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Die Auswirkungen sekundärer Ionisationen auf den Vergleich gemessener und simulierter Spurstrukturparameter in nanometrischen Volumina

14.12.2015

Die Einbeziehung des Sekundärionenuntergrundes in die Simulation der Häufigkeitsverteilungen von Ionisationsclustergrößen führt zu einer signifikant verbesserten Übereinstimmung zwischen Messungen und Simulationen.

Der Vergleich von mit dem PTB-Nanodosimeter gemessenen mit simulierten Häufigkeitsverteilungen von Ionisationsclustergrößen zeigt für kleine Ionisationscluster mit einer großen relativen Häufigkeit eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation, während für große Ionisationscluster signifikante Abweichungen zwischen Messung und Simulation beobachtet werden, und zwar bei allen untersuchten Kombinationen von Targetgas und Strahlenqualität.

Im Zuge der Simulation der räumlichen Verteilung der Nachweiswahrscheinlichkeit für die ionisierten Targetgasmoleküle wurde beobachtet, dass beim Transport der ionisierten Targetgasmoleküle diese auf Elektroden im Ionentransportsystem gestreut werden. Dadurch können an diesen Elektroden Sekundärelektronen erzeugt werden, die ihrerseits wiederum neutrale Targetgasmoleküle im Transportsystem ionisieren können. Der auf diese Weise erzeugte Untergrund aus Sekundärionen überlagert sich mit den primären Ionen, und beide „Ionentypen“ sind nicht voneinander separierbar. Da die Produktion der Sekundärionen nur vom Targetgas und von der Geometrie und den Potentialen des Ionentransportsystems bestimmt wird, ist der relative Anteil des Sekundärionenuntergrundes unabhängig von der Erzeugung der primären Ionen und damit unabhängig von der Strahlenqualität. Daher kann, für ein gegebenes Targetgas, der Sekundärionenuntergrund mit zwei Parametern charakterisiert werden: der Wahrscheinlichkeit ε, dass ein primäres Ion eine Elektrode trifft, und dem Erwartungswert λ einer Poissonverteilung, die die Produktion der sekundären Ionen beschreibt. Für 1,2 mbar N2 ergaben sich die Werte ε = 0,045 und λ = 3,2, für 1,2 mbar C3H8 ergaben sich ε = 0,0065 und λ = 15.

Abb. 1: Vergleich gemessener Häufigkeitsverteilungen von Ionisationsclustergrößen mit simulierten Verteilungen mit und ohne Sekundärionenuntergrundkorrektur für 1,2 mbar N2. Links: 0,29 MeV Protonen, rechts: 0,39 MeV Alphateilchen.

Abbildung 1 zeigt den Vergleich gemessener Häufigkeitsverteilungen von Ionisationsclustergrößen mit simulierten Verteilungen mit und ohne Sekundärionenuntergrundkorrektur für 1,2 mbar N2. Die simulierten und hinsichtlich des Sekundärionenuntergrundes korrigierten Häufigkeitsverteilungen stimmen sowohl für Protonen als auch für Alphateilchen wesentlich besser mit den gemessenen Verteilungen überein als die Simulationen ohne Korrektur des Sekundärionenuntergrundes. Ein vergleichbares Resultat ergibt sich für 1,2 mbar C3H8 als Targetgas.

Literatur

  1. G. Hilgers, M. U. Bug, E. Gargioni, H. Rabus:
    Secondary ionisations in a wall-less ion-counting nanodosimeter: quantitative analysis and the effect on the comparison of measured and simulated track structure parameters in nanometric volumes;
    zur Veröffentlichung angenommen bei EPJD