Fasci di ioni estratti in atmosfera

Tecniche di analisi con fasci di ioni - A.A. 2011-2012

Fascio esternoVantaggi• analisi diretta di campioni di qualunque forma e dimensione• nessun prelievo• no caricamento (nessuna preparazione, p.es. coating con conduttore)• no surriscaldamento (riduzione del rischio di danneggiamento)• facile posizionamento del campione• veloce ed efficente

Fascio esternoVantaggi• analisi diretta di campioni di qualunque forma e dimensione• nessun prelievo• no caricamento (nessuna preparazione, p.es. coating con conduttore)• no surriscaldamento (riduzione del rischio di danneggiamento)• facile posizionamento del campione• veloce ed efficente

Svantaggi• perdita di energia• straggling energetico• straggling angolare• attenuazione di radiazione X in atmosfera

Tipiche finestre di estrazione

Materiale Spessore (μm) ΔE (keV) σE (keV) σθ (μm/mm)

Al 10 233 16 14

Kapton 8 129 9 6

Zr 2 73 7.3 15

Si3N4 0.1 8 5 <1

• collimatore: 140 µm

• distanza dalla finestra di Kapton: 10 mm

• in aria

• collimatore: 50 µm

• distanza dalla finestra di Kapton: 3 mm

• in aria

Effetto delle code del fascio

C′Z =

Npicco

Ncode

CZCZ out

CZ

Ntot = Npicco +Ncode

Ntot CZ ⋅Npicco + CZ out ⋅Ncode

Collimatore anti-scattering

Membrana in Si3N4, spessore 100 nmCornice in silicio di 200 µm

Dimensioni totali (diagonale) 3.0 mm

Finestra di estrazione per microfascio

Profilo del fascio:dipendenza dalla distanza

Profilo del fascio:dipendenza dal mezzo

Quadro riassuntivo

Dimensioni finite del

fascio

Estrazione del fascio di alta/bassa energia

C28H14N2O5ρ = 1.39 g/cm3

C22H10N2O4ρ = 1.47 g/cm3

C22H10N2O5ρ = 1.43 g/cm3

Finestre di estrazione polimeriche

“Logorio” delle finestredi estrazione

Cambiamento nell’energia del fascio estratto di 4 keV/100 μC

Upilex, 7.5 µm

3 MeV p, 40 nA, 1x2 mm2

∅ = 160 µm

Rottura delle finestredi estrazione

Effetti dell’irraggiamento di polimeri

L’irraggiamento di polimeri con ioni di MeV di energia produce profondi cambiamenti nelle proprietà fisiche e chimiche dei polimeri, associati alla rottura e al successivo riorganizzamento dei legami originari.

Isolante

Trasparente

Elastico/Resistente

Conduttore

Opaco

Rigido/Fragile

IONI

Effetti dell’irraggiamento di polimeri

~1014 ioni/cm2

~1015 ioni/cm2

~1016 ioni/cm2

“crosslink” tra le catene polimeriche

(i.e. “vulcanizzazione”) e rotture delle catene

sostanziali modifiche nella struttura

originaria del polimero che mostra proprietà

simili a quello del carbonio amorfo

idrogenato (a-C:H)

grafitizzazione del materiale

Fluenza

Effetti dell’irraggiamento di polimeri

• Perdita selettiva di elementi (O, N e H)

• Desorbimento di componenti volatiti, i.e. molecole gassose (O2, N2, H2 ...)

Cambia la composizione del polimero... cambia lo

stopping power

Rottura delle finestredi estrazione

“Longevità” delle finestredi estrazione

Misura dell’intensità di un fascio estratto

Misura dell’intensità di un fascio estratto

• Misura diretta (i.e. Faraday cup)

• Misura indiretta (i.e. misura di una grandezza/effetto proporzionale all’intensità del fascio)

Naso estrazione

Target

Faraday cup

pico-Amperometro

Misura mediante Faraday cup

La stessa misura in vuoto…

Misura mediante“paletta rotante”

Naso estrazione

Sistema fotocellula

Target

Paletta rotante C/Ni

Ifit = (3.93 ± 0.08)⋅10-1 pA/cpsNi

Misura mediante“paletta rotante”

Spettro dei protoni retrodiffusi

Naso estrazione

Finestra estrazione

TargetCollimatore

Rivelatore particelle

Misura mediante backscattering sulla finestra di estrazione

Misura mediante backscattering sulla finestra di estrazione

p

X

YX Si ~ 700 cts/nA

Si3N4 extractionwindow

Misura mediante emissione X dalla finestra di estrazione

N2λ = 337.14 nm

Misura mediante emissione di luce da molecole d’aria eccitate

Misura mediante emissione di luce da molecole d’aria eccitate