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Reduktion des Sekundärionenuntergrundes in gemessenen Spurstrukturdaten in nanometrischen Volumina

20.12.2019

In früheren Untersuchungen der Spurstruktur in nanometrischen Volumina zeigte der Vergleich von mit dem PTB-Nanodosimeter gemessenen mit simulierten Häufigkeitsverteilungen von Ionisationsclustergrößen 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 wurden, 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. Zur Korrektur des Sekundärionenuntergrundes wurden die gemessenen Häufigkeitsverteilungen entfaltet, um den Effekt dieses Untergrundes zu minimieren [1].

Da die Erzeugung der Sekundärionen von den Betriebsparametern des PTB-Nanodosimeters abhängt, wurde der Einfluss dieser Betriebsparameter auf den Sekundärionenuntergrund und die Nachweiswahrscheinlichkeit des Instruments systematisch untersucht mit dem Ziel, den Sekundärionenuntergrund zu minimieren bei gleichzeitigem Erhalt der räumlichen Verteilung der Nachweiswahrscheinlichkeit. Am Ende dieses Prozesses stand ein neuer Satz von Betriebsspannungen für die Ionentransportoptik, die die Targetgasionen aus dem Zielvolumen, wo sie erzeugt werden, extrahiert und zum nachweisenden Detektor transportiert. In diesem neuen Satz von Betriebsspannungen sind die Spannungen an den Elektroden der Ionenoptik auf ein Drittel der vorherigen Spannungswerte reduziert [2].

 

Abb. 1: Vergleich gemessener Häufigkeitsverteilungen (EXP) von Ionisationsclustergrößen mit den alten (HV) und neuen (LV) Betriebsparametern mit den entsprechenden Simulationen (MC) in einem Targetgas von 1,2 mbar C3H8 und mit Alphateilchen aus einer 241Am-Nuklidquelle. Links: Häufigkeitsverteilungen für Teilchenspuren, die das Zielvolumen zentral (d = 0 mm) passieren; rechts: Häufigkeitsverteilungen für Teilchenspuren, die das Zielvolumen im Abstand von d = 4 mm von der zentralen Achse des Zielvolumens passieren.

Abbildung 1 zeigt den Vergleich gemessener Häufigkeitsverteilungen (EXP) von Ionisationsclustergrößen mit den alten (HV) und neuen (LV) Betriebsparametern mit den entsprechenden Simulationen (MC) in einem Targetgas von 1,2 mbar C3H8 und mit Alphateilchen aus einer 241Am-Nuklidquelle. Die beiden Graphen zeigen die Häufigkeitsverteilungen für Teilchenspuren der Alphateilchen, die das Zielvolumen zentral (links, d = 0 mm) und in einem bestimmten Abstand von der zentralen Achse des Zielvolumens (rechts, d = 4 mm) passieren. Die mit den neuen, niedrigen Spannungen gemessene Häufigkeitsverteilung für d = 0 mm zeigt für Clustergrößen ν ⪆ 20 einen deutlich steileren Abfall zu größeren Clustergrößen als die mit den alten, hohen Spannungen gemessene Verteilung und stimmt auch besser mit der Simulation überein. Allerdings ist der Sekundärionenuntergrund nicht vollständig verschwunden, wie sich im Plateau für Clustergrößen  ⪆ 50 andeutet. Für gemessene Häufigkeitsverteilungen, bei denen das primäre Ion das Zielvolumen in großem Abstand passiert, ist die Reduktion des Sekundärionenuntergrundes deutlich weniger ausgeprägt, wie Messungen mit den neuen und alten Spannungen für d = 4 mm zeigen. Darüber hinaus ist die Übereinstimmung mit Simulationen schlechter als für d = 0 mm, was ebenfalls auf einen verbliebenen „Restsekundärionenuntergrund“ hindeutet.

Insgesamt jedoch führen die neuen Betriebsparameter des PTB-Nanodosimeters zu einem signifikant reduzierten Sekundärionenuntergrund.

Literatur

(1)   G. Hilgers, M.U. Bug, H. Rabus: Unfolding the background of secondary ions in measured nanodosimetric ionisation cluster size distributions; JINST 14 P03023 (2019)

(2)   G. Hilgers, H. Rabus: Reducing the background of secondary ions in an ion-counting nanodosimeter; JINST 14 P07012 (2019)