Irradiation effects of swift heavy ions in matter

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 benotigten Wirkungsquerschnitte zu berechnen. In dieser Arbeit wird ein neues Model zu Berechnung von Ladungszustanden schwerer schneller Ionen untersucht. Dieses Model, die Matrixmethode, nimmt die Form eines einfachen algebraischen Ausdrucks an, welches ebenfalls Wirkungsquerschnitte als Input voraussetzt. In der gegenwartigen Implementierung der Matrixmethode werden Wirkungsquerschnitte aus dem ETACHA Code verwendet, wobei Anregung und Abregung vernachlassigt werden. Ladungsfraktionen werden sowohl mit dem ETACHA Code als auch mit der Matrixmethode Ufer ausgewahlte Ionen/target Kombinationen berechnet und miteinander verglichen. Fur ausreichend hohe Energien ist die Ubereinstimmung beider Modelle gut. Jedoch werden ausgepragte Unterschiede fur kleinere Energien sichtbar. Diese Unterschiede ruhren daher, dass innerhalb der gegenwartigen Implementierung der Matrixmethode keine Anregungen und Abregungen berucksichtigt werden. Beide Methoden werden anschliesend mit experimentell gemessen Ladungfraktionen verglichen. Hierbei zeigen beide Modelle deutliche Abweichungen von den Experimenten. Wahrend die vorhergesagte Gleichgewichtsladung von beiden Modellen in guter Ubereinstimmung mit dem Experiment ist, zeigt die Matrixmethode eine deutliche Uberschatzung der Gleichgewichts Eindringtiefe. Auch hier wird angenommen, dass dieser Unterschied durch die Vernachlassigung der Anregungs-- und Abregungsprozesse herruhrt. Eine Moglichkeit Abregungsprozesse zu berucksichtigen ist vorgestellt. Es ist bekannt, dass die Bestrahlung von Dielektrika mit schweren schnellen Ionen zu strukturellen Veranderungen sowohl auf der Oberflache als auch im Volumen fuhren, so genannte Ionen Spuren. Zu Beschreibung dieser Spuren wird haufig das so genannte zwei Temperaturen Modell (TTM) verwendet. Dieses TTM basiert auf zwei gekoppelten Warmediffusionsgleichungen, welche den Warmetransport der Elektronen als auch der Phononen beschreiben. Beide Gleichungen werden durch einen Austauschparamter, der so genannten Elektron--Phonon Kopplung, miteinander gekoppelt. Fur die Anwendung des TTM werden Materialparameter wie z.B. die Dichte (der angeregten) Elektronen, die Warmekapazitat der Elektronen und die Elektron--Phonon Kopplung verwendet. Diese Parameter sind, besonders fur 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 notige Energie um Strukturveranderungen hervorzurufen, zu berechnen. Es ist gezeigt, dass ohne die notigen Kenntnisse der Materialparameter, dieser Schwellenwert nur mit einer grossen Unsicherheit bestimmt werden kann. Monte Carlo (MC) Simulationen fur 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 abschatzen lasst. Es wird ein Kriterium vorgestellt, mit welchem es moglich ist zu bestimmen, ob das Elektronensystem mittels thermodynamischen Gleichungen wie dem TTM beschrieben werden kann. Weiterhin werden die benotigten Materialparameter aus den MC Daten extrahiert und in einem TTM verwendet um den Radius der Modifikation zu bestimmen. Dieser Radius ist in guter Ubereinstimmung mit experimentell gemessenen Radien fur ein ahnliches System.