بخش تحقيقات فيزيك اتمي وملكولي با توجه به امكانات و تجهيزات يكي از پيشرفته‌ترين مراكز تحقيقاتي كشوراست كه بخشي از فعاليت‌هاي آن شامل تحقيق در زمينه كاربرد فيزيك پلاسما و فيوژن مي‌باشد.
توكامك IR- T1
توكامك IR- T1 در سال 1373 به منظور پيشبرد تحقيقات و مطالعات پيشرفته در زمينه فيزيك پلاسما (پلاسماي داغ) و همجوشي هسته‌اي در اين مركز نصب و راه اندازي گرديد.
توكامك IR-T1 در زمره توكامك‌هاي كوچك و با راندمان بالاي جهان محسوب مي‌شود. اين سيستم، جهت اندازه‌گيري وتشخيص پارامترهاي پلاسما داراي دستگاه‌هاي تشخيصي حساس مانند طيف نگار تك كاناله در بازه طول موج نور مرئي، سيستم پنج كاناله پخش سيكلوتروني الكترون، گيرنده‌هاي اشعه ايكس، ليزر تك كاناله هيدروسيانيد، پيچه‌هاي مغناطيسي ميرنوف و پروب دوبل لانگموير مي‌باشد.
اين توكامك از نوع ترانسفورمري بدون غشاي هادي و سيستم منحرف كننده ناخالصي هاست. مساحت، ارتفاع و وزن آن به ترتيب 6/1 متر مربع، 5/2 متر و 7/2 تن مي‌باشد. توكامك فوق از پنج سيستم اصلي زير تشكيل يافته است:
1- پيچه‌هاي ميدان مغناطيسي تروئيدال: شامل 16 پيچه كه هر كدام 20 دور دارد.
2- پيچه هاي سيستم گرمايي اهمي: شامل پنج پيچه كه چهار تاي آن داراي 4،6،6،4 دور و ديگري سلونوئيد مركزي كه داراي 240 دور است و محور اصلي توكامك را نيز تشكيل مي دهد.
3- پيچه‌هاي ميدان مغناطيسي عمودي: شامل 4 پيچه است كه دو تاي آن در بالا و پايين توكامك و دوتاي ديگر در غلاف سلونوئيد مركزي قرار دارند.
4- چمبره خلاء: اين محفظه از جنس Stainless Steel با آلياژ كروم ساخته شده، قطر داخلي آن 00/32 سانتي متر و ضخامت آن 40/0 سانتي متر است.

5- ساختار نگه دارنده توكامك: ميزي كه كليه اجزاي اصلي توكامك بر روي آن محكم شده است از جنس پشم شيشه فشرده و چوب مي‌باشد، اتصالات از نوع فلز مس بدون اكسيژن (OFC) و حلقه‌هاي اتصالي از نوع Vition. است . پارامترهاي اصلي اين توكامك به قرار زير است:
R=45.00cm, a=12.50cm, IP=20-40 KA
Td = 18-26ms, B t = 0.6-0.9 Tesla,
V loop = 2.6-8V, n e =0.7-3 × 1013 1/cm3, Z eff < 2

شاخه فيزيك حالت جامد در علم فيزيك توجه خاصي را به خود جلب كرده است و با توجه به اهميت اين شاخه از فيزيك، تحقيقات كاربردي در اين زمينه از اهداف اصلي اين واحد مي‌باشد.
از جمله تجهيزات پيشرفته موجود در مركز تحقيقات فيزيك پلاسما در اين زمينه مي‌توان به موارد ذيل اشاره كرد:
1- دستگاه كاشت يون و شتابدهنده پلاسما(Ion Implanter and Plasma Accelerator)
مطالعه اثر كاشت بون‌هاي مختلف در سطح جامدات( فلزات، نيمه هاديها و ....) تأثير آن در تغيير خصوصيات فيزيكي آنها از برنامه‌هاي اين مركز مي‌باشد. همچنين در اين مركز امكانات كاشت يوني براي تغييرات سطحي و فرآيندهاي مؤثر بر لايه كاشته شده از جمله سخت كردن، ايجاد آلياژهايي كه از فازهاي متالوژيكي (nonequilibrium Phase غير قابل ايجاد به روش‌هاي معمول حرارتي، ايجاد تنوع در يون‌هاي كاشته شده براي افزايش ويژگي‌هاي مكانيكي، الكتريكي، حرارتي و خوردگي فلزات و سراميك‌ها مورد تجزيه و تحليل قرار مي‌گيرد. مشخصات كاشت يوني اين مركز به قرار زير مي‌باشد.
گازهاي مورد استفاده Ar, N2,O2,Co2
جريان كل شتاب دهنده يون‌ها 5-25mA
انرژي كاشت يوني 30KV
ابعاد پوششي پرتو يوني 110 20mm2
قدرت 25KW
يكي از اهداف در دست انجام مركز ارتقاء دستگاه موجود و استفاده از گستره وسيعتري از يونها و انرژي‌هاي بالاتر مي‌باشد.

2- اسپكترومتري جرمي يون ثانويه (Secondary Ion Mass Spectrometry) SIMS
اسپكترومتري جرمي يون ثانويه(SIMS) از پيشرفته ترين و توانمندترين تكنيكهاي آناليز سطح موجود در جهان مي‌باشد. با وجود چنين دستگاهي در مركز تحقيقات فيزيك، محققين كشورمان براي اولين بار در خاورميانه از امتياز دسترسي به پيشرفته ترين دستگاه آناليز سطح برخوردار خواهند بود.
در دنياي امروز رفتار سطح مواد در زندگي ما بسيار مهم است و زمينه‌هاي وسيعي در تكنولوژي مواد وجود دارد كه از تكنيكهاي آناليز سطح هم در تحقيقات وهم در كنترل كيفيت سود مي‌جويند. طي سالهاي تكنيكهاي بسياري براي جنبه‌هاي مختلف فيزيك و شيمي سطح ايجاد شده ولي تنها تعداد كمي از آنها در علم سطح و آناليز سطح مورد استفاده وسيع قرار گرفته‌اند.

نمايي از دستگاه SIMS به دليل ماهيت طيف جرمي داده‌ها، بسيار توانمند است. حساسيت بسيار بالاي آن، تشخيص يک اتم ناخالصي در ميان يک ميليارد اتم، ppb، يا در ميان يک ميليون اتمppm و تفکيک عمق خوب ( معمولاً بين چند نانومتر تا چند ده نانومتر) اين تکنيک را براي دانشمندان جذاب ساخته است . همچنين SIMS يک آميزه منحصر بفرد از حساسيت بالا براي تمام عناصر، از هيدروژن گرفته تا اورانيوم(با حد آشکارسازي پايين‌تر از ppm باي اکثر آنها)، تفکيکي عرضي بالا (پايين‌تر ازnm100) پارازيت زمينه خيلي کم و گستره ديناميکي بالا را فراهم مي‌کند و به همين دليل در تحقيقات پيشرفته مواد کاربرد بسيار دارد. SIMS عبارت از اسپکترومتري ذرات يونيزه‌اي است ه از يک سطح معمولاً جامد، که تحت بمباران ذرات اوليه پر انرژي قرار گرفته‌اند، منتشر مي‌شوند. ذرات اوليه ممکن است الکترونها، يونها، ذرات خنثي يا فوتونها باشند و ذرات ثانويه، الکترونها، ذرات خنثي، يا يونهاي اتمي وخوشه‌اي خواهند بود. اکثريت ذرات منتشر شده خنثي، و تنها کسر کوچکي از آنها يونيزه هستند که توسط اسپکترومتري جرمي آشکار سازي و آناليز مي‌شوند و اطلاعاتي در مورد ترکيب عنصري، ايزوتوپي و مولکولي بالاترين لايه‌هاي اتمي سطح مي‌دهند.

دستگاه SIMS موجود درمرکز تحقيقات فيزيک مدل IMS6F و از نوع قطاع مغناطيسي (Magnetic Sector) مي‌باشد. اين وسيله داراي قطاع مغناطيسي کاملاً اتوماتيک است که کارايي خيلي بالايي را در مد ديناميک و مد استاتيک فراهم مي‌کند و به عبارت ديگر ترکيب کننده تواناييهاي دو مد عمل ميکروسکوپي و ميکروپروبي است. مد ميکروسکوپي بدين معني است که شبيه ميکروسکوپ نوري کار مي‌کند و مد ميکروپروب شبيه SEM است. مد ميکروسکوپي براي آناليز سطوح بزرگ با گستره تفکيک 0.5 تا 10 ميکرومتر استفاده مي‌شود و براي تفکيک عرضي بهتر از m 0.5 مي‌توان از مد ميکروپروبي استفاده کرد.
کاربردهاي تکنيکSIMS:
بعضي از زمينه هاي کاربرد SIMS عبارتند از : نيمه رساناها، علم مواد، زمين شناسي، متالوژي، مواد آلي و ....
نيمه رساناها: در سالهاي اخير پيشرفته سريع ميکروالکترونيک نياز به قطعات با کارايي بالاتر داشته و اين جريان همچنان ادامه دارد. براي موفقيت در اين زمينه، فرآيند توليد چنين قطعاتي نياز به کنترل پارامترهاي کليدي مانند ترکيب بالک، توزيع ناخالصي وارد شده در سطح و عمق، تميزي سطح ويفرها و ... در مراحل مختلف دارد .براي تمام اين نيازهاي آناليزي SIMS ابزاري توانمند است. براي مثال کنترل توزيع As در عمق در مساحتهايي به کوچکي m2 1 با حد آشکار سازي در محدود 1-10ppm، قابل انجام است . همچنين کاربرد ديگر اين دستگاه در زمينه آناليز لايه‌هاي نازک مي‌باشد که نياز به تواناييهاي تفکيک بالاي SIMS دارد..

توزيع آرسينيک روي سطح نمونه ترانزيستور 30*30 ميکرومتر در مدار مجتمع (IC)
علم مواد: قابليتهاي آناليز ايزوتوپيSIMS بطور وسيعي براي بررسي فرآيندهاي نفوذ در مواد بوسيلة يک منبع ديفيوژن غني شده با يک ايزوتوپ پايدار داراي فراواني طبيعي پايين ( براي مثال 18O,13C,D و ...) استفاده مي‌شود . بعلاوه حساسيت بالاي ترکيب شده بااندازه زير ميکرون پروب، بررسي توزيع عنصري بسيار کوچک در مساحت‌هاي کم مانند مرزدانه‌ها و فصل مشترک را به منظور فهم بهتر از خواص مواد مرکب فراهم مي‌کند.

دانه الماس مصنوعي رشد داده شده روي زير ليه موليبدنيوم
زمين شناسي: ويژگيهاي مهم تکنيک SIMS در زمين شناسي عبارتند از:
• آناليز عنصر سبک (شامل H)
• آناليز عنصر ناچيز در نمونه ( گستره غلظت پايين تا کمتر ازppm 100 و غلظت بالا تا دهم درصد)
• آناليز ايزوتوپي
• پروفايل‌گيري در عمق و تصوير‌گيري
• آناليز در مقياس ميکرون( حجم چند ميکرومتر مکعب)
• آناليز در حال کار
• راحتي تهيه نمونه
زمينه‌هاي کاربرد SIMS در زمين شناسي عبارتند از:
الف)زئوشيمي ب) کرونولوژي
متالوژي: پروفايل‌گيري و تصويرگيري کاربردهاي اصلي SIMS در متالوژي هستند. مد تصويرگيري مي‌تواند براي توزيع عناصر سبک(C,O,N,B,H) با حساسيت بالا ومد پروفايل‌گيري عمق، جهت مشخص کردن رفتار سطح مواد استفاده شود.

نحوه توزيع و نفوذ zn در ساختار چند ليه

SIMS ديناميک بطور وسيعي براي آناليز در عمق، بالک يا تعيين توزيع عناصر با غلظت پايين استفاده مي‌شود گذردهي بالا و درخشندگي زياد منابع يون اکسيژن و سزيم امکان مي‌دهد تا به حد نهايي آشکار سازي دست يابيم.

SIMS استاتيک براي آناليز تک لايه، ساختار شيميايي، و آناليز کمي مواد آلي بکار مي‌رود. اين کار با چگالي جريان خيلي پايين باريکه يوني اوليه انجام مي‌شود.IMS 6F بطور موفقيت ميزي براي آزمايشهاي SIMS استاتيک بدليل قابليت ارسال دز يون اوليه پايين و گذردهي بالاي سيستم اپتيکي استفاده مي‌شود.

مشکل هميشگي آناليز عايقها باردار شدن سطح آنها در اثر بمباران ذرات باردار جهت آناليز بوده است. تفنگ الکتروني در IMS 6 F نزديک سطح نمونه يک ابر الکتروني با انرژي خيلي پايين توليد مي‌کند و بار ايجاد شده روي سطح را خنثي مي‌نمايد تا آناليز عايقها به خوبي ممکن شود.

در ميکروسکوپ يوني IMS 6F يک باريکه يوني اوليه پهن به سطح نمونه مي‌تابد، يونهاي ثانويه از تمام نقاط تحت تابش باريکه منتشر و سپس بطور همزمان پس از عبور از فيلتر جرمي جمع‌آوري و نمايش داده مي‌شود و تفکيکهاي عرضي زير ميکرون قابل دسترس خواهند شد. بعضي از مزاياي تصويرگيري يوني عبارتند از:

• تفکيک عرضي تصوير مستقل از قطر باريکه اوليه
 سطح بزرگ، ميرکوگرافهاي با حساسيت ترکيبي بالا( تا مرتبهppm)
• راحتي تعيين موقعيت ناحيه مورد نظر جهت آناليز
• پروفايل‌گيري سريع عمق
• تشخيص راحت هم خطي صحيح سيستم اپتيکي

در ميکروپروب يوني، يک باريکه يوني اوليه متمرکز شده، سطح نمونه را جاروب مي‌کند. يونهاي ثانويه به ترتيب جمع‌آوري مي‌شوند، سپس سيگنال به CRT مدوله مي‌شود و جاروب کردن CRT با جاروب کردن باريکه هماهنگ مي‌شود. بنابراين مزيت آن دارا بودن حساسيت آناليزي بالا روي سطوح خيلي کوچک است.

اسپکترومتر کانوني کننده دوگانه، بطور ويژه طراحي مي‌شود تا در هر مد ميکروسکوپي وميکروپروبي به خوبي عمل کند.

شکل: جامدات بلوري يا غير بلوري، جامدات با سطح تغيير يافته، زير لايه‌ها با لايه نازک نشانده شده روي آنها، و سطوح مسطح و هموار مورد قبولند. پودرها بايد درون ورقه فلزي نرم(براي مثال اينديم) پرس يا بصورت قرص فشرده شوند.

اندازه: متغير اما نوعاً1cm × 1cm × 1mm

تهيه نمونه: انجام کار قبلي روي نمونه براي هيچ يک از آناليزهاي سطح يا عمق لازم نيست. پوليش کردن تنها در آناليز ميکروساختاري يا عنصري لازم است.

زمان تخميني آناليز: يک يا چند ساعت براي هر نمونه