Ion beam ranges in surface oxidized tungsten

Thumbnail Image

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2023-12-23

Department

Major/Subject

Teknillinen fysiikka

Mcode

SCI3028

Degree programme

Teknistieteellinen kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

26

Series

Abstract

A deep understanding of how ion beams behave in different conditions when interacting with solid matter is crucial for advancing nuclear and material sciences, as well as for the development of various practical technologies. The channeling effect allows ions to reach further distances within crystallographic channels. Imperfections in materials, such as an oxide layer on the surface of metals may effect the channeling properties of a material and consequently effect the range. In this study, the effects of the oxide layer on the surface of the target material are studied using a computational simulation. The simulation employs molecular dynamics to simulate the interactions between the ion projectiles and the target material atoms. The range of potassium ions are measured in solid tungsten. The thickness of the oxide layer, temperature of the tungsten sample and the variance of the relative orientation of the ion beam and the crystal lattice are varied to systematically measure the effects of different parameters. The range in different relative horizontal positions of the oxide layer and the tungsten sample were also simulated to observe any effects due to the alignment of the oxide to the underlying crystal structure. The results suggest that the oxide layer among the other measured parameters does have a clear effect on the range, however none of the results could reproduce accurately the previous laboratory measurements of a similar setup. The reasons for the discrepancy remain unclear, thus sparking the need for further research.

Ymmärrys kiinteän aineen kyvystä hidastaa ionien liikettä eri olosuhteissa on äärimmäisen tärkeää ydin- ja materiaalifysiikan sekä useiden teknologian alojen kehitysten kannalta. Kanavointiefektin avulla ionit voivat saavuttaa moninkertaisesti pidempiä läpäisymatkoja krystalligrafisia kanavoja pitkin. Materiaalin epäpuhtaudet, kuten metallin pinta hapettuminen saattavat vaikuttaa materiaalin kanavoitumisominaisuuksiin, josta saattaa seurata muutoksia kantamassa. Tässä työssä tutkittiin pintaoksidikerroksen vaikutusta käyttäen laskennallista simulaatiota. Simulaatiolla mallinnettiin ioniammuksen ja kiinteän aineen atomien välisiä vuorovaikutuksia käyttäen molekyylidynamiikan menetelmiä. Natriumionien kantama mitattiin kiinteässä wolframissa. Oksidikerroksen paksuuden, kiinteän aineen lämpötilan ja hilatason sekä ionisäteen välisen kulman vaikutusta kantamaan mitattiin systemaattisesti eri tilanteissa. Kantama mitattiin myös useassa oksidikerroksen ja wolframihilan suhteellisessa horisontaalisessa sijainnissa, jotta voitiin mitata oksidikerroksen ja wolframin hilarakenteiden linjauksesta aiheutuvat vaikutukset. Tulokset osoittavat, että oksidikerros muiden muuttujien ohella selvästi vaikuttavat kantaman muotoon. Aikaisempien laboratoriomittausten tuloksia ei kuitenkaan onnistuttu toistamaan simulaation avulla. Syyt tähän poikkeavuuteen eivät ole selviä. Tämä poikkeavuus herättää tarpeen molekyylidynamiikan jatkotutkimuksille.

Description

Supervisor

Sand, Andrea

Thesis advisor

Sand, Andrea

Keywords

channeling, electronic stopping, particle radiation, particle physics, molecular dynamics

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202401161412

Collections

[kand] Perustieteiden korkeakoulu / SCI