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Die Entfaltung des Sekundärionenuntergrundes in gemessenen Spurstrukturdaten in nanometrischen Volumina

18.12.2018

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.

Durch Streuung ionisierter Targetgasmoleküle im Ionentransportsystem werden Sekundärelektronen erzeugt, 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 e, dass ein primäres Ion eine Elektrode trifft, und dem Erwartungswert l einer Poissonverteilung, die die Produktion der sekundären Ionen beschreibt.

Die Korrektur der gemessenen Häufigkeitsverteilung bezüglich des Sekundärionenuntergrundes wurde mit zwei verschiedenen Methoden untersucht. Im ersten Verfahren wurde die Untergrundkorrektur als Minimierungsproblem betrachtet. Hier wurden im Rahmen des Softwarepaketes ORIGIN [2] mit ORIGIN-C die Minimierungsroutinen „E04CCC“ [3] und „E04JBC“ [4] aus den NAG-Bibliotheken eingesetzt. Bei der zweiten Methode wurde ein auf Bayes’scher Statistik basierender iterativer Algorithmus verwendet. Die zweite Methode ist für die Korrektur des Sekundärionenuntergrundes die Methode der Wahl, da sie sich als die robusteste gegenüber Randbedingungen erwies und bei allen untersuchten gemessenen Häufigkeitsverteilungen eine erfolgreiche Untergrundkorrektur erlaubte.

Vergleich untergrundkorrigierter Häufigkeitsverteilungen

Abb.: Vergleich untergrundkorrigierter Häufigkeitsverteilungen von Ionisationsclustergrößen mit der simulierten und der gemessenen Verteilung.
Links: 750 keV Alphateilchen in 1,2 mbar N2, dρ = 0 mg/cm2
Rechts: 88 MeV Kohlenstoffionen in 1,2 mbar C3H8, dρ = 0,85 mg/cm2

Die Abbildung zeigt den Vergleich untergrundkorrigierter Häufigkeitsverteilungen von Ionisationsclustergrößen mit der simulierten und der gemessenen Verteilung für verschiedene Targetgase und Strahlenqualitäten. Die hinsichtlich des Sekundärionenuntergrundes korrigierten Häufigkeitsverteilungen stimmen wesentlich besser mit den Simulationen überein als die gemessenen Verteilungen ohne Korrektur des Sekundärionenuntergrundes.

Referenzen

  1. G. Hilgers, M.U. Bug, H. Rabus
    Unfolding the background of secondary ions in measured nanodosimetric ionisation cluster size distributions;
    eingereicht bei JINST
  2. www.originlab.com