Cross-section studies of deuteron reactions and application in light element ion beam analysis techniques
Authors: Ντέμου Ελένη 
Published: September 2021

Οι αναλυτικές τεχνικές με δέσμες ιόντων (Ion Beam Analysis (IBA) techniques) χρησιμοποιούνται ευρέως για την ανάλυση στοιχείων ή/και ισοτόπων στα επιφανειακά στρώματα στερεών. Η ευρεία χρήση τέτοιων μεθόδων έγκειται στο γεγονός ότι είναι -σχεδόν- μη καταστροφικές για τα υπό ανάλυση δείγματα. H εφαρμογή τους περιλαμβάνει την ανίχνευση των σωματιδίων ή της ακτινοβολίας που προκύπτει μετά την αλληλεπίδραση των σωματιδίων της δέσμης με τα άτομα ή τους πυρήνες των επιφανειακών στρωμάτων του στόχου και καταλήγει στον ποσοτικό προσδιορισμό και στην κατά βάθος ανάλυση στοιχείων σε ένα δείγμα. Για να εφαρμοσθούν ιοντικές τεχνικές ανάλυσης και να εξαχθούν τα αντίστοιχα συμπεράσματα είναι απαραίτητη η εκ των προτέρων γνώση των αντίστοιχων τιμών της διαφορικής ενεργού διατομής. Ωστόσο, ο αναλυτικός υπολογισμός τέτοιων τιμών, στην ενεργειακή περιοχή των MeV, είναι αδύνατος εφόσον η φυσική που περιλαμβάνεται στην αλληλεπίδραση δέσμης-στόχου είναι μόνο μερικώς γνωστή. Επομένως, η εφαρμογή αυτών των αναλυτικών τεχνικών βασίζεται στην ύπαρξη των αντίστοιχων πειραματικών δεδομένων στην βιβλιογραφία. Τα ελαφρά στοιχεία χρησιμοποιούνται ευρέως στην βιομηχανία. Είναι καίριας σημασίας στον τομέα της ανάλυσης υλικών λόγω της ύπαρξης τους στα κεραμικά, στα γυαλιά και στα πολυμερή ενώ συχνά προστίθενται σε μεταλλικά κράματα με σκοπό να βελτιώσουν συγκεκριμένες ιδιότητες όπως είναι η σκληρότητα και η δυσκαμψία υλικών αλλά και η αντοχή τους στην φθορά και η θερμική αντίσταση. Συνεπώς, ο ακριβής ποσοτικός προσδιορισμός της κατά βάθος κατανομής των ελαφρών στοιχείων, τα οποία βρίσκονται σε μια πληθώρα διαφορετικών μητρών, έχει τεράστια σημασία για την σύγχρονη έρευνα και τεχνολογία. Τέτοια αποτελέσματα μπορούν να εξαχθούν με την εφαρμογή πυρηνικών αναλυτικών τεχνικών και πιο συγκεκριμένα μέσω της μεθόδου ανίχνευσης του ελαστικά ανακρουόμενου πυρήνα (ERDA - Elastic Recoil Detection Analysis) για λεπτά επιφανειακά στρώματα και μέσω της μεθόδου πυρηνικών αντιδράσεων (NRA - Nuclear Reaction Analysis) λόγω της παραγωγής απομονωμένων κορυφών (περιλαμβάνονται υψηλές τιμές Q) με αμελητέο υπόβαθρο. Παράλληλα, η χρήση της δέσμης δευτερίων παρουσιάζει το πολύ μεγάλο πλεονέκτημα της καλύτερης διακριτικής ικανότητας βάθους σε σύγκριση με μια δέσμη πρωτονίων και παράλληλα της ταυτόχρονης διέγερσης σχεδόν όλων των ελαφρών στοιχείων/ισοτόπων που συνυπάρχουν σε ένα δείγμα. Η εφαρμογή της τεχνικής d-NRA θα μπορούσε να ενισχυθεί με την ανάλυση των ελαστικών κορυφών που παράγονται ταυτόχρονα στο φάσματα με χρήση της ίδια πειραματικής διάταξης και συνθηκών. Η γενικευμένη εφαρμογή της τεχνικής EBS περιορίζεται κυρίως από τη μεγάλη βιβλιογραφική έλλειψη αξιόπιστων και ολοκληρωμένων δεδομένων ενεργών διατομών σε διάφορες γωνίες και ενέργειες κατάλληλες για την εφαρμογή ιοντικών τεχνικών ανάλυσης. Η συμβολή της παρούσας διατριβής στο πεδίο των ιοντικών τεχνικών ανάλυσης αποτελείται από δύο μέρη. Το πρώτο μέρος είναι μια συνολική μέτρηση των τιμών της διαφορικής ενεργού διατομής της ελαστικής σκέδασης δευτερίων σε πολλά σημαντικά σταθερά ελαφρά ισότοπα και στοιχεία, όπως είναι 6Li, 7Li, 9Be, 14N, natO, 23Na και natSi, σε ενέργειες και γωνίες κατάλληλες για αναλυτικούς σκοπούς. Σε συγκεκριμένες περιπτώσεις (natO, 23Na, natSi) ελέγχθηκε και η αξιοπιστία των εξαγόμενων πειραματικών δεδομένων (benchmarking) με χρήση παχέων στόχων γνωστής και ακριβής στοιχειομετρίας. Όλες οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο του Ινστιτούτου Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής του Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. «Δημόκριτος» χρησιμοποιώντας τον επιταχυντή 5.5 MV Tandem. Τα περισσότερα δεδομένα έχουν ήδη παραχωρηθεί στην IBANDL (Ion Beam Analysis Nuclear Data Library) υπό την αιγίδα της Διεθνούς Επιτροπής Ατομικής Ενέργειας, ώστε να αξιοποιηθούν από τη διεθνή επιστημονική κοινότητα τόσο σε προβλήματα βασικής έρευνας όσο και σε τεχνολογικές εφαρμογές ανάλυσης υλικών. Το δεύτερο μέρος της παρούσας διατριβής έγκειται στην συμπλήρωση των πειραματικών δεδομένων της ελαστικής σκέδασης δευτερίων σε φυσικό οξυγόνο με θεωρητικούς υπολογισμούς με σκοπό την επέκταση της υπάρχουσας φαινομενολογικής μελέτης (evaluation) σε υψηλότερες ενέργειες δευτερίων. Το οξυγόνο επιλέχθηκε καθώς αποτελεί το πιο σημαντικό στοιχείο, μεταξύ των μελετώμενων, από άποψη εφαρμογών. Η θεωρητική μελέτη πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της θεωρίας R-matrix, η οποία αποτελεί την καταλληλότερη θεωρητική προσέγγιση για τον υπολογισμό διαφορικών ενεργών διατομών ελαστικών σκεδάσεων συντονισμού. Η θεωρία R-matrix λαμβάνει υπόψιν της την αλληλεπίδραση του προσπίπτοντος ιόντος με τον πυρήνα συνολικά και οι παράμετροι του συγκεκριμένου θεωρητικού μοντέλου προσδιορίζονται με βάση τις πειραματικά προσδιορισμένες τιμές της διαφορικής ενεργού διατομής. Η παρούσα εργασία είναι δομημένη σε 2 αντίστοιχες ενότητες και συμπληρώνεται από το απαραίτητο θεωρητικό πλαίσιο και τις προοπτικές αυτής της μελέτης.