Pulssitetun positronisuihkun data-analyysi ja ohjausjärjestelmän kehitys
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Helsinki University of Technology |
Diplomityö
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Authors
Date
2009
Department
Major/Subject
Fysiikka (laskennallinen fysiikka)
Mcode
Tfy-105
Degree programme
Language
fi
Pages
67
Series
Abstract
In this work a program for analyzing the spectra measured with the pulsed positron beam at the Department of Applied Physics, Helsinki University of Technology was developed. The device forms accurately timed positron pulses by modulating a monoenergic positron beam with time-varying electric fields. The pulsed positron beam can be used to measure positron lifetime in surface layers and thin films as well as probing the depth profiles of defects. Because of the pulsing the resolution function of the device is more complicated than that of an ordinary lifetime spectrometer, which makes analysis of the measurement data difficult. In addition, effects of diffusion on the results are increased when measuring lifetime in thin layers. Because of these reasons the usual method of fitting lifetime components to the measured spectrum is insufficient. The new program is based on solving the time-dependent diffusion equation, using the calculated positron density profile for calculating the lifetime spectrum and fitting the results to the measured data. The calculation takes into account diffusion, trapping, detrapping, annihilation and surface transition. The analysis software was implemented in Matlab. It uses the non-linear curve fitting routine in the Curve Fitting Toolbox. The user can select which parameters should be fitted, set limits to them and supply guessed values. The user can also select areas in the measured spectrum that will be discarded in the fitting calculation. The algorithm repeatedly calculates the lifetime spectrum with different coefficient values, iterating towards the measured spectrum. Because of the complexity of the model only one or two coefficients can he successfully solved. Since the positron density is dependant on both time and space and both have low step sizes the fitting procedure requires a high amount of computation and memory. The diffusion calculation was tested by calculating the positron density profile in silicon with varying implantation energies and observing its time development. The results indicate the program is working in this respect. During the course of this work other programs used in conjunction with the lifetime beam were modified as well. Features were added and several bugs were corrected.Työssä suunniteltiin ja toteutettiin ohjelma Teknillisen korkeakoulun Teknillisen fysiikan laitoksen pulssitetulla positronisuihkulla mitattavien elinaikaspektrien analysointiin. Pulssitettu positronisuihku muodostaa Na-22 lähteestä ja moderaattorista saatavasta monoenergisestä hiukkassuihkusta tarkasti ajoitettuja positronipulsseja. Laitteistolla voidaan mitata positronin elinaikaa pintakerroksissa ja ohutkalvoissa sekä selvittää defektien syvyysprofiileja. Pulssituksen takia laitteiston resoluutiofunktio on tavallista elinaikalaitteistoa monimutkaisempi, mikä vaikeuttaa mittausdatan analysointia. Lisäksi ohuita kerroksia mitattaessa diffuusion vaikutus lopulliseen tulokseen korostuu. Tällöin tavallinen elinaikakomponentteihin perustuva analyysi ei riitä. Uusi mittausdatan analyysiohjelma perustuu ajasta riippuvan diffuusioyhtälön ratkaisusta laskettavan elinaikaspektrin sovitukseen. Ohjelma laskee fysikaalisia materiaaliparametreja käyttäen positronitiheyden jokaisella aika-askeleella ottaen huomioon diffuusion, loukkuuntumisen, loukuista karkaamisen, annihilaation ja pintaan siirtymisen. Mallinnettava näyte voi olla kaksikerroksinen, jolloin molemmille kerroksille määritetään omat parametrinsa. Ratkaistun positronitiheyden kautta lasketaan elinaikajakauma, joka konvoloidaan laitteiston resoluutiofunktion kanssa. Laskettua elinaikajakaumaa verrataan mitattuun. Analyysiohjelma toteutettiin Matlab:lla käyttäen Curve Fitting Toolbox:n sisältämää epälineaarisen sovituksen suorittavaa algoritmia. Käyttäjä voi valita, mitä parametreja sovitetaan sekä asettaa niille rajat ja alkuarvaukset. Käyttäjä voi myös valita mitatusta datasta alueita, jotka sivuutetaan sovituksessa. Sovitusalgoritmi laskee elinaikajakauman toistuvasti eri parametriarvoilla iteroiden kohti mitattua spektriä. Laitteiston, diffuusiolaskun sekä teoreettisen resoluutiofunktion virheistä johtuen sovitettava malli ei ole täydellinen. Mallin monimutkaisuuden takia käytännössä vain yksi tai kaksi parametria voidaan kerrallaan ratkaista. Sekä aika- että paikkariippuvuuden seurauksena sovitus vaatii suuren määrän laskentatehoa ja muistia. Diffuusiolaskun toimivuutta kokeiltiin laskemalla positronitiheyksiä eri implantaatioenergioilla ja seuraamalla niiden aikakehitystä. Tulokset osoittavat ohjelman toimivan odotusten mukaisesti. Työssä myös lisättiin ominaisuuksia muihin elinaikasuihkun yhteydessä käytettäviin ohjelmiin ja korjattiin niistä löydettyjä virheitä.Description
Supervisor
Puska, MarttiThesis advisor
Tuomisto, FilipReurings, Floris
Keywords
positron spectroscopy, positronispektroskopia, pulsed positron beam, pulssitettu positronisuihku, diffusion, diffuusio, curve fitting, sovitus