Logo of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Einbeziehung der Gasströmung in der Simulation der ortsabhängigen Nachweiswahrscheinlichkeit des PTB-Nanodosimeters.

16.12.2016

Ein wesentliches Charakteristikum des in der PTB betriebenen Nanodosimeters ist die Ortsabhängigkeit der Nachweiswahrscheinlichkeit für die ionisierten Gasmoleküle des Targetgases, die im Bereich des Zielvolumens von den Primärteilchen und deren Sekundärteilchen erzeugt werden. Das Zielvolumen wird durch die räumliche Verteilung der Nachweiswahrscheinlichkeit definiert, welche ihrerseits aus einer komplexen  Wechselwirkung verschiedener Faktoren resultiert, nämlich dem Verlauf der elektrischen Feldlinien im Bereich der Extraktionsblende, den Transporteigenschaften der ionisierten Gasmoleküle im elektrischen Feld durch das neutrale Gas in der Wechselwirkungszone, und der Gasdichte und den Strömungsverhältnissen in der Umgebung der Extraktionsblende sowie den Betriebsparametern der Transportoptik und des Detektors für die ionisierten Gasmoleküle.

Diese Ortsabhängigkeit kann durch Simulationsrechnungen mittels des kommerziellen Programmpaketes „SIMION 8.1“ ermittelt werden. Dieses Programmpaket wurde jedoch für den Transport von geladenen Teilchen in elektrischen Feldern im materiefreien Raum entwickelt. Opens external link in new windowSIMION erlaubt allerdings die Erweiterung mit zusätzlichem, vom Anwender bereit zu stellendem Code, mit dem nicht in SIMION enthaltene Transportphänomene integriert werden können. Zur Berücksichtigung der Stoßvorgänge geladener Teilchen mit neutralen Molekülen in den Ionentransportprozessen wurde SIMION mit entsprechendem Code erweitert.

Ebenfalls nicht in SIMION enthalten ist die Simulation von Gasströmungen. Allerdings ist mit dem Softwarepaket „Virtual Device 21.1“ ein Simulationswerkzeug erhältlich, welches die Simulation von Gasströmungen in eben jener Geometrie ermöglicht, die in einem gegebenen Problem in SIMION verwendet wird, indem es diese Geometrie als Eingangsparameter benutzt. Die Einbeziehung der Gasströmungssimulationen erweitert die bisherige Berechnung der räumlichen Verteilung der Nachweiswahrscheinlichkeit für die ionisierten Gasmoleküle um eine wesentliche Einflussgröße.

Bild 1: Bildschirmfoto des „Array Visualizer“ von „Virtual Device 21.1“. Das Bild zeigt die Strömungsgeschwindigkeiten im PTB-Nanodosimeter. Der grüne Bereich in der linken Bildhälfte entspricht der mit 1,2 mbar C3H8 gefüllten Wechselwirkungskammer. Am rechten Rand der Wechselwirkungskammer befindet sich auf halber Höhe des Bildes die Extraktionsblende, aus der das Targetgas in den Hochvakuumbereich strömt. Die Gasgeschwindigkeiten sind an der Farbskala am rechten Bildrand abzulesen. Die dunkelblauen Flächen kennzeichnen die Elektroden im Inneren des PTB-Nanodosimeters.