Simulation and design of the ion guide system for the MARA Low-Energy Branch

Abstract

MARAn alhaisen energian haara on kehitteillä oleva uusi mittauslaitteisto Jyväskylän yliopiston Kiihdytinlaboratorion MARA-massaseparaattorille. Tässä työssä suunniteltiin ja simuloitiin ioniohjain MARAn alhaisen energian haaralle SIMION-ohjelmistolla. Ioniohjaimen tehtävä on kuljettaa ionit MARAn polttotasolla sijaitsevalta kaasukammiolta kohti dipolimagneettia radiotaajuisilla kvadrupoleilla ja Einzel-linssisysteemillä. Dipolimagneetilla ionit massaseparoidaan ja ohjataan kohti mittauslaitteistoja. SIMION simuloi oletuksena ionien lentoratoja tyhjiössä, minkä takia simulointiohjelmaan toteutettiin ionien ja kaasuatomien törmäyksiä simuloivat mallit. Erityisesti ioniohjaimen alussa kaasun paine tulee olemaan niin suuri, että se vaikuttaa ionien lentoratoihin. 94Ag+1 ioneja simuloitiin sekä helium ja argon taustakaasuille. Tässä työssä esitetyn ioniohjaimen havaittiin saavuttavan yli 80% läpäisytehokkuuden molemmilla taustakaasuilla ja ionisuihkun avaruudellista hajontaa voitiin hallita kiihdytinoptiikan jännitteillä.

The ion guide system for the MARA low-energy branch, which is a new facility developed for the mass separator MARA at the Accelerator Laboratory of the University of Jyväskylä, was designed and simulated with SIMION in this work. The purpose of the ion guide system is to transport the ions from the gas cell at the MARA focal plane towards a dipole magnet by using radio frequency quadrupoles and an einzel lens system. At the dipole magnet the ions will be mass separated and transported to the experimental stations. Ion-gas collision models and gas temperature, pressure and velocity were implemented in the simulation program in order to simulate the ion guide system accurately because SIMION inherently simulates ion trajectories in vacuum and the pressure inside the ion guide system, especially the first part of it, is going to be significant. Simulations were performed for 94Ag+1 ions and for both helium and argon buffer gasses. It was found that the ion guide system design of this work should provide a transmission efficiency above 80% for both background gasses and that the spatial spread of the ion beam at the end of the ion guide system can be controlled via the voltages of the accelerating optics.