INSTITUTRUĐERBOŠKOVIĆ

Sustav

Tandem

Akceleratora

Povijest akceleratora na Institutu Ruđer

Bošković:

- 1956 – 200 kV neutronski generator (slika dolje)

- 1962 – 16 MeV ciklotron

- 1970 – 200 kV neutronski generator

- 1987 – 6 MV Tandem Van de Graaff

- 2004 – 1 MV HVE Tandetron

- 2009 – 18 MeV IBA protonski ciklotron

200 kV Cockroft Walton akcelerator izgrađen na Institutu

1956. godine. Većinom je radio kao neutronski generator

upotrebljavajući H(d,n) He i, kasnije, H(d,n) reakcije.

Tijekom 15 godina rada na njemu je Izrađeno 30 magisterija

i doktorata.

2 3 3�

Eksperimentalne linije:

�

�

�

�

�

Ionska mikroproba

Komora za ozračivanja s dva ionska snopa

Eksperimentalne linije s komorama za

karakterizacijske metode (višenamjenska, PIXE s

visokim razlučivanjem, komora s visokim

vakuumom za ERDA/RBS spektroskopije)

Komora za nuklearne reakcije

IAEA eksperimentalna linija

Dostupni ionski snopovi:

6.0 MV HVEC EN Tandem Van de Graaff

1.0 MV HVE Tandetron

Ionski izvori:

Ionski izvori:

� 60 keV RF s izmjenom naboja (H,D, He)

Duoplazmatron s direktnom ekstrakcijom (H, D, O)

Izvor težih iona (planiran za 2011)

3,4

�

�

�

Rasprašivački (sputtering) ionski izvori:- 60 keV SNICS 40 za rutinski rad (Li, C, O, Si, Cl i

gotovo svi preostali elementi osim plemenitihplinova)

- 20 keV specijalizirani (prljavi) izvor za rijetkeizotope

1. Analize pomoću ionskog snopa

Ozračivanjem uzorka inducira se emisija raznovrsnih

produkata međudjelovanja. Detekcijom tih produkata mogu

se proučavati svojstva materijala koji je izložen ionskom snopu.

Standardni promjeri ionskog snopa su milimetarskih veličina.

Sustav kvadrupolnih magneta ionske mikroprobe može

fokusirati snop na veličinu ispod 1 μm, čime je omogućena

analiza mikroskopskih uzoraka.

Na posebnoj eksperimentalnoj liniji može se provesti PIXE

analiza uzoraka u zraku. To je posebno važno za analizu

jedinstvenih predmeta kulturne baštine.

PIXE (Particle Induced X-ray Emission) spektroskopija bazira se

na detekciji karakterističnih x-zraka koje emitiraju atomi nakon

ionizacije protonskim snopom.

Iz PIXE spektra dobivenog mjerenjem uzorka pretražnim

fokusiranim snopom može se odrediti raspodjela elemenata u

području pretraživanja.

Ova osjetljiva i multielementalna (11<Z<92) analitička metoda

koristi se u analizi novih materijala, praćenja onečišćenja

lebdećim česticama u zraku, analizi uzoraka predmeta

kulturne baštine kao i za razne primjene u geologiji, biologiji i

medicini.

NRA (Nuclear Reaction Analysis) metoda se temelji na detekciji

produkata nuklearnih reakcija, što je posebice korisno za

analizu lakih elemenata kao što su Li, Be, B, C, N, O.

Elastična raspršenja čestica iz ionskog snopa i izbijanje jezgri iz

uzorka čine bazu RBS i ERDA metoda dubinskog profiliranja.

u nanometarskom području,

a zajedničkom primjenom se mogu analizirati svi elementi

periodnog sustava.

Njihovo dubinsko razlućivanje je

RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry) je

kvantitativna metoda za analizu tankih filmova i slojeva blizu

površine uzorka. Ima vrlo veliku osjetljivost za teške elemente,

a posebice kada je podloga od nekog lakog elementa. Za

kvantitativnu analizu sastava i debljina nisu potrebni

standardi.

Teškoionska mikroproba s kvadrupolnim kvintupletom (gore) i

višenamjenskom vakuumskom komorom (lijevo)

Dva ERDA spektrometra, sustav koji mjeri vrijeme preleta

(TOF) i IEE sustav koji se koristi za lake elemente mogu se

koristiti i sa širokim snopom i sa fokusiranim

mikrometarskim snopom.

ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis) metoda, koristeći IEE

ili TOF spektrometre na IRB-u, može bez prekrivanja doprinosa

razlučiti dubinske profile pojedinih elemenata. Zbog toga je

posebno pogodna za analizu lakih elemenata što uključuje i

vodik.

Kada se provedu na ionskoj mikroprobi, metode elastičnog

raspršenja (RBS, ERDA i koincidentno raspršenje) daju uvid u

3D distribuciju elemenata.

Pr

akceler

sustava

Ruđer

IAEAeksperimentalna

linija

Ozračivanjedvostrukim

snopom

PIXE u

zraku

1.0 MV HVE Tandetron

akcelerator

PIXE/RBS

rikaz

ratorskog

a Instituta

Bošković

TOF ERDAPIXE

spektrometars kristalom

6.0 MV EN Tandem Van

de Graaff akcelerator

Nuklearne

reakcije

Ionska

mikroproba

2. Modifikacija materijala

Ionska implantacija, ozračivanje i litografija ionskim snopom

mogu se upotrijebiti za raznovrsne površinske i dubinske

modifikacije materijala.

Dostupne energije iona su u području od nekoliko desetaka

keV-a (iz ionskih izvora) do desetaka MeV-a za teške ione.

Ozračivanje se može vršiti homogeno pomoću jedne ili dvije

vrste ionskih snopova, ili se može upotrijebiti fokusirani ionski

snop za strukturiranje u submikrometarskom području

dimenzija.

Ozračivanje lakim ionima:Mogu se proizvesti homogena oštećenja zračenjem za

samoorganiziranje, litografiju, proučavanje defekata itd.

Primjer: višeslojne strukture Ge nanotočaka u siliciju se

organiziraju uzduž smjera ozračivanja ionima kisika (lijevo);

jako povećanje luminiscencije je opaženo nakon ozračivanja

kompozita PDMS i nanodijamanta s protonskim snopom

(desno).

Ozračivanje brzim teškim ionima:Veliki transfer energije brzih teških iona (energije veće od 1

MeV/amu) omogućuje formiranje latentnih tragova

oštećenja promjera do desetak nanometara koji su pogodni

za razvoj novih metoda nanostrukturiranja.

Pojedinačni ionski tragovi:

Latentni tragovi iona se nakon jetkanja mogu koristiti kao

kalupi za različite nanostrukture.

Nakon ozračivanja SrTiO ionima

joda pod malim kutem, na AFM

slikama se primjećuju lanci

nanouzvisina čija dužina ovisi o

energiji iona - 13 MeV (a), 18

MeV (b) i 28 MeV (c).

2

Ionska implantacija se koristi kao metoda za ubacivanje

stranih atoma na određenu dubinu u uzorcima. U isto vrijeme,

zbog odboja atoma, mijenjaju se i svojstva ozračenog

materijala što uključuje i svojstva transporta naboja.

Vodljivi grafitni kanali u dijamantu proizvedeni

pomoću implantacije fokusiranog 6 MeV C ionskog

snopa i naknadnim grijanjem

Uzduž putanje pojedinačnih iona pri implantaciji se stvaraju

nabojni parovi. Nosioci naboja, ubrzani električnim poljem,

induciraju signal na mjernim elektrodama. Visina signala

proporcionalna je pokretljivosti i vremenu života nosioca

naboja kao i jakosti električnog polja. To je temelj

metode.

IBIC (IonBeam Induced Charge)

2D IBIC slike prikazuju područja smanjene efikasnosti

sakupljanja naboja na granicama zrna u CVD dijamantu

(lijevo) i dislokacijama u Si (desno)

IBIC slika defekata koji su u Si pin diodu unešeni u obliku

Mondrianove slike (dimenzija 400 x 400 μm).

3. Fundamentalni procesi

Fundamentalni procesi povezani s interakcijom ionskog snopa

i materijala:

- Zaustavna moć iona u čvrstim tvarima

- Elastična rapršenja i nuklearne reakcije

Primjer: elastični udarni presjeci za

N(p,p) N reakciju kao funkcija kuta raspršenja

i energije protona.

nat nat

- procesi ionizacije unutarnjih ljuski i emisije X-zraka,

uključujući kemijske efekte i efekte čvrstog stanja

Primjer: Visokorazlučivi PIXE spektar vanadijeve K grupe

linija u spoju V O . Doprinosi drugog reda K ’’ i K jasno se

vide u području energije iznad glavnog vrha. Njihovi položaji

i relativni intenziteti razlikuju se za različite vanadijeve

spojeve.

�

� �2 5 2,5

4. Nuklearna fizika i astrofizika

Područja istraživanja Laboratorija za nuklearnu fiziku:

- Struktura lakih jezgri: grozdovi, molekule

- Nuklearne reakcije s deformiranim jezgrama

- Nuklearne reakcije koje su važne u astrofizici: indirektne

metode

Metoda trojanskog konja: indirektno mjerenje nuklearnih

reakcija na astrofizičkim energijama

Nuklearna molekula:

Proširena struktura

grozdova

• Sustav akceleratora IRB-a dostupan je svim istraživačima iz

sustava znanosti Republike Hrvatske

IAEA eksperimentalna linija na Tandem Van de Graaff

akceleratoru u funkciji je prema sporazumu IAEA-IRB od

1996.g.

Laboratorij za interakcije ionskih snopova IRB-a je član FP7

SPIRIT (Support of Public and Industrial Research Using Ion

beam Technology) mreže koja se sastoji od 11 vodećih

Europskih akceleratorskih laboratorija.

Strani korisnici mogu koristiti postrojenje preko

međunarodnih projekata financiranih od strane EU i IAEA,

te na komercijalnoj osnovi.

•

•

•

Kontakt:

Laboratorij za interakcije ionskih snopova (LIBI)

Bijenička cesta 54, 10000 Zagreb, CROATIA

http://micro.irb.hr

Institut Ruđer Bošković

Financirano iz 6-tog Okvirnog Programa Europske

Unije, Projekt RBI-AF, Ugovor No. 043630