Primjena pozicijsko osjetljivih PIN dioda u EBS spekrometriji

master's thesis

• Title (english): Application of position sensitive PIN diodes in Elastic Backscattering Spectrometry
• Author: Marko Brajković
• Mentor: Zdravko Siketić (mentor)
• Mentor: Petar Žugec (mentor)
• Committee member: Petar Žugec (predsjednik povjerenstva)
• Committee member: Zdravko Siketić (član povjerenstva)
• Committee member: Nils Paar (član povjerenstva)
• Committee member: Mihael Makek (član povjerenstva)
• Committee member: Tomislav Marketin (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Science; (Department of Physics); Zagreb
• Defense date and country: 2018-06-26, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: NATURAL SCIENCES; Physics

Abstract

Elastična raspršenja u stražnje i prednje kutove (eng. Elastic Backscattering Spectrometry (EBS) and Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA)) su jedne od najkorištenijih metoda za dubinsko elementarno profiliranje uzoraka, a baziraju se na intrakciji brzih MeV-skih iona s jezgrama atoma mete. Detektori su u ovim metodama tipično postavljeni daleko od mete, čime se pokriva mali prostorni kut i tako reduciraju kinematički efekti. Posljedica malog prostornog kuta pokrivenog energijskim detektorom je dugo vrijeme prikupljanja zadovoljavajuće statistike u spektrima te moguće oštećenje uzorka ionskim snopom. Kako bi se minimizirali spomenuti neželjeni efekti, energijski detektor treba se postaviti blizu analiziranog uzorka, no time kut raspršenja više nije precizno definiran, što utječe na pogoršanje energijske, a samim time i dubinske razlučivosti metode. Jedno od rješenja navedenih problema je zamjena konvencionalnog energijskog detektora pozicijsko osjetljivim, koji uz energiju ima mogućnost bilježiti i poziciju detektiranog iona. U ovom radu istražena je potencijalna primjena 2D pozicijsko osjetljive PIN diode (Hamamatsu S2044) za EBS i ERDA mjerenja u konfiguraciji gdje je detektor smješten jako blizu uzorka. Najprije je napravljena karakterizacija 2D PIN diode (određena energijska (125 keV) i prostorna razlučivost (120 μm)). Nakon toga, koristeći spomenutu diodu izmjereni su energijski spektri za više kombinacija snopova i meta u širokom rasponu kutova raspršenja: raspršenje snopova 16O3+ energije 5:0625 MeV i 16O4+ energije 9 MeV na 10 nm 197Au u stražnje kutove te raspršenje snopa 16O4+ energije 9 MeV na C foliji debljine 20 μg/cm2 i raspršenje 12C3+ energije 10 MeV na istoj foliji u prednje kutove. Za svako od mjerenja, rezultirajući prošireni energijski spektar je suma spektara koji odgovaraju različitim prostornim kutovima i kutovima raspršenja. Upotrebom teorijskih formula za kinematičke faktore i udarne presjeke rutherfordskog i Mottovog raspršenja te poznavanjem energije i kuta raspršenja svih detektiranih iona, napravljena je jednostavna korekcija izmjerenih spektara na dobro definirani prostorni kut i kut raspršenja, čime je širina energijskih spektara svedena na energijsku razlučivost detektora (do na mala odstupanja koja su posljedica nedovoljno dobre geometrijske kalibracije eksperimentalnog postava).

Abstract (english)

Elastic Backscattering Spectrometry (EBS) including Forward Scattering (FS) and Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA) are the most commonly used Ion Beam Analysis (IBA) techniques for depth profiling of elements in different types of samples. They are based on the interaction of fast MeV ions with the target atom nuclei. Typically, detectors used in EBS and ERDA are placed far from the target covering small solid angles to reduce kinematic effects. As a result of small detector solid angle, a long collection time is often required to obtain sufficiently good statistics, possibly causing ion beam damaging of the sample. In order to overcome these problems, energy detector could be placed close to the measured sample, causing worsening of energy/depth resolution due to the ill-defined scattering angle. Problem can be reduced by using a 2D position sensitive energy detector which measures, beside the energy, position of the scattered ion. In present work, we have investigated application of the 2D Hamamatsu S2044 PIN diode for EBS and ERDA by placing detector very close to the target covering large solid angle. First, the energy (125 keV) and position resolution (120 μm) of the diode were determined. After that, using the above-mentioned diode energy spectra for different beam-target combinations in the wide range of scattering angles were measured: backscattering of 5:0625 MeV 16O3+ and 9 MeV 16O4+ on 10 nm 197Au target, forward scattering of 9 MeV 16O4+ on 20 μg/cm2 carbon foil and forward scattering of 10 MeV 12C3+ on the same foil. For each measurement, the resulting widened energy spectrum was the sum of the spectra corresponding to different solid and scattering angles. Using theoretical formulas for kinematic factors as well as Rutherford and Mott scattering cross sections, and knowing the energy and scattering angle of all detected ions, a simple correction of measured spectra on well-defined solid and scattering angles was made. With this correction the width of the energy spectra was reduced to the level of detector’s energy resolution (small deviations are consequence of insufficiently good geometric calibration of the experimental setup).

• Keywords: EBS; ERDA; pozicijsko osjetljivi detektor; kinematička korekcija
• Keywords (english): EBS; ERDA; position sensitive detector; kinematic correction
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:217:489651
• Study programme: Title: Physics; specializations in: Research; Course: Research; Study programme type: university; Study level: integrated undergraduate and graduate; Academic / professional title: magistar/magistra fizike (magistar/magistra fizike)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2018-07-17 11:47:43