[보고서]가속된 이온분자의 충돌과정에서 생성되는 다양한 파편이온들의 동시검출방법 개발

김현

[국가R&D연구보고서] 가속된 이온분자의 충돌과정에서 생성되는 다양한 파편이온들의 동시검출방법 개발
A study of coincidence detection of various fragment ions produced from the collision of accelerated molecular ion 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	충남대학교 Chungnam National University
연구책임자	김현
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2022-06
과제시작연도	2022
주관부처	교육부 Ministry of Education
연구관리전문기관	한국연구재단 National Research Foundation of Korea
등록번호	TRKO202300006879
과제고유번호	1345352373
사업명	개인기초연구(교육부)
DB 구축일자	2023-09-19
키워드	이온.충돌.이온 쌍.비행시간.동시검출.ion.collision.ion pair.time-of-flight.coincidence detection.

초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
1. 가속된 이온분자의 충돌로 생성되는 ion pair 존재를 확인
2. 정량적 충돌 단면적 측정

◼ 전체 내용
우리가 개발한 time-of-flight (TOF) 방법을 이용한 이온빔과 원자의 충돌실험 장치는 두 종류의 파편 이온을 동시에 검출할 수 있다. 4 keV로 가속한 CH₂⁺와 He 충돌실험을 하여 충돌과정에서 생기는 ion pair channel의 존재를 확인하려함. 충돌 범위를 확장하여 다양한 이온들과 다양한 원자들과의 충돌, 이온과 전자의 충돌, 이온과 빛 등의 충돌실험으로 그 연구영역을 확장하려 한다. 다양한 충돌실험에서 생성되는 다양한 ion pair channel의 존재를 확인하려 한다. 충돌실험의 궁극적 목표인 정량적 충돌 단면적 측정을 이루려 한다. 이 실험이 우리나라 원자 및 분자 물리학과 플라즈마 산업의 부흥을 이룩하는 작은 출발점이 되기를 소원한다. 그리고 원자 및 분자이온의 충돌동역학을 이해하려는 많은 과학자에게 자료를 제공하기를 원한다.

□ 연구개발성과
지금까지 가속된 탄화수소이온 충돌실험에서는 한 종류의 파편 이온만 검출하였으므로 두 개의 파편 이온이 동시에 생성되는 ion pair channel은 구별할 수 없었음. time-of-flight (TOF) 방법을 이용하여 가속된 이온이 원자와 충돌할 때 두 개의 이온으로 쪼개지는 ion pair를 최초로 검출함.
충돌 대상을 확장하여 여러 탄화수소이온(CH⁺, CH₂⁺, CH₃⁺)과 다양한 원자(He, Ne,Ar, Kr)에 대하여 ion pair 검출 실험함. 이온화 에너지가 상대적으로 높은 He(24.59eV)과 Ne(21.56 eV)의 충돌에서는 ion pair 존재확인. 이온화 에너지가 낮은 Ar(15.76 eV)과 Kr(14.00 eV) 충돌에서는 ion pair가 존재하지 않음을 확인함. 가속된 탄화수소이온과 rare gas (He, Ne, Ar, Kr) 충돌에서 충돌 원자의 이온화 에너지가 ion pair channel 생성과 관련이 있음을 밝혀냄. 이온화 에너지가 낮은 Ar과 Kr의 충돌에서는 가벼운 파편 이온 (H⁺, H₂⁺)의 발생률이 상대적으로 낮아서 ion pair가 생성되지 못함. 탄화수소이온과 수소분자의 충돌에서 ion pair channel의 존재확인(매우 작은 TOF spectrum peak 관찰).
이온과 전자의 충돌실험은 e-gun noise로 인하여 성공하지 못함.
ion source(Duoplasmatron source, NEC사, 미국)에서 탄화수소이온을 안정적으로 발생시킴. (안정적인 이온빔은 정량적 충돌 단면적 측정에 중요, Kr과 CH₄ gas를 10:1 비율로 혼합하여 ion source에 주입함)

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
최초로 검출된 ion pair channel 자료는 이온충돌 동역학을 해석하고 이해하는데 중요한 역할을 함. 토카막 내부의 플라즈마의 거동을 이해하는 데 도움. 본 연구 결과를 토대로 가속이온의 충돌 대상을 원자에서 분자로 확장할 수 있음. 원자에서는 볼 수 없었던 새로운 현상들도 발견할 수 있을 것을 기대함. 이온과 이온의 충돌로 연구영역을 확장하면 핵융합연구에 도움을 줄 것. 우리는 차기 연구로 이온과 이온의 충돌실험을 진행할 것임. 본 연구의 최종 목표인 이온의 정량적 충돌 단면적 측정이 이루어지면 이온 및 플라즈마 연구자들에게 소중한 기준자를 제공할 것임.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

표지 ... 1
요 약 문 ... 2
목차 ... 3
1. 연구개발과제의 개요 ... 4
2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 6
1) 연구수행 결과 ... 6
4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 25
5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 26
6. 참고문헌 ... 26
끝페이지 ... 27

표/그림 (13)

표 이온충돌실험 전체 개요
표 Schematic overview of the collision chamber
표 Collision Chamber속에 설치된 가벼운 이온 검출기
표 Electric schematic diagram of the ion-ion coincidence TOF method
표 NIM BIN module들로 구성한 신호 처리부
표 The ion-ion coincidence TOF spectrum for production of C+ fragment ion. Measurement was accomplished at a analyzing magnet current of 6.789 A. The acquisition time was 6 h 50 min. The operating pressure was kept constant during the collision experiment at a appropriate pressure of 5.0×10-8 Torr. The average CH2 + parent ion beam current of the ion source was 28.5 nA
표 The ion-ion coincidence TOF spectrum for production of CH+ fragment ion. Measurement was accomplished at a analyzing magnet current of 7.378 A. The acquisition time was 1 h 24 min. There is only one possible channel (H++CH+). The operating pressure was kept constant during the collision experiment at a appropriate pressure of 5.0×10-8 Torr. The average CH2 +parent ion beam current of the ion source was 12.7 nA
표 Collision Chamber 출구에서 바라본 수렴 렌즈
표 여러 ion pair channel들의 count rate 비교. 가속된 target ion의 에너지는 4 keV, He gas jet으로 인한 collision chamber의 압력은 5.0×10-8 Torr 로 유지됨
표 The ion-ion coincidence TOF spectrum of CH+ + H+ or CH+ + H2 + ion pair channel. Measurement was made at a analyzing magnet current of 7.309 A. And the acquisition time was 1 hour. The operating He pressure of the collision chamber was kept constant during the collision experiment at a appropriate pressure of 5.0´10-8 Torr. The beam current of CH3 + was 465 pA
표 검출된 ion pair channel들. 가속된 ion의 에너지는 4 keV 이다. 원자는 gas jet으로 ion beam과 충돌함. ○는 ion pair channel의 존재를 의미하며, ×는 존재하지 않음을 의미함
표 The ion-ion coincidence TOF spectrum of CH2 + + H+ ion pair channel produced by collision of Ne and CH3 +. Measurement was made at a analyzing magnet current of 7.716 A. The acquisition time was 20 min. The operating Ne pressure of the collision chamber was kept constant during the collision experiment at a appropriate pressure of 6.1´10-8 Torr. The ion beam current of CH3 + was 325 pA
표 Collision chamber 내부 사진. noise를 줄이기 위해 전자빔이 이온빔과 90도로 교차하도록 전자총을 회전시킴. e-gun과 Faraday cup 사이에 안팎을 탄소로 코팅한 관을 설치함

참고문헌 (25)

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