Timepix and FitPix detection system for RBS/C materials analysis

Abstract

Esta tese relata a implementação de um detetor sensível à posição do tipo Timepix num laboratório de feixe de iões para uso com feixe de 1H+ e 4He+ com 2MeV colimado a 0.5mm para uso em Espetroscopia de Retrodispersão de Rutherford (RBS/C). É dada uma descrição completa da metodologia usada para calibração em energia, análise de dados de RBS e sua simulação com o método de Monte Carlo através do programa FLUX. A calibração em energia foi realizada por impulsos internos e a resultante resolução e precisão foram verificadas em dois modos. O primeiro usando uma fonte de partículas alfa composta pelos isótopos 239Pu, 241Am e 244Cm e o segundo usando um espectro de RBS da medida de um filme fino de Au/SiO2/C. Caracterização do sistema de medida para experiências de canalização iónica for realizada com cristais únicos de silício (Si), carboneto de silício (6HSiC) e titanato de estrôncio (SrTiO3). A resolução em energia alcançada foi de 47.2keV para He+ a uma energia de retrodisperção de 1862keV e resolução angular de 0.11 (desvio padrão). Foram alcançadas taxas de contagens até 2kHz com uma velocidade de frame de 15 frames/s. Taxas de contagens mais elevadas são possíveis, no entanto, tem o custo de um aumento do tempo morto do detetor. Não foi encontrado nenhum efeito notável na resolução em energia devido a dano por radiação depois de uma fluência de 7.5 107partículas/cm2.

This thesis reports the implementation of a Timepix position sensitive detector in a ion beam facility with a 0.5mm collimated beam of 2MeV 1H+ and 4He+ for use in Rutherford Back-scattering Spectrometry channelling (RBS/C). A complete description is given of the methodology used for energy calibration, RBS data analysis and simulation with the FLUX Monte Carlo simulation program. Energy calibration was performed with internal test pulses and resulting resolution and accuracy were verified in two ways. The first time using a triple alpha source with the isotopes 239Pu, 241Am and 244Cm and secondly using a RBS spectrum of a thin film sample of Au/SiO2/C. Setup characterization for channelling measurements was performed using single crystals of Si, 6H-SiC and SrTiO3. An energy resolution of 47.2keV at 1862keV for He+ and an angular resolution of 0.11 (standard deviation) was achieved. Count rates as high as 2kHz were achieved with a frame rate of 15 frames/s. Higher count rates are possible, however, at the cost of an increase pile-up or increase in the detector dead-time. No radiation damage effect on the energy resolution was perceivable after a fluence of 7.5 107particles/cm2.