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Irradiation effects of swift heavy ions in matter

Osmani, Orkhan

In dieser Arbeit werden Bestrahlungseffekte von schweren schnellen Ionen in Materie untersucht. Das Augenmerk liegt auf den Ladungaustausch-- und Energieverlusstprozessen des Projektils. Ein oft verwendeter Computercode, welcher Ratengleichungen verwendet, ist der sogenannte ETACHA Code. Dieser Computercode ist ebenfalls in der Lage die als Input benötigten Wirkungsquerschnitte zu berechnen. In dieser Arbeit wird ein neues Model zu Berechnung von Ladungszuständen schwerer schneller Ionen untersucht. Dieses Model, die Matrixmethode, nimmt die Form eines einfachen algebraischen Ausdrucks an, welches ebenfalls Wirkungsquerschnitte als Input voraussetzt. In der gegenwärtigen Implementierung der Matrixmethode werden Wirkungsquerschnitte aus dem ETACHA Code verwendet, wobei Anregung und Abregung vernachlässigt werden. Ladungsfraktionen werden sowohl mit dem ETACHA Code als auch mit der Matrixmethode Ufer ausgewählte Ionen/target Kombinationen berechnet und miteinander verglichen. Für ausreichend hohe Energien ist die Übereinstimmung beider Modelle gut. Jedoch werden ausgeprägte Unterschiede für kleinere Energien sichtbar. Diese Unterschiede rühren daher, dass innerhalb der gegenwärtigen Implementierung der Matrixmethode keine Anregungen und Abregungen berücksichtigt werden. Beide Methoden werden anschließend mit experimentell gemessen Ladungfraktionen verglichen. Hierbei zeigen beide Modelle deutliche Abweichungen von den Experimenten. Während die vorhergesagte Gleichgewichtsladung von beiden Modellen in guter Übereinstimmung mit dem Experiment ist, zeigt die Matrixmethode eine deutliche Überschätzung der Gleichgewichts Eindringtiefe. Auch hier wird angenommen, dass dieser Unterschied durch die Vernachlässigung der Anregungs-- und Abregungsprozesse herrührt. Eine Möglichkeit Abregungsprozesse zu berücksichtigen ist vorgestellt. Es ist bekannt, dass die Bestrahlung von Dielektrika mit schweren schnellen Ionen zu strukturellen Veränderungen sowohl auf der Oberfläche als auch im Volumen führen, so genannte Ionen Spuren. Zu Beschreibung dieser Spuren wird häufig das so genannte zwei Temperaturen Modell (TTM) verwendet. Dieses TTM basiert auf zwei gekoppelten Wärmediffusionsgleichungen, welche den Wärmetransport der Elektronen als auch der Phononen beschreiben. Beide Gleichungen werden durch einen Austauschparamter, der so genannten Elektron--Phonon Kopplung, miteinander gekoppelt. Für die Anwendung des TTM werden Materialparameter wie z.B. die Dichte (der angeregten) Elektronen, die Wärmekapazität der Elektronen und die Elektron--Phonon Kopplung verwendet. Diese Parameter sind, besonders für Halbleiter und Isolatoren, oft nicht bekannt. In dieser Arbeit wird das TTM auf die Bestrahlung von kristallinem Silizium angewendet, um den so genannten Schwellenwert, d.h. die minimal nötige Energie um Strukturveränderungen hervorzurufen, zu berechnen. Es ist gezeigt, dass ohne die nötigen Kenntnisse der Materialparameter, dieser Schwellenwert nur mit einer grossen Unsicherheit bestimmt werden kann. Monte Carlo (MC) Simulationen für die Bestrahlung von SiO$_2$ mit 11.4~MeV/u Ca$^{19+}$ werden vorgestellt. Mit Hilfe dieser MC Simulation wird die Elektronendichte sowie die Energiedichte berechnet, woraus sich wiederum die Elektronentemperatur sowie das Transportverhalten der Elektronen abschätzen lässt. Es wird ein Kriterium vorgestellt, mit welchem es möglich ist zu bestimmen, ob das Elektronensystem mittels thermodynamischen Gleichungen wie dem TTM beschrieben werden kann. Weiterhin werden die benötigten Materialparameter aus den MC Daten extrahiert und in einem TTM verwendet um den Radius der Modifikation zu bestimmen. Dieser Radius ist in guter Übereinstimmung mit experimentell gemessenen Radien für ein ähnliches System.

In the this thesis irradiation effects of swift heavy ions in matter are studied. The focus lies on the projectiles charge exchange and energy loss processes. A commonly used computer code which employs rate equations is the so called ETACHA code. This computer code is capable to also calculate the required input cross--sections. Within this thesis a new model to compute the charge state of swift heavy ions is explored. This model, the so called matrix method, takes the form of a simple algebraic expression, which also requires cross--sections as input. In the present implementation of the matrix method, cross--sections are taken from the ETACHA code, while excitation and deexcitation processes are neglected. Swift heavy ions penetrating a dielectric are known to induced structural modifications both on the surface and in the bulk, so called ion tracks. In order to describe this track creation, the so called two temperature model (TTM) is often used. This TTM is based on a set of two coupled heat diffusion equations, describing the heat transport of the electrons and the phonons, while both equations are coupled by an exchange parameter, the so called electron--phonon coupling parameter. Within the TTM material parameters like the (excited) electron density, the electron heat capacity and the electron--phonon coupling are required. These parameters are often unknown, especially for insulators or semiconductors. In this work, the TTM is applied to the case of crystalline silicon, where the so called damage threshold, {\em i.e.} the minimal required ion energy to induce a modification, is calculated. It is demonstrated that without a profound knowledge of the material parameters, especially the excited electron density and the electron--phonon coupling, a reliable estimation of the damage threshold, for instance cannot be achieved. In order to determine the density of excited electrons Monte Carlo (MC) simulations of the penetration of a swift heavy ion in matter are presented. As a model system the irradiation of 11.4~MeV/u Ca$^{19+}$ in SiO$_2$ is chosen. Within the MC method spatial and temporal profiles of the electron energy and number density are calculated. Using this data a method is presented that allows to obtain the electron temperature and the transport properties of the electrons. A criterion is presented, that allows to determine whether the electron system can be treated with thermodynamical equations like the TTM. Furthermore, it is demonstrated how material parameters like the electron heat capacity, the electron diffusivity and the electron--phonon coupling can be extracted out of the MC output. Finally, the obtained material parameters and the MC output are used as initial conditions for a TTM calculation, from which the induced track radius is obtained. This radius is in good agreement with experimentally measured track radii for a similar system.

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Osmani, Orkhan: Irradiation effects of swift heavy ions in matter. 2012.

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