Instrumentation for time-of-flight elastic recoil detection analysis

Abstract

Time-of-flight elastic recoil detection is an ion beam based method to analyze the elemental composition of thin film samples at different depths.

In order to improve the mass resolution and to enable kinematic correction a position sensitive gas ionization chamber energy detector was constructed. This detector along with pre-existing timing detectors were connected to a modern fully digitizing data acquisition setup.

This thesis describes the design of these instruments, including all aspects from the mechanical design of the gas ionization detector to the algorithm and software development of the digitizing acquisition setup. The performance of the system has been studied with measurements and Monte Carlo simulations. New methods to study the data acquisition and instrumentation related effects are introduced and these methods are extended to study a proposed low energy time- of-flight ERDA instrument design.

Lentoaika-ERDA on ionisuihkupohjainen materiaalianalyysimenetelmä, jonka avulla voidaan ohutkalvonäytteen alkuainepitoisuuksia määrittää eri syvyyksiltä pinnan läheltä. Menetelmällä voidaan määrittää samanaikaisesti kevyiden alkuaineiden, ml. vedyn, ja raskaampien aineiden pitoisuuksia.

Menetelmän massaerotuskyvyn parantamiseksi ja kinemaattisen korjauksen mahdollistamiseksi tässä työssä rakennettiin paikkaherkkä kaasun ionisaatioon perustuva energiailmaisin lentoaika-ERDA-laitteiston osaksi. Tämä ilmaisin ja aiemmin rakennetut lentoaikaportit kytkettiin moderniin täysin digitoivaan datankeruuseen.

Tässä väitöskirjassa kuvataan näiden laitteiden suunnitteluun vaikuttavia asioita, kaasuionisaatiokammion mekaanisesta suunnittelusta datankeruujärjestelmän algoritmi- ja ohjelmistokehitykseen. Kehitetyn laitteiston suorituskykyä tutkittiin mittausten ja Monte Carlo -tietokonesimulaatiomenetelmien avulla. Väitöskirjassa esitetään uusia menetelmiä datankeruujärjestelmään ja ilmaisimiin liittyvien ilmiöiden mallintamiseksi ja näitä menetelmiä käytetään uuden laitteistokonseptin suunnittelussa.