Aufbau eines Detektorteleskops für ERDA-Messungen und erste Anwendungen auf dünne Schichten

Diplomarbeit aus dem Jahr 1994 im Fachbereich Physik - Experimentalphysik, Note: 1,5, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn (unbekannt, Strahlen- und Kernphysik), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Problemstellung:
In der vorliegenden Arbeit wird der Aufbau einer ERDA-Detektoranlage zur Bestimmung tiefenaufgelöster Konzentrationsprofile dünner Schichten beschrieben. Die Anlage wurde in zahlreichen Messungen mit Schwerionenstrahlen und Spaltfragmentquellen getestet.
ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis) ist eine kernphysikalische Untersuchungsmethode, die auf der elastischen Streuung schwerer Ionen mit den Atomen einer dünnen Festkörperprobe basiert. Die Information über die Tiefenprofilverteilung im Target wird mit ERDA durch die Spektroskopie der aus der Probe ausgestoßenen Ionen gewonnen. Eine Auflösung von atomaren Monolagen ist dabei prinzipiell möglich.
Gang der Untersuchung:
Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Motivation für das ausgewählte Thema.
Im zweiten Teil der Arbeit werden die theoretischen Grundlagen der ERDA-Analyse formuliert. Im einzelnen wird auf die mit dieser Methode realisierbare Isotopentrennung und Bestimmung der Tiefenkonzentrationsprofile eingegangen. Der dritte Teil der Arbeit befasst sich mit dem Aufbau und der Funktionsweise eines DE-E-Detektorteleskops. Neben der Energiemessung ermöglicht ein Teleskop eine kernladungsspezifische Elementtrennung. Der fünfte Teil der Arbeit zeigt den Aufbau einer ERDA-Messapparatur am Tandembeschleuniger in Köln. Anschließend werden erste Experimente präsentiert.
ERDA stellt eine zuverlässige und auch für industrielle Anwendungen sehr interessante Methode dar. Von Korrosionsforschung bis zur Chipherstellung finden sich Einsatzgebiete von ERDA. Der Zugang zu einem Ionenbeschleuniger kann durch eine Kooperation mit ausgewählten Universitäten, die über Beschleunigerlabors verfügen, gewährleistet werden.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung5
2.Theoretische Formulierung der Spektrometrie elastisch gestreuter Targetionen9
2.1Teilchendiskriminierung mit der ERDA-Technik9
2.2Tiefenaufgelöste Konzentrationsbestimmungen14
3.Allgemeine Grundlagen für den Bau eines delta-E-E Detektorteleskops17
3.1Funktionsweise einer Ionisationskammer17
3.1.1Primäre Ionisation17
3.1.2Bewegung der Ladungsträger im Gas20
3.1.3Entstehung und Verarbeitung des Signals in einer Ionisationskammer21
3.1.4Bedeutung des Frisch-Gitters24
3.2Arbeitsweise eines ionenimplantierten Halbleiterdetektors26
4.Energieauflösung in der ERDA-Spektroskopie28
4.1Prinzipielle Grenzen der Teilchendiskriminierung28
4.1.1Energieverluststreuung29
4.1.2Statistik des Ionisationsprozesses30
4.1.3Winkelstraggling31
4.2Tiefenauflösung32
4.2.1Detektorwinkelakzeptanz33
4.2.2Kleinwinkelstreuung33
4.2.3Totale Energieverluststreuung34
5.Aufbau des ERDA-Meßplatzes35
5.1Streukammer35
5.2Konstruktion des delta-E- E -Detektorteleskops37
5.3Gasdruckregelung40
5.4Elektronik42
6.Testmessungen44
6.1Messungen mit einer alpha-Eichquelle44
6.2Untersuchungen der Teilchendiskriminierung mit einer Spaltfragmente - Quelle49
7.ERD-Analysen mit einem hochenergetischen 58 Ni - Strahl55
7.1Elementtrennung an einer LiF-Probe55
7.2Analyse der Mg-Rastertargets60
7.3Nachweis von 40 Ar in einem Mehrschichtentarget64
7.4Analyse der Oxidation von Plungertargets70
8.Diskussion der erreichten Auflösung74
8.1delta-E-Auflösung74
8.2E-Auflösung74

Klappentext

Inhaltsangabe:Problemstellung: In der vorliegenden Arbeit wird der Aufbau einer ERDA-Detektoranlage zur Bestimmung tiefenaufgelöster Konzentrationsprofile dünner Schichten beschrieben. Die Anlage wurde in zahlreichen Messungen mit Schwerionenstrahlen und Spaltfragmentquellen getestet. ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis) ist eine kernphysikalische Untersuchungsmethode, die auf der elastischen Streuung schwerer Ionen mit den Atomen einer dünnen Festkörperprobe basiert. Die Information über die Tiefenprofilverteilung im Target wird mit ERDA durch die Spektroskopie der aus der Probe ausgestoßenen Ionen gewonnen. Eine Auflösung von atomaren Monolagen ist dabei prinzipiell möglich. Gang der Untersuchung: Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Motivation für das ausgewählte Thema. Im zweiten Teil der Arbeit werden die theoretischen Grundlagen der ERDA-Analyse formuliert. Im einzelnen wird auf die mit dieser Methode realisierbare Isotopentrennung und Bestimmung der Tiefenkonzentrationsprofile eingegangen. Der dritte Teil der Arbeit befasst sich mit dem Aufbau und der Funktionsweise eines DE-E-Detektorteleskops. Neben der Energiemessung ermöglicht ein Teleskop eine kernladungsspezifische Elementtrennung. Der fünfte Teil der Arbeit zeigt den Aufbau einer ERDA-Messapparatur am Tandembeschleuniger in Köln. Anschließend werden erste Experimente präsentiert. ERDA stellt eine zuverlässige und auch für industrielle Anwendungen sehr interessante Methode dar. Von Korrosionsforschung bis zur Chipherstellung finden sich Einsatzgebiete von ERDA. Der Zugang zu einem Ionenbeschleuniger kann durch eine Kooperation mit ausgewählten Universitäten, die über Beschleunigerlabors verfügen, gewährleistet werden. Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis: 1.Einleitung5 2.Theoretische Formulierung der Spektrometrie elastisch gestreuter Targetionen9 2.1Teilchendiskriminierung mit der ERDA-Technik9 2.2Tiefenaufgelöste Konzentrationsbestimmungen14 3.Allgemeine Grundlagen für den Bau eines delta-E-E Detektorteleskops17 3.1Funktionsweise einer Ionisationskammer17 3.1.1Primäre Ionisation17 3.1.2Bewegung der Ladungsträger im Gas20 3.1.3Entstehung und Verarbeitung des Signals in einer Ionisationskammer21 3.1.4Bedeutung des Frisch-Gitters24 3.2Arbeitsweise eines ionenimplantierten Halbleiterdetektors26 4.Energieauflösung in der ERDA-Spektroskopie28 4.1Prinzipielle Grenzen der Teilchendiskriminierung28 4.1.1Energieverluststreuung29 4.1.2Statistik des