Slide delle lezioni su estrazione di un fascio di particelle in atmofera nell'ambito del corso "Tecniche di analisi con fasci di ioni", corso di Laurea Magistrale in Fisica e Astrofisica, Univ. Firenze AA 2011-2012 (Massimo Chiari, P.A. Mandò).

1. Tecniche di analisi con fasci di ioni - A.A. 2011-2012
Fasci di ioni estratti in
atmosfera

3. Fascio esterno
Vantaggi
• 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

4. Fascio esterno
Vantaggi
• 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

5. 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

6. • collimatore: 140 µm
• distanza dalla finestra di
Kapton: 10 mm
• in aria
• collimatore: 50 µm
• distanza dalla finestra di
Kapton: 3 mm
• in aria

7. Effetto delle code del fascio
CZ out
Npicco CZ
Ncode
CZ
Ntot = Npicco +Ncode
CZ ⋅Npicco + CZ out ⋅Ncode
C′Z =
Ntot

8. Collimatore anti-scattering

9. Finestra di estrazione per
microfascio
Membrana in Si3N4, spessore 100 nm
Cornice in silicio di 200 µm
Dimensioni totali (diagonale) 3.0 mm

10. Profilo del fascio:
dipendenza dalla distanza

11. Profilo del fascio:
dipendenza dal mezzo

12. Quadro riassuntivo

13. Dimensioni
finite del
fascio

14. Estrazione del fascio di
alta/bassa energia

15. Finestre di estrazione polimeriche
C28H14N2O5
ρ = 1.39 g/cm3
C22H10N2O4
ρ = 1.47 g/cm3
C22H10N2O5
ρ = 1.43 g/cm3

16. “Logorio” delle finestre
di estrazione
Upilex, 7.5 µm
3 MeV p, 40 nA, 1x2 mm2
Cambiamento nell’energia del fascio estratto di 4 keV/100 μC

17. Rottura delle finestre
di estrazione
∅ = 160 µm

18. 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 Conduttore
Trasparente Opaco
IONI
Elastico/ Rigido/
Resistente Fragile

19. Effetti dell’irraggiamento di
polimeri
sostanziali modifiche
nella struttura
originaria del polimero
che mostra proprietà grafitizzazione
simili a quello del del materiale
“crosslink” tra le carbonio amorfo
catene polimeriche idrogenato (a-C:H)
(i.e. “vulcanizzazione”) ~1016 ioni/cm2
e rotture delle catene
~1015 ioni/cm2
~1014 ioni/cm2
Flu enza

20. 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

21. Rottura delle finestre
di estrazione

22. “Longevità” delle finestre
di estrazione

23. Misura dell’intensità di
un fascio estratto

24. 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)

25. Misura mediante Faraday cup
Faraday cup
Naso estrazione
Target
pico-Amperometro

26. La stessa misura in vuoto…

27. Misura mediante
“paletta rotante”
Paletta rotante C/Ni
Naso estrazione
Target
Sistema
fotocellula

28. Misura mediante
“paletta rotante”
Ifit = (3.93 ± 0.08)⋅10-1 pA/cpsNi

29. Misura mediante backscattering
sulla finestra di estrazione
Finestra
estrazione
Naso estrazione
Collimatore
Target
Rivelatore
particelle
Spettro dei protoni
retrodiffusi

30. Misura mediante backscattering
sulla finestra di estrazione

31. Misura mediante emissione X dalla
finestra di estrazione
YX Si ~ 700 cts/nA
Si3N4 extraction
window
X
p

32. Misura mediante emissione di luce
da molecole d’aria eccitate
N2
λ = 337.14 nm

33. Misura mediante emissione di luce
da molecole d’aria eccitate