Thesis (Selection of subject)Thesis (Selection of subject)(version: 368)
Thesis details
   Login via CAS
Studium a modelováni energetických ztrát a energetického rozptylu iontů při průchodu pevnými látkami.
Thesis title in Czech: Studium a modelováni energetických ztrát a energetického rozptylu iontů při průchodu pevnými látkami.
Thesis title in English: Study and modeling of energy losses and energy straggling of ions passing the solid matter
Key words: energetické ztráty iontů, energetický rozptyl iontů v pevné látce
English key words: ion energy losses, stopping powers, ion energy stragglingin solids
Academic year of topic announcement: 2016/2017
Thesis type: diploma thesis
Thesis language: čeština
Department: Institute of Particle and Nuclear Physics (32-UCJF)
Supervisor: doc. RNDr. Anna Macková, Ph.D.
Author:
Guidelines
Předmětem práce je studium energetických brzdných ztrát a energetického rozptylu (straggling) iontů v pevné látce a dále využití počítačových metod pro zpracování spekter a modelování průchodu nabitých částic pevnou látkou. Energetické brzdné ztráty a energetický rozptyl nabitých částic, které procházejí materiálem, jsou intenzivně zkoumány jak po teoretické stránce, tak z hlediska kompletace databází experimentálních hodnot energetických ztrát, které jsou používány v mnoha oborech, zvláště pak pro jaderné analytické metody, dozimetrii a konstrukci detektorů nabitých částic [1-10].
Když svazek nabitých částic prostupuje materiálem, zpomalování částic je doprovázeno rozšiřováním rozdělení energií prostupujících částic. Tento jev bývá označován jako energetický rozptyl a je způsoben statistickými fluktuacemi v počtu srážkových procesů procházejících částic s atomy terčového materiálu. Pro výpočet energetického rozptylu jsou v současné době používány různé přístupy, jak zahrnout mechanismy, které se podílejí na brzdění nabitých částic v pevných látkách [14]. Vychází se z Bohrovy teorie [11], která využívá některých zjednodušujících předpokladů (rychlost projektilu je mnohem větší než orbitální rychlost elektronů atomů v terči, energetické ztráty jsou velmi malé ve srovnání s celkovou energií projektilů, atomy terče jsou náhodně rozdělené atd.). Rozšíření Bohrovy teorie na lehké ionty s nižší rychlostí poskytuje Linhard-Sharffova teorie [12]. Další korekce nabízí například i Bethe-Livingstonova teorie [13]. K ověřeni platnosti těchto teorií je proto potřeba srovnání s experimentálními daty, při použití různých kombinací typů iontů a zkoumaných materiálů.
V rámci disertační práce se zaměříme na studium energetických brzdných ztrát iontů (H+, Hen+, Lin+ aj.) a jejich energetický rozptyl v polymerních foliích [15] v rozsahu energií 0.6-14 MeV. Rozsah experimentálně použitelných energií je dán v našem případě limity urychlovacího napětí urychlovače a zkoumaný materiál ve formě fólií je nejvhodnější při použití průletové metody měření energetických ztrát. Experiment měření brzdných ztrát iontů ve foliích bude realizován s využitím iontových svazků z tandemového urychlovače Tandetronu 4130 MC a přístrojového vybavení pro detekci iontů ve vakuové komoře pro měřeni metodou Rutherford Back-Scattering (RBS) v Ústavu jaderné fyziky v Řeži u Prahy. K určení energetických brzdných ztrát a rozptylu iontů bude použita kombinace metody zpětného rozptylu a průletové metody. Průletová metoda je založena na principu zkoumání brzdných ztrát materiálu ve formě tenké fólie umístěné před detektor odražených iontů, v nichž iont ztrácí svou energii, ale jeho dolet je výrazně větší než tloušťka materiálu.
Vyhodnocení získaných spekter zpětně odražených iontů bude prováděno s využitím softwaru GISA 3.99 [16] a SIMNRA 6.06 [17]. Program SIMNRA nám dále umožňuje výpočet energetických ztrát a energetického rozptylu s využitím různých semiempirických přístupů viz výše. Experimentálně získané energetické brzdné ztráty budou srovnávány se simulacemi v programu SRIM-2010 [18], který je v současnosti považován za nejkomplexnější program umožňující MC simulace průletu iontů látkou se zahrnutím doprovodných efektů (odprašování materiálu, vznik defektů v pevné látce atd.). Součástí disertační práce bude návrh vlastních programů pro automatizovanou analýzu energetických ztrát z experimentálních RBS spekter. Součástí disertační práce bude vývoj programů navazujících na programy SRIM, které budou optimalizovat výpočet energetických ztrát a energetického rozptylu v případech, kdy semiempirické přístupy nebudou uspokojivě reprodukovat experimentální data.
References
SEZNAM DOPORUČENÉ LITERATURY:

[1] Hsu, J.Y., Yu, Y. C.: Nucl. Instr. and Meth. B 268, 2010.
[2] Kyriakou, I., Celedon, C.: Nucl. Instr. and Meth., 2010.
[3] Msimanga, M., Comrie, C. M.: Nucl. Instr. and Meth., 2010.
[4] Sharma, V., Diwan, P. K.: Nucl. Instr. and Meth. B 266, 2008.
[5] Hsu, J.Y., Yu, Y. C.: Nucl. Instr. and Meth. B 266, 2008.
[6] Sharma, V., Prathiba: Nucl. Instr. and Meth. B 266, 2008.
[7] Sharma, V., Diwan, P. K.: Nucl. Instr. and Meth. B 258, 2007.
[8] Hsu, J.Y., Liang, J. H.: Nucl. Instr. and Meth. B 256, 2007.
[9] Ammi, H., Mammeri, S.: Nucl. Instr. and Meth. B 213, 2004.
[10] Frank, L., Kral,J.: Metody analyzy povrchů: Iontove, sondove a specialni metody, Academia, Praha, 2002.
[11] Bohr, N., Selsk, K.D.V.: Mat.-Fys. Medd 18, 1948.
[12] Lindhard, J., Scharff, M.: Mat.-Fys. Medd. 27, 1953.
[13] Livingston, M.S., Bethe, H.A.: Rev. Mod. Phys. 9, 1937.
[14] Wang,Y., Nastasi, M.: Handbook of Modern Ion Beam Materials Analysis, MRS, 2009.
[15]Goodfellow Cambridge Limited, Huntington, England, 2006, http://www.goodfellow.com.
[16] Saarilathi J.: 3.99, short users quide, Technical Research Centre of Finland, Espoo, 1994.
[17] M. Mayer, SIMNRA version 6.06, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Garching, Germany, 2010.
[18] J.F. Ziegler et al., SRIM: The stopping and range of ions in matter, Version SRIM- 2010. Available at: http://www.srim.org/.

Preliminary scope of work
When energetic ions penetrate the matter, the statistical nature of the collision process involved leads not only to an energy loss but also to an energy broadening of the ion beam, known as energy straggling. The knowledge of both the energy loss and the energy straggling is important for the application of ion beams in material analyses and material modification by ion implantation, for ionising radiation dosimetry and for tumour treatment in medicine. Experimental stopping power and straggling data are also needed for the validation of theoretical and semi-empirical models. For these reasons, ion energy loss and energy straggling in various materials have been the subject of extensive investigations over the past decades. Although the stopping power data for elemental targets are available in the literature, the data for complex materials like polymers are quite limited. Also the experimental data on the stopping powers of heavier ions are rather scarce. The results of such measurements might be used to modify the reference data sets of SRIM-2008 and related codes.
The stopping power and energy straggling of heavier energetic ions (Li, O, C etc.) about 10 MeV in polymers and other materials will be determined. The experimental data could provide useful information for further studies of the energy loss of ions in compounds. The measured stopping powers will be compared to the calculated values obtained by two different semi-empirical models, Bragg’s rule and the cores-and-bonds (CAB) model. Bragg´s rule calculates the stopping power of compound targets as the weighted average of pure elemental target stopping powers. The accuracy of Bragg´s rule is limited. The CAB model estimates the stopping power for compounds from the measured values compiled in an empirical database. In this model, each organic molecule in a polymer matrix is described as a set of atomic cores and bonds, corresponding to the nonbonding core and bonding valence electrons, respectively. The CAB model becomes less accurate when the significant effect of the physical state of the investigated materials is expected, which is not our case, we are not studying gaseous targets or targets containing heavier constituents. The program MSTAR uses as a model of calculation only Bragg’s rule. The prediction from CAB model was made using SRIM-2008 computer code.
Preliminary scope of work in English
When energetic ions penetrate the matter, the statistical nature of the collision process involved leads not only to an energy loss but also to an energy broadening of the ion beam, known as energy straggling. The knowledge of both the energy loss and the energy straggling is important for the application of ion beams in material analyses and material modification by ion implantation, for ionising radiation dosimetry and for tumour treatment in medicine. Experimental stopping power and straggling data are also needed for the validation of theoretical and semi-empirical models. For these reasons, ion energy loss and energy straggling in various materials have been the subject of extensive investigations over the past decades. Although the stopping power data for elemental targets are available in the literature, the data for complex materials like polymers are quite limited. Also the experimental data on the stopping powers of heavier ions are rather scarce. The results of such measurements might be used to modify the reference data sets of SRIM-2008 and related codes.
The stopping power and energy straggling of heavier energetic ions (Li, O, C etc.) about 10 MeV in polymers and other materials will be determined. The experimental data could provide useful information for further studies of the energy loss of ions in compounds. The measured stopping powers will be compared to the calculated values obtained by two different semi-empirical models, Bragg’s rule and the cores-and-bonds (CAB) model. Bragg´s rule calculates the stopping power of compound targets as the weighted average of pure elemental target stopping powers. The accuracy of Bragg´s rule is limited. The CAB model estimates the stopping power for compounds from the measured values compiled in an empirical database. In this model, each organic molecule in a polymer matrix is described as a set of atomic cores and bonds, corresponding to the nonbonding core and bonding valence electrons, respectively. The CAB model becomes less accurate when the significant effect of the physical state of the investigated materials is expected, which is not our case, we are not studying gaseous targets or targets containing heavier constituents. The program MSTAR uses as a model of calculation only Bragg’s rule. The prediction from CAB model was made using SRIM-2008 computer code.
 
Charles University | Information system of Charles University | http://www.cuni.cz/UKEN-329.html