על כל הרכיבים בכל הרגישויות, מאחר וזה גוזל זמן רב מדי. של התוכנה: FP-להלן ה

לתוכנה מוזנים מערכים של רגישויות על הרכיבים בהם התוכנה תבצע סריקה. בכל לולאה התוכנה מוציאה מהמערכים עם אותו אינדקס כמו זה של הלולאה. לכן, כאשר עוברים ללולאה הבאה, התוכנה לוקחת את האלו את הרגישויות

הרגישויות עם האינדקס שמתאים לזה של הלולאה.

-תוצאות האופטימיזציה המתחים האופטימאליים

זמן סריקה כולל בשניות

כפתור ההתחלה של הסריקה

ניחושי מתחים אופטימאליים על הרכיבים

נתונים ותוצאות שמירת ה הסריקה בקובץ

גרף המציג את עוצמת הקרן כפונקציה של זמן הסריקה

ב הסריקהחלון הודעות על מצ

Focus FC 2אופן הפעולה של -3.8.1איור

מספר ות סריקה

שהתוכנה עושה

22


Extractor

Einzelעדשת

מסיטי קרן

FC 2

מגנט

קוודרופול עדשת

FC 4

מסיטי קרן

מלכודת יונים

:Focus FC 2להלן גרף מתוך אחת הסריקות עם

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 1100.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

(sec) זמן

(uA) עוצמת קרן

12

3 4 5

FC 4תוכנת האופטימיזציה על 3.9 , אזכיר את מסלול הקרן:FC 4 לפני אציג את תוכנת האופטימיזציה על

ולפני עדשת הקוודרופול, צריך לבצע סריקה מקדימה על המגנט שתסיט את הקרן שתניב FC 4כיוון שהמגנט נמצא לפני את היון הרצוי.

תבססת על , בכך שהיא מFC 2ה ובמבנה לתוכנת האופטימיזציה על הפעולדומה באופן FC 4תוכנת האופטימיזציה על Surf (פוקוס אופקי ופוקוס אנכי) ואת בגרסה מורחבת, שכוללת את עדשת הקוודרופולScan אך לפני עבור המגנט ,

: FC 4, ישנו דבר חשוב שאני חייב לציין בנוגע לתוכנת האופטימיזציה על FC 4שאוכל לדון בתוכנת האופטימיזציה על זהו אופן הפעולה שלה: תוכנה משלה שמוצאת את המתחים האופטימאליים עליה.- לעדשת הקוודרופול יש תת

Quad Scanשם התוכנה: ועל xעדשת קוודרופול מרכוז על ציר : רגישויות לסריקה, מספר לולאות, מתחים התחלתיים עלהקלטים של התוכנה הם

.yעדשת קוודרופול מרכוז על ציר

מסלול קרן היונים במערכת -3.9.1איור

.Focus FC 2גרף מתוך אחת הסריקות עם -3.8.1גרף מאוד שנגרמות מרגישות גדולה מדי בסריקה יש בגרף ירידות חדות

.Einzelעל עדשת

1VEinzel: נתוני סריקה =0VV HorizontalVertical ==

תוצאות הסריקה:

-מתחים אופטימאליים

2

75.1

4.2

=

−=

−=

Einzel

Vertical

Horizontal

V

V

V

Aµ753.1 -זרם מקסימאלי

4- ו 3ודות ובין זוג הנק 1לנקודה תחילת הגרףבתחומים שבין .Einzelהתוכנה סרקה על עדשת התוכנה סרקה על מסיט אנכי. 4,5 -ו 1,2בתחומים שבין הנקודות סוף הגרףל 5ובתחום שבין הנקודה 2,3בתחומים שבין הנקודות

התוכנה סרקה על מסיט אופקי.

23

וביצוע סריקה עליו ברגישות המתאימה ללולאה Surfכנה לתו Extractorהכנסת ניחוש מתח אופטימאלי על

וביצוע סריקה עליה ברגישות המתאימה ללולאה Surfלתוכנה Einzelעדשת הכנסת ניחוש מתח אופטימאלי על

וביצוע סריקה עליו ברגישות המתאימה ללולאה Surf לתוכנה אנכיהמסיט ההכנסת ניחוש מתח אופטימאלי על

המסה הרצויה בתחום המתחים של Scanהמגנט בעזרת ביצוע סריקה על

וביצוע סריקה עליו ברגישות המתאימה ללולאה Surfלתוכנה המסיט האופקי הכנסת ניחוש מתח אופטימאלי על

לתוכנה yמיקוד ו xעדשת קוודרופול מיקוד הכנסת ניחוש מתחים אופטימאליים על

Quad scan ברגישות שמתאימה ללולאה ומציאת המתחים האופטימאליים שלהם

האם האינדקס של הלולאה שווה למספר הלולאות המקסימאלי שנקבע?

סיים את התוכנה והצג מתחים אופטימאליים על הרכיבים

כן

לא שנה לרגישות הבאה

ברגישות המתאימה ללולאה Scanביצוע סריקה על המגנט בעזרת

Focus FC 4אופן הפעולה של - 3.9.2איור

.yומרכוז על ציר xמרכוז על ציר - Quadruple: מתחים אופטימאליים על עדשת ל התוכנה הםהפלטים ש, תלויים אחד בשני, ביצוע אופטימיזציה על אחד yומרכוז על ציר xמכיוון ששני החלקים של העדשה, מרכוז על ציר

והמתח של החלק השני ישתנה. נפספס את הנקודה האופטימאלית, מאחר - מהם ומעבר לחלק השני יהיה צעד לא חכם . xוממשיכה למרכוז בציר yלכן, בלולאה אחת של התוכנה היא מבצעת סריקה על מרכוז בציר

ל] אינו משפיע על עוצמת ו, עדשת הקוודרופ3.1בתוכנה זו יצאנו מנקודת הנחה, כי הקוודרופול האחרון [ראה סעיף

סוים, והוא כמעט ולא משפיע על עוצמת הקרן. בנוסף, המתחים של הקרן, מאחר ולוקח זמן רב מדי לכוון אותו למתח מ שני חלקי העדשה תלויים גם במתח של המסיט, לכן עדיף לא לסרוק עליו ולהשאיר אותו קבוע

.FC 4כעת אוכל לעבור לדיון בתוכנת האופטימיזציה על , אולם Surf-ו FC 2האופטימיזציה של מבוססת על תוכנת FC 4כמו שנאמר בתחילת הסעיף, תוכנת האופטימיזציה על

הקוודרופול, מה שלא התאפשר בתוכנה המקורית. חייבים לבצע עדשת לסרוק על האופציה Surf-בתוכנה זו התווספו ל לפני הפעלת התוכנה, וזאת בשביל לקבל נקודה שקרובה לנקודה האופטימאלית ולחסוך בזמן הסריקה. FC 2סריקה על

4Focus FCשם התוכנה: : ניחושי מתחים אופטימאליים על הרכיבים, רגישויות סריקה, מסת היון, סוגו ומתח ההאצה של הקלטים של התוכנה הם

).פוגעות כל המסות שיש בקרן FC 2-. בFC 4-הקרן, (פרמטרים אלו הם הקובעים את היונים שיגיעו ל קסימאלית.: מתחים אופטימאליים על הרכיבים ועוצמת קרן מהפלטים של התוכנה הם

שלה: FP-זהו ה

חלון הודעות ניחושי מתחים התחלתיים על הרכיבים

נתונים לסריקה על המגנט

גרף של הסריקה

תוצאות האופטימיזציה

מספר לולאות כולל.מספר לולאות על עדשת קוודרופול.

זמן ההרצה.

התחל את הסריקה! שמירת תוצאות הסריקה לקובץ

24

ים על הרכיבים.ומציאת המתחים האופטימאלי Focus FC 2הרצת

, לחזור FC 4האם אתה רוצה להמשיך ולבצע את האופטימיזציה על או לסיים את הרצת התוכנה? FC 2על האופטימיזציה על

לחזור לאופטימיזציה

FC 2של

סיים את התוכנה והצג את המתחים האופטימאליים

המתחים ומציאת Focus FC 4הרצת האופטימאליים על הרכיבים.

את לסיים הרצת התוכנה

לחזור על האופטימיזציה

FC 4של

שיך להמ

באופטימיזציה

לסיים את הרצת התוכנה

האם לסיים את הרצת התוכנית או לבצע ?FC 4שוב את האופטימיזציה על

להלן גרף מתוך אחת הסריקות של התוכנה:

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 1300

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

(sec) זמן

(*100nA) עוצמת הקרן

1

2 34

5

התוכנה הסופית 3.10, וכן מתאפשר תהליך מהיר יותר של FC 4-ו FC 2התוכנה הסופית נבנתה משילוב שתי התוכנות שמוצאות מקסימום על

התוכנה ידידותי יותר למשתמש. אופטימיזציה והממשק של), Focus FC 4 ,Focus FC 2הם ניחושי המתחים האופטימאליים, מספר הלולאות בכל תוכנה ( התוכנה הקלטים של

מסת היון, סוגו ואנרגית התנועה של הקרן. הם המתחים האופטימאליים על הרכיבים. הפלטים של התוכנה

.Focus FC 4גרף של סריקה עם -3.9.1גרף נתוני סריקה:

- , מגנט−4.1 - , מסיט אופקי−6.1 - , מסיט אנכיEinzel - 2עדשת

, עדשת קוודרופול מיקוד x - 0.7דרופול מיקוד , עדשת קוו88224.256

y - 1.5 תוצאות:

, מסיט −6.0 - , מסיט אנכיEinzel - 1.6עדשת - מתחים אופטימאליים

, x - 02.2, עדשת קוודרופול מיקוד 85315.286 - , מגנט−3 - אופקי

y - 5מיקוד עדשת קוודרופול בוצעה סריקה מקדימה על המגנט, בשביל לקבל 1בין תחילת הגרף לנקודה

את היון −

2lA.

בוצעה סריקה על המסיט האופקי. 2- ל 1בין הנקודות .Einzelבוצעה סריקה על עדשת 3- ל 2בין הנקודות בוצעה סריקה על המגנט. 4- ל 3בין הנקודות ה סריקה על המסיט האנכי.בוצע 5- ל 4בין הנקודות

לסוף הגרף בוצעה סריקה על עדשת הקוודרופול. 5בין נקודה

אופן הפעולה של התוכנה הסופית -3.10.1איור

25

:ל התוכנהש FPלהלן

FC 2 : ניחושי המתחים -

האופטימאליים של על הרכיבים

-#loops FC 2 הואמספר הלולאות שבהן

התוכנה תסרוק על FC 2-הרכיבים עד ל

Open frontור הכפת-panel of focus

FC2.vi הוא כפתור ?שמאפשר למשתמש

של FP-לראות את ה Focus FC 2התוכנה

בזמן הרצת התוכנה.-GO! FC2 הוא הכפתור

שמתחיל את הסריקה על FC 2.

FC 4: ניחושי המתחים ההתחלתיים על

עדשת הקוודרופולבי סוג היונים בקרן, נתונים לג

גודלם ואנרגית התנועה שלהם. write to a log fileהתיבה

מאפשרת לשמור את תוצאות הסריקה לתוך קובץ טקסט.

מספר הלולאות שבהן התוכנה תסרוק על עדשת הקוודרופול

-)Quad scanתוכנה -(בתת#loops quad

מספר הלולאות שבהן התוכנה -תסרוק על שאר הרכיבים

loops FC4# -תבמערכ Open front panelהכפתור -

of focus FC4.vi הוא כפתור ?שמאפשר למשתמש לראות את

Focus FCשל התוכנה FP-ה

בזמן הרצת התוכנה 4

חלון הודעות על מצב חלון למתחים האופטימאליים הסריקה

26

ייעול תוכנות האופטימיזציה: 4פרק :FC 2 Focus התוכנהייעול 4.1

הערות חשובות לסעיף זה:וזה בשביל שתהיה לי נקודת ייחוס זהה לכל המדידות, בשביל -אותן נקודות התחלהבמדידות האלו לקחתי את .1

, Einzel-1 שוות בין זמן הסריקה והעוצמה המקסימאלית של הקרן. נקודות ההתחלה הן: עדשת שאוכל לה .Extractor-8.6, 0: מסיט אופקיו מסיט אנכי

, מכיוון שהוא קובע את הנקודה האופטימאלית בכ"א מהסריקות (ראה Extractorבחרתי לוותר על הסריקה של .2 של כל אחד מהרכיבים)., מציאת תחום המתחים האופטימאלי 3.6סעיף

בכל לולאה חדשה יש רגישות קטנה יותר לסריקה על הרכיב -הגדלת מספר הלולאות תשפר את עוצמת הקרן .3שמאפשרת קבלת נקודה שקרובה יותר לנקודה האופטימאלית. עם זאת, ככל שמספר הלולאות גדל, כך גדל גם

הזמן שדרוש להשלמת הסריקה.HorizontalVerticalEinzelסדר הסריקה הוא .4 , בכל אחת מהלולאות. ישנה אופציה לדלג על סריקה →→

של רכיב, במידה והיא נראית מיותרת או שהיא גוזלת זמן רב מדי.

:1מדידה לולאות. 4מדידה זו שימשה לי כנקודת ייחוס לשאר המדידות, ובה קבעתי שהתוכנה תבצע

הרגישויות הן: עדשת

Einzel מסיט אנכי

שסורקים עליורכיב מסיט אופקי לולאה מספר

0.2 0.4 0.3 1 0.2 0.3 0.25 2 0.1 0.2 0.2 3 0.05 0.2 0.2 4 במדידה זו סרקתי על כל הרכיבים.

שניות (וזהו זמן הסריקה הארוך ביותר), ועוצמת הקרן המקסימאלית שהתקבלה היא 243משך זמן הסריקה היה Aµ655.2.

:2מדידה , בתנאים זהים 3- ו בדקתי כיצד יושפעו זמן הסריקה ועוצמת הקרן המקסימאלית מקיצור מספר הסריקות לבמדידה ז

.1לתנאים של מדידה .Aµ647.2שניות ועוצמת הקרן המקסימאלית שהתקבלה היא 199משך זמן הסריקה היה

:3מדידה

קרן תשתנה כאשר אשווה את רגישויות המסיטים ואבצע עליהם סריקה נוספתבמדידה זו בדקתי האם עוצמת ה הרגישויות הן:

רכיב שסורקים עליו מסיט אופקי מסיט אנכי Einzel עדשת לולאה מספר

0.2 0.3 0.3 1 0.2 0.25 0.25 2 0.1 0.2 0.2 3 0.05 0.2 0.2 4 האופציות לסריקה על הרכיבים הן:

נכימסיט א Einzel עדשת רכיב שסורקים עליו מסיט אופקי לולאה מספר

1 לסרוק לסרוק לסרוק 2 לסרוק לסרוק לסרוק

3 לסרוק לסרוק לא לסרוק 4 לסרוק לסרוק לא לסרוק

.Aµ739.2שניות ועוצמת הקרן המקסימאלית שהתקבלה היא 165משך זמן הסריקה היה

27

1 2 3 4 5 6

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

מדידה מספר

(sec) זמן סריקה

זמן הסריקה כפונקציה של המספר -4.1.1גרף הסידורי של המדידה.

ציה של המספר עוצמת הקרן כפונק -4.1.2גרף הסידורי של המדידה.

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6

2.66

2.68

2.7

2.72

2.74

2.76

2.78

2.8

2.82

2.84

מדידה מספר


תי בעוצמת הקרן וקיצור זמן הסריקה הם שינויים רצויים ונחוצים להצלחת העבודה שלי. למען הנוחיות, השינוי המשמעו וכך אדע אם אני מבצע את השינויים הנכונים. -אשווה את תוצאות שאר המדידות לתוצאות שהתקבלו ממדידה זו

:4מדידה

במדידה זו, בדקתי האם הגדלת הרגישויות של המסיטים תשפיע על המקסימום. הרגישויות הן:

האופציות לסרוק או לא לסרוק על רכיב מסוים בלולאה זהות לאלו שבמדידה הקודמת. .Aµ752.2שניות ועוצמת הקרן המקסימאלית שהתקבלה היא 159משך זמן הסריקה היה

המסקנה שנובעת מהתוצאות האלו היא, שכדאי לי להשאיר את הרגישויות האלו על המסיטים, כי הן מניבות מקסימום גבוה יותר מהמדידות הקודמות.

:5מדידה

סריקות לשלוש יניב מקסימום טוב יותר. תנאי המדידה זהים לאלו שבמדידה במדידה זו, בדקתי האם קיצור מספר ה הקודמת.

.Aµ79.2שניות ועוצמת הקרן המקסימאלית שהתקבלה היא 122משך זמן הסריקה היה

ר את הרגישויות האלו. המסקנה המתבקשת היא, שכדאי לבצע שלוש סריקות בשביל לקצר את זמן הסריקה ולהשאי עוצמת הקרן גם השתפרה ואכן אלו שינויים שכדאי לשמור אותם להמשך.

:6מדידה

במדידה זו, ביטלתי את הסריקה הראשונה על המסיטים ובדקתי איך עוצמת הקרן תושפע מכך. הרגישויות זהות לרגישויות במדידה הקודמת. האופציות לסריקה על הרכיבים הן:


1 לא לסרוק לא לסרוק לסרוק 2 לסרוק לסרוק לסרוק

3 לסרוק לסרוק לא לסרוק

Aµ826.2שניות ועוצמת הקרן המקסימאלית שהתקבלה היא 134משך זמן הסריקה היה

אותן רגישויות ואותן אופציות לבצע או לא לבצע סריקה, מכיוון שעבורם -של המדידה הזו במחקר שלי אשתמש בנתונים

אצטרך לבצע מדידות FC 4לקרן יש את העוצמה הגדולה ביותר שמושגת, ובזמן קצר יחסית לרוב הסריקות. עבור חדשות.

. המצורפים:4.1.2- ו 4.1.1ריכזתי את תוצאות המדידות בגרפים

רכיב שסורקים עליו מסיט אופקי מסיט אנכי Einzel עדשתמספרלולאה

0.2 0.4 0.4 1 0.1 0.3 0.3 2

0.05 0.25 0.25 3 0.05 0.2 0.2 4

28

:לסיכום הסעיף מספר הלולאות האופטימאלי הוא שלוש. האופציות לסריקה על הרכיבים הן:

והרגישויות האופטימאליות הן:

:FC 4 Focus ייעול התוכנה 4.2 הערות חשובות לסעיף הזה:

,Einzel:2 , עדשתExtractor:8.81לקחתי את נקודות התחלה הבאות על הרכיבים : 1-22בכל אחת מהמדידות .1: y, מיקוד x :7.0מיקוד -, עדשת קוודרופול256.88224מגנט: ,−25.1 :מסיט אופקי, −45.1:מסיט אנכי

5.1. , מציאת תחום המתחים 3.6ף לא נכלל בסריקה מכיוון שהוא קובע את נקודת ההתחלה (ראה סעי Extractor-ה .2

האופטימאליים לכל אחד מהרכיבים).

−בוצעה סריקה מקדימה על המגנט בשביל לוודא שהיון הרצוי, .3

2lAיגיע ל-FC 4.

QuadrupleMagnetHorizontalVerticalEinzelסדר הסריקה הוא: .4 כאשר על ,→→→→

. yעל ציר ופעם על מיקוד xהקוודרופול הסריקה מתבצעת פעם על מיקוד על ציר על הקוודרופול המסיט לא מתבצעת סריקה, מאחר והוא משנה את המתחים של עדשת הקוודרופול, וברוב המקרים .5

הוא לא נחוץ לביצוע האופטימיזציה. בשביל למנוע חזרות מיותרות, בדקתי כיצד תשתנה עוצמת הקרן וזמן הסריקה. .6 מטה. הרגישויות של הרכיבים הן, אלא אם צוין אחרת, כרשום .7

:1מדידה קיצור -נויים שביצעתי בתוכנה והתאמתם לדרישת העלתוצאות המדידה הזה שימשו לי נקודת ייחוס בהערכת איכות השי זמן הסריקה למינימום האפשרי וקבלת עוצמת קרן מקסימאלית.

הרכיבים במערכת. כלקבעתי שהתוכנה תבצע ארבע לולאות, שבהן היא תסרוק על שניות. 565א והזמן שלקח לתוכנה לסיים את הסריקה הו 13.6nAעוצמת הקרן בסוף הסריקה היא





0.2 0.4 0.4 1

0.1 0.3 0.3 2 0.05 0.25 0.25 3

עדשת לקוודרופו

מסיט אנכי מגנט

מסיט אופקי

רכיב שסורקים עליו Einzelעדשת לולאה מספר

0.2 20 0.3 0.3 0.2 1

0.15 15 0.25 0.25 0.15 2

0.1 10 0.2 0.2 0.1 3

0.05 5 0.2 0.2 0.05 4

29

:2מדידה האופציות לסריקה על הרכיבים הן:

שניות. 637והזמן שלקח לתוכנה לסיים את הסריקה הוא 16.62nAעוצמת הקרן בסוף הסריקה היא אמנם זמן הסריקה התארך, אבל העלייה בעוצמת הקרן מסמנת שזהו שינוי לטובה.

:3מדידה

ל הרכיבים הן:האופציות לסריקה ע

שניות. 513והזמן שלקח לתוכנה לסיים את הסריקה הוא 17.27nAעוצמת הקרן בסיום הסריקה היא זמן הסריקה התקצר בצורה משמעותית, וישנה עלייה בעוצמת הקרן.

:4מדידה

האופציות לסריקה על הרכיבים הן:

שניות. 403כנה לסיים את הסריקה הוא והזמן שלקח לתו nA95עוצמת הקרן בסיום הסריקה היא


שניות. 289והזמן שלקח לתוכנה לסיים את הסריקה הוא nA89.3עוצמת הקרן בסיום הסריקה היא ם אחרים.מציאת עוצמת הקרן האופטימאלית, לכן אבדוק תנאי - אלו לא שינויים שמתאימים למטרת העל של התוכנה



מסיט אופקי

רכיב שסורקים עליו Einzel עדשת לולאה מספר

1 לסרוק לסרוק לסרוק לא לסרוק לא לסרוק

2 לסרוק לסרוק לא לסרוק לא לסרוק לסרוק

3 לא לסרוק לא לסרוק לא לסרוק לא לסרוק לסרוק

4 לא לסרוק לסרוק לסרוק לא לסרוק לסרוק



מסיט אופקי


1 לא לסרוק לסרוק לסרוק לא לסרוק לא לסרוק



4 לסרוקלא לסרוק לסרוק לא לסרוק לסרוק



קימסיט אופ


1 לסרוק לסרוק לסרוק לא לסרוק לסרוק

2 לסרוק לסרוק לסרוק לסרוק לסרוק


4 לא לסרוק לא לסרוק לא לסרוק לסרוק לסרוק



מסיט אופקי




3 לסרוק סרוקל לסרוק לא לסרוק לסרוק


30


שניות. 291והזמן שלקח לתוכנה לסיים את הסריקה הוא nA79עוצמת הקרן בסיום הסריקה היא גם השינויים האלו לא מתאימים, לכן אין טעם לדון בהם בקשר לתוכנת הסריקה ולתהליך האופטימיזציה.

:7מדידה

סריקה על הרכיבים הן:האופציות ל

שניות. 302והזמן שלקח לתוכנה לסיים את הסריקה הוא nA517.73עוצמת הקרן בסיום הסריקה היא השינויים הללו לא מתאימים, מכיוון שעוצמת הקרן נמוכה וזמן הסריקה ארוך.

:8מדידה


שניות. 333והזמן שלקח לתוכנה לסיים את הסריקה הוא nA47.35ם הסריקה היאעוצמת הקרן בסיו

:9מדידה הייתה 0.2, מכיוון שהרגישות של 0.1-ל להקוודרופועדשת ממדידה זה והלאה, שיניתי את הרגישות הראשונה של

גדולה מדי. האופציות לסריקה על הרכיבים הן:

שניות. 429והזמן שלקח לתוכנה לסיים את הסריקה הוא nA83.86עוצמת הקרן בסיום הסריקה היא



מסיט אופקי




3 לא לסרוק לסרוק לסרוק לסרוק לסרוק

4 לא לסרוק לא לסרוק לא לסרוק וקלא לסר לסרוק



מסיט אופקי


1 לא לסרוק לא לסרוק לא לסרוק לא לסרוק לא לסרוק






מסיט אופקי




3 לסרוק לא לסרוק לא לסרוק לא לסרוק לסרוק



סיט אנכימ מגנט

מסיט אופקי

רכיב שסורקים עליו Einzel ת עדש לולאה מספר



3 לסרוק לסרוק לסרוק לסרוק לא לסרוק


31

:10מדידה .0.23-ל אנכיהמסיט , שיניתי את הרגישות השנייה של הממדידה זה והלאה






שניות. 350שלקח לתוכנה לסיים את הסריקה הוא והזמן nA48.79עוצמת הקרן בסיום הסריקה היא


שניות. 270והזמן שלקח לתוכנה לסיים את הסריקה הוא nA79עוצמת הקרן בסיום הסריקה היא



מסיט אופקי


1 לא לסרוק קלסרו לסרוק לא לסרוק לא לסרוק


3 לסרוק לא לסרוק לא לסרוק לא לסרוק לסרוק




מסיט אופקי




3 לא לסרוק לא לסרוק לסרוק לא לסרוק לסרוק

4 סרוקלא ל לא לסרוק לא לסרוק לא לסרוק לא לסרוק



מסיט אופקי

רכיב שסורקים עליו Einzel ת עדש לולאה מספר

1 לסרוק לסרוק לסרוק לא לסרוק רוקלס




עדשת לוקוודרופ


מסיט אופקי

רכיב שסורקים עליו Einze l עדשת לולאה מספר



3 לסרוק לא לסרוק לסרוק לא לסרוק לא לסרוק


32



:15מדידה ממדידה זה והלאה, הוגדל זמן ההמתנה לאחר סיום הסריקה ההתחלתית על המגנט, מכיוון שלמתח לוקח זמן להתייצב

.(ראה כיול המתח על המגנט), כך שהמגנט התייצב על ערך קרוב יותר לערך האופטימאלי ות לסריקה על הרכיבים הן:האופצי



שניות. 272הוא והזמן שלקח לתוכנה לסיים את הסריקה nA67.83עוצמת הקרן בסיום הסריקה היא

:17מדידה , ובדקתי כיצד שינוי כיווני הסריקה ישנה את עוצמת הקרן שמתקבלת 14של מדידה ממדידה זה והלאה, עבדתי בתנאים

בסוף הסריקה. להלן כיווני הסריקה:




מסיט אופקי

יב שסורקים עליורכ Einzel עדשת לולאה מספר



3 לסרוק לא לסרוק לסרוק לא לסרוק לסרוק

4 לא לסרוק לא לסרוק לא לסרוק לסרוק לא לסרוק



מסיט אופקי




3 לסרוק לא לסרוק לסרוק לסרוק לסרוק




מסיט אופקי


1 לסרוק רוקלס לסרוק לא לסרוק לא לסרוק


3 לסרוק לא לסרוק לסרוק לסרוק לסרוק




מסיט אופקי


+ + + - + 1

+ - + + - 2

- + + - + 3

- - - + + 4

33

:18מדידה להלן כיווני הסריקה:










מסיט אופקי


+ + - - + 1

+ - - + + 2

- + + - + 3

- - - + + 4



מסיט אופקי


+ - - - + 1

+ - + - - 2

- + - - + 3

- - - + + 4



מסיט אופקי


+ - - - + 1

+ - - + - 2

- + - - + 3

- - - + + 4



מסיט אופקי


- - + + + 1

+ - + + + 2

+ + + - + 3

- - - - - 4

34

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 250

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

מדידה מספר


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25250

300

350

400

450

500

550

600

650

מדידה מספר

(sec) זמן סריקה


ת.שניו 441והזמן שלקח לתוכנה לסיים את הסריקה הוא nA003.197עוצמת הקרן בסיום הסריקה היא .1-22שבהם מרוכזות תוצאות המדידות 4.2.2-ו 4.2.1מצורפים להלן הגרפים

לסיכום הסעיף: הוא ארבע. האופציות לסריקה על הרכיבים הן: Focus FC 4 -מספר הלולאות האופטימאלי ב

הרגישויות האופטימאליות הן:

עדשת לודרופוקו


מסיט אופקי


+ - + - + 1

+ - + - + 2

- + - - + 3

- - - + + 4



מסיט אופקי





4 לא לסרוק לא לסרוק לא לסרוק לסרוק לא לסרוק

מסיט אנכי מגנט עדשת קוודרופול

מסיט אופקי


0.2 20 0.3 0.3 0.2 1

0.15 15 0.23 0.25 0.15 2

0.1 10 0.2 0.2 0.1 3

0.05 5 0.2 0.2 0.05 4

זמן הסריקה כפונקציה של מספר המדידה. -4.2.1גרף עוצמת הקרן כפונקציה של מספר המדידה -4.2.2גרף

35

והמסקנות הנובעות מהן : דיון בתוצאות האופטימיזציה5פרק :Focus FC 2אופטימיזציה על .1

ל לומר כי השינויים שביצעתי היו יעילים ואכן תרמו לקיצור זמן הסריקה על , אני יכו4.1.2- ו 4.1.1ממבט בגרפים הרכיבים במערכת בצורה משמעותית.

הוא בין רבע FC 2-, על הרכיבים עד לFCKמשך הזמן שלוקח לבצע אופטימיזציה ידנית, ללא עזרת תוכנות מחשב כמו האם - שנייה וצריך לעקוב אחרי מגמת השינוייםלשעה, מאחר וקריאות הפיקואמפרמטר משתנות כמה פעמים בשעה

עוצמת הקרן יורדת או עולה. עשרה שניות וקיבלה את העוצמה הטובה ביותר, -לעומת זאת, התוכנה ביצעה את הסריקה בזמן של שתי דקות וארבע

ואיכותי של עוצמה כפונקציה של הזמן, מתקבלת תוכנה שמאפשרת ביצוע יעיל - FCKובצירוף עם מנגנון התצוגה של האופטימיזציה.

:Focus FC 4אופטימיזציה על .2

אני יכול לומר שהשינויים שביצעתי עזרו לתוכנה למצוא את המקסימום בצורה יעילה 4.2.2- ו 4.2.1ממבט בגרפים ומהירה יותר מסריקה ידנית, שעלולה להמשך עד ארבע שעות.

שבו זמן הסריקה היה הקצר 11היו יעילים במיוחד, עד למדידה אני יכול לומר, שהשינויים שבוצעו בתוכנה 4.2.1מגרף .10ביותר, אך עוצמת הקרן הייתה נמוכה בהשוואה למדידה

זמן הסריקה התארך. זאת ניתן לומר גם על 16-18התרחשה עלייה בעוצמת הקרן, למרות שבמדידות 16החל ממדידה השתפרה. , שבהם זמן הסריקה התארך ועוצמת הקרן 20-22המדידות

זמן הסריקה גדל, אך -יהישנה מגמת עלי 16-22במגמת ירידה, אף במדידות 4.2.1גרף 15ניתן לראות, שעד למדידה גדלה.עוצמת הקרן

36

: המלצות לנושאי חקר נוספים בעקבות העבודה6פרק

מרות שסיימתי את העבודה שלי, נותרו דברים רבים העבודה הייתה מאתגרת, ולעיתים קשה, אך הצלחתי לבצע אותה. ל שאפשר לשפר ולתקן במערכת ובתוכנות האופטימיזציה השונות.

). האופציה היחידה FC 4-ל FC 2-(מ FC-אחד מהדברים הללו הוא, שבהרצת התוכנה הסופית צריך להחליף את הלמסלול. ניתן לקצר את משך FC 4יס את ממסלול הקרן ולהכנ FC 2להוציא את -שקיימת היא להחליף אותם ידנית

הזמן שדרוש להחלפת הגלאים בעזרת מכשיר, שיחליף אותם אוטומאטית ויופעל בעזרת תוכנת מחשב. לאחר ההתקנה וההפעלה של המכשיר והתוכנה שלו, ניתן להוסיף אותה לתוכנת האופטימיזציה, כך שמשתמש יוכל להחליף את הגלאים

בלחיצת כפתור.

, על בסיס תוכנת האופטימיזציה שנכתבה במהלך העבודה, שבעזרתה יהיה ניתן ללכוד יונים תוב תוכנית נוספתניתן לכ ).Multi Channel Plateשל הקרן האופטימאלית במלכודת היונים בעזרת גלאי יונים שנמצא אחרי המלכודת (

37

: סיכום7פרק ק בכתיבת תוכנות אופטימיזציה לקרן היונים במעבדת הפיזיקה המולקולארית במכון וייצמן, ייעלתי בעבודתי לקחתי חל

אותן, כך שזמן ההרצה שלהן יהיה קצר ככל האפשר ומצאתי את תנאי העבודה האופטימאליים עם מקור היונים.נים. מטרה נוספת, חשובה לא המטרה של העבודה הייתה לכתוב תוכנה שתבצע בלחיצת כפתור אופטימיזציה לקרן היו

פחות הייתה לייעל אותה, כך שהיא תמצא את עוצמת הקרן המקסימאלית בזמן קצר ככל האפשר.שבו כלולים הכנסת -, ואכן יש לה ממשק נוח ופשוט3.10התוכנה הסופית מוצגת בסעיף - אני יכול לומר שהצלחתי

חושי המתחים האופטימאליים, סוג היון ומסתו. התוכנה הפרמטרים שמשפיעים על עוצמת הקרן וכיוונה, ביניהם נימבצעת אופטימיזציה בזמן הקצר ביותר האפשרי, תוך שמירה על עוצמת קרן גבוהה שדרושה לביצוע מוצלח של מדידות

שונות. כתי אחד השלבים הראשונים בעבודתי היה למצוא את תנאי העבודה האופטימאליים על מקור היונים. לצורך ביצועו, ער

, וטווח KV2.4מתח ההאצה האופטימאלי הוא -מדידות בהן מצאתי את הזרמים, המתחים והטמפרטורות האופטימאליות

CTCהטמפרטורות של כוסית הצזיום בו לקרן יש מקסימום הוא Optimal °<<° . הזרם האופטימאלי על המיינן 270250

.A15הוא ל התוכנות רשומים מטה.תנאי ההרצה האופטימאליים ש

Focus FC 2 הוא שלוש. האופציות לסריקה על הרכיבים הן: Focus FC 2מספר הלולאות האופטימאלי בסריקה עם

והרגישויות האופטימאליות הן:

Focus FC 4 כיבים הן כרשום מטה:האופציות לסריקה על הר ארבע. הוא Focus FC 4מספר הלולאות האופטימאלי בסריקה עם

-הרגישויות האופטימאליות הן





0.2 0.4 0.4 1 0.1 0.3 0.3 2

0.05 0.25 0.25 3 0.05 0.2 0.2 4



מסיט אופקי





4 לסרוקלא לא לסרוק לא לסרוק לסרוק לא לסרוק



מסיט אופקי


0.2 20 0.3 0.3 0.2 1

0.15 15 0.23 0.25 0.15 2

0.1 10 0.2 0.2 0.1 3

0.05 5 0.2 0.2 0.05 4

38

ביבליוגרפיה

.http://en.wikipedia.org -, ובאנגליתhttp://he.wikipedia.org :יקיפדיה בעברית היאהכתובת של וו ]1 [Labviewוויקיפדיה באנגלית , /http://www.ni.com/labviewמתוך אתר החברה: Labview] מידע על 2[]3 [Matlabוויקיפדיה באנגלית , /http://www.mathworks.com/products/pfoמתוך אתר החברה: Matlab] מידע על 4[ ] חוק קולון, וויקיפדיה בעברית5[ חוק לורנץ, וויקיפדיה בעברית] 6[ התפלגות נורמאלית, וויקיפדיה בעברית] 7[ ] אופטימיזציה, וויקיפדיה בעברית8[]9 [Sputter Source Instruction Manual / General Ionex Corporation (1985) יה בעברית] אלומיניום, וויקיפד10[

39

d4-25.5

0

"QCFY"

1

False

50

voltage readoutmain input

96

0.06

0.98558

-0.0067083

"QCFY"

8000

time to tune voltage

|Vin-Vout|

tolerance

could notlock on voltage within tolerance

5

0

wait till voltage is locked?

Vin

scan element

error in

error out

נספחים שנכתבו במהלך העבודה Labview-התוכנות בפירוט טכני של : 1נספח

Tune Front Panel:

Block Diagram

40

Tune.vi

41

Scan Front Panel

Block Diagram

42

Scan.vi

43

Surf Front Panel

Block Diagram:

44

Focus FC 2 Front Panel:

Block Diagram:

45

Focus FC 4 Front Panel

Block Diagram

46

Focus FC4.vi

47

Find Optimal Point Front panel:

Block Diagram:

Documents

עבודת גמר בפיזיקה