Αναλυτική μελέτη της σκέδασης Mott για εφαρμογές σε Ιοντικές Τεχνικές Ανάλυσης

Μαραγκός, Φώτης; Maragkos, Fotis

dc.contributor.author	Μαραγκός, Φώτης	el
dc.contributor.author	Maragkos, Fotis	en
dc.date.available	2019-11-14T10:19:08Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49416
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.17114
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Φυσική και Τεχνολογικές Εφαρμογές”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Πυρηνική Φυσική	el
dc.subject	Ελαστική σκέδαση ταυτόσημων σωματιδίων	el
dc.subject	Ελαστική σκέδαση Mott	el
dc.subject	Ιοντικές Τεχνικές Ανάλυσης	el
dc.subject	Nuclear Physics	en
dc.subject	Nuclear Physics and Applications	en
dc.subject	Ion Beam Analysis	en
dc.subject	Mott Scattering	en
dc.subject	Elastic Scattering of identical Nuclei	en
dc.title	Αναλυτική μελέτη της σκέδασης Mott για εφαρμογές σε Ιοντικές Τεχνικές Ανάλυσης	el
dc.title	Analytical investigation and study of the elastic Mott scattering of identical nuclei for Ion Beam Analysis applications.	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Πυρηνική Φυσική και Εφαρμογές	el
heal.classification	Ion Beam Analysis	en
heal.classification	Ελαστική σκέδαση ταυτόσημων σωματιδίων	el
heal.classification	Elastic scattering of identical nuclei	en
heal.classification	Elastic scattering of identical particles	en
heal.classification	Πυρηνική Φυσική	el
heal.classification	Nuclear Physics	en
heal.classification	προγραμματισμός	el
heal.classification	Scientific Programming	en
heal.classification	Ιοντικές Τεχνικές Ανάλυσης	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-07-18
heal.abstract	Οι τεχνικές Ανάλυσης Δειγμάτων μέσω χρήσης Δέσμης Φορτισμένων Σωματιδίων (Ion Beam Analysis, IBA) αποτελούν μία ομάδα αναλυτικών πειραματικών μεθόδων οι οποίες εφαρμόζονται για τον χαρακτηρισμό υλικών. Η μεγάλη ακρίβεια αυτών έχει καθιερώσει την ευρεία χρήση τους τόσο στον ερευνητικό όσο και στον βιομηχανικό τομέα. Κοινό χαρακτηριστικό των μεθόδων που ανήκουν σε αυτή την οικογένεια είναι η χρήση δέσμης φορτισμένων σωματιδίων (ιόντων). Το ενεργειακό εύρος της δέσμης είναι της τάξης των MeV. Σε αυτές τις ενέργειες τα σωματίδια της δέσμης αλληλοεπιδρούν με τους πυρήνες του στόχου μέσω ελαστικής σκέδασης ή και πυρηνικών αλληλεπιδράσεων. Αυτό επιτρέπει την ταυτοποίηση των στοιχείων από τα οποία αποτελείται ο εκάστοτε στόχος, την ποσοτικοποίηση αυτών και τον καθορισμό της χωρικής τους κατανομής. Οι παραπάνω μέθοδοι μπορούν να εφαρμοστούν είτε για τον χαρακτηρισμό λεπτών στόχων είτε για τον προσδιορισμό της σύστασης της επιφάνειας στόχων απείρου πάχους. Μία από τις πειραματικές τεχνικές που εντάσσονται στην οικογένεια της IBA είναι η Ανάλυση δειγμάτων μέσω Ανίχνευσης Ελαστικά Σκεδαζόμενων Ανακρουόμενων πυρήνων (Elastic Recoil Detection Analysis, ERDA) η οποία εφαρμόζεται για τη μελέτη ελαφρών στοιχείων ενός στόχου. Η δημοτικότητα της μεθόδου παρουσιάζει τα τελευταία χρόνια μεγάλη άνοδο έπειτα από τον συνδυασμό αυτής με μετρήσεις χρόνου πτήσης (TOF-ERDA). Στην ERDA γίνεται χρήση δέσμης η οποία αποτελείται από ιόντα με μεγαλύτερο ατομικό (Ζ) και μαζικό (Α) αριθμό από τους προς μελέτη πυρήνες του στόχου. Η ελαστική σκέδαση των βαρέων ιόντων της δέσμης με τους ελαφρότερους πυρήνες του ατομικού πλέγματος του στόχου οδηγεί στην αποκόλληση αυτών από το ατομικό πλέγμα το οποίο επιτρέπει την ανίχνευσή τους. Ένα σημαντικό πρόβλημα της μεθόδου αυτής είναι η περίπτωση κάποιο από τα στοιχεία του στόχου να αποτελεί το ίδιο ισότοπο με αυτό των ιόντων της δέσμης. Η πιθανότητα αυτή αυξάνεται σημαντικά εάν γίνεται χρήση δέσμης η οποία αποτελείται από ισότοπα με μεγάλη αφθονία στο περιβάλλον όπως 12C ή 16O. Η μεγάλη παρουσία αυτών των ισοτόπων στον φυσικό κόσμο αυξάνει την πιθανότητα επιμόλυνσης του εκάστοτε στόχου από αυτά όμως αρκετές φορές τέτοιου είδους δέσμες προσφέρουν πλεονεκτήματα τεχνικής φύσης. Ως αποτέλεσμα της σκέδασης 2 ταυτόσημων πυρήνων προκύπτουν αποκλίσεις τάξεις μεγέθους από τους γνωστούς τύπους που ακολουθούν οι ελαστικές σκεδάσεις. Αυτό καθιστά την ανάλυση των δεδομένων αδύνατη μέσω των καθιερωμένων μεθοδολογιών. Οι αποκλίσεις αυτές οφείλονται στην κβαντομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο ταυτόσημων πυρήνων. Όταν δύο ταυτόσημα σωματίδια σκεδάζονται ελαστικά είναι αδύνατο να ταυτοποιηθεί εάν το σωματίδιο που ανιχνεύεται αποτελούσε το βλήμα ή το στόχο πριν τη σκέδαση. Η συνεισφορά και των δύο πιθανοτήτων πρέπει να ληφθεί υπ όψιν, το οποίο έχει σαν αποτέλεσμα την εμφάνιση όρου συμβολής λόγω των κυματικών ιδιοτήτων των σωματιδίων. Ο όρος αυτός εξαρτάται από το σπιν των πυρήνων και την κατανομή που αυτά ακολουθούν (φερμιονική ή μποζονική κατανομή). Η ελαστική σκέδαση ταυτόσημων σωματιδίων μελετήθηκε πρώτα από τον Mott ο οποίος υπολόγισε τον αναλυτικό τύπο ο οποίος περιγράφει αυτού του είδους τις σκεδάσεις. Τέτοιου είδους αντιδράσεις ονομάζονται σκεδάσεις Mott. Μία σημαντική υποπερίπτωση της σκέδασης αυτής αποτελεί η σκέδαση πυρήνων με ακέραιο σπιν (μποζόνια) σε συγκεκριμένες ενέργειες. Οι συνθήκες αυτές οδηγούν σε ένα φαινόμενο υπό την ονομασία εγκάρσια ισοτροπία (Transverse Isotropy) στο οποίο ο όρος συμβολής συμβάλλει ελάχιστα στη συνολική ενεργό διατομή της αντίδρασης. Αυτό επιτρέπει τη μελέτη των ασθενών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των δύο πυρήνων. Παρόλο το ενδιαφέρον που παρουσιάζει η σκέδαση Mott, τόσο στο ερευνητικό επίπεδο όσο και στις εφαρμογές της στις τεχνικές ERDA, κανένα από τα ευρέως χρησιμοποιούμενα υπολογιστικά προγράμματα όπως το SIMNRA ή το DF δεν είναι ικανό να δώσει θεωρητικούς υπολογισμούς για την ενεργό διατομή τέτοιων σκεδάσεων. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας αναπτύχθηκε ένα τέτοιο πρόγραμμα υπό την ονομασία MottCalc βασιζόμενο στον αναλυτικό τύπο του Mott για τον υπολογισμό της ενεργού διατομής. Το πρόγραμμα είναι ικανό να υπολογίσει γωνιακές ή ενεργειακές κατανομές σκέδασης Mott για 314 διαφορετικά ισότοπα. Στους υπολογισμούς λαμβάνεται υπ όψιν η συνεισφορά του φαινομένου screening μέσω του εμπειρικού μοντέλου του Andersen. Υλοποιήθηκαν δύο διαφορετικές εκδοχές του προγράμματος. Η μία εκδοχή είναι σε μορφή ενός φύλλου Excel και προσφέρει στον χρήστη την κατανομή της ενεργού διατομής στο σύστημα του εργαστηρίου αλλά και στο σύστημα του κέντρου μάζας, σύγκριση των τιμών με τις αναμενόμενες τιμές από τον τύπο του Rutherford και στα δύο συστήματα καθώς και την επίδραση του φαινομένου screening στα αποτελέσματα. Η δεύτερη εκδοχή είναι μία εφαρμογή η οποία παράγει γωνιακές ή ενεργειακές κατανομές σε R33 αρχεία. Στο παρόν κείμενο γίνεται αναφορά στους διάφορους μηχανισμούς πυρηνικών αλληλεπιδράσεων, στη μέθοδο Ion beam Analysis και ειδικότερα στην τεχνική ERDA καθώς και σε θεωρητικά προβλήματα τα οποία εμφανίζονται σε πειραματικές συνθήκες όπως το φαινόμενο screening. Παρουσιάζεται αναλυτικά η θεωρία της ελαστικής σκέδασης Mott με όλο το βασικό τυπολόγιο που χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη αυτού του προγράμματος. Τέλος παρουσιάζονται οι δύο εκδοχές του προγράμματος, το πως αναπτύχθηκαν και οι βασικές λειτουργίες τους.	el
heal.abstract	Ιn this current work the program MottCalc, which was developed for calculating Mott Scattering cross sections for use in ERD Analysis and applications, is presented. Elastic Recoil Detection Analysis (or E.R.D.A.) techniques are a sub-category of the Ion Beam Analysis (or I.B.A) family of experimental techniques and they are prominently used for the accurate quantitative determination of elemental depth profile concentrations in near surface layers of various matrices. These kind of measurements are needed in a variety of applied science and technological fields like Micro-Electronics, Bio-Medical applications, Archeological measurements and many more since they offer great accuracy and are non- destructive. However, the accidental occurrence of Mott Scattering in such applications is not an unrealistic possibility. As a result, strong deviations from the Rutherford formula appear in the cross section of such elastic scatterings which in turn leads to the need for special treatment of the experimental data. Mott Scattering refers to the elastic scattering of identical nuclei. According to the indistinguishability principle, the scattering of identical nuclei can only be calculated quantum mechanically, leading to an interference term contributing to the reaction’s cross section. This interference term creates oscillations in the cross section resulting in deviations of orders of magnitude when compared to the Rutherford’s formula results for the reaction. These deviations affect both angular and energy distributions. The influence of the interference term depends on the spin and the statistical distribution of the nucleus, fermionic or bosonic, the kinetic energy of the incident nucleus and the detection angle. The phenomenon is described by the analytical Mott formula. Targets used E.R.D.A. in techniques commonly contain unknown impurities. Incidentally, a lot of the more common isotopes found as these impurities, for example carbon, can also be used as incident beams hence the scattering of identical nuclei. The detection however of these instances is only possible in forward detection angles, in the range of 0 to 90 degrees, due to the kinematics of the reaction (scattering of two identical masses). That is why only ERDA applications are susceptible to such accidental occurrences. Using the aforementioned Mott formula, a program, MottCalc, was developed for the calculation of angular or energy cross section distributions. As target and incident nucleus 314 isotopes are available for the user, who can also specify the characteristics of the distribution. The user is also able to expand the list of the available isotopes. For the results to be able to be compared with actual experimental data the screening phenomenon is taken into account by implementing the Andersen model. The program is available in two different versions, as an excel spreadsheet and as an application. The application produces r33 files while the excel spreadsheet provides further information about the screening factors and the cross sections in the Center of Mass frame of reference. Both versions also provide graphs for the distributions. Both versions of the program are presented.	en
heal.advisorName	Κόκκορης, Μιχάλης
heal.committeeMemberName	Λαγογγιάννης, Αναστάσιος
heal.committeeMemberName	Ζάννη Βλαστού, Ρόζα
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	67 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false