Published October 6, 1998 | Version v1
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Statistical studies of heating under light ions microbeams: measures, theory and physical effects

Description

Light ion microbeams of a few MeV, such as the one obtained in the Pierre Sue Laboratory, are used to determine chemical composition of materials at a micrometer scale. The interactions between the ions and the sample atoms produce first events, which are necessary for analysis, and secondary effects such as sputtering. The aim of this thesis is the study of one of these latter effects, not much studied until today: the heating due to the slowing down of ions in the sample. Our measures allowed us to observe a mean heating - in keeping with theory - of about 10 K/mW at 10 micrometers from the impact of a typical beam on samples with a thermal conductivity as small as glass one. Nevertheless a main discovery of this work is the evidencing of heating fluctuations arising from the beam current ones. The measure of these fluctuations showed they might produce major physical effects. Actually, we observed instantaneous heating ten times higher than the above mean value, during typical periods of about 10 ms in the immediate vicinity of the beam impact. A statistical solving of the equation of the heat diffusion allowed us to describe the fluctuation behaviour and explain the reason why these fluctuations can dominate the mean heating in the beam vicinity. These results are presented in the first two sections of the thesis. In the third and last one, we show a physical effect induced by the heating under beam: the vaporisation of a thin Zinc film deposited on a glass plate. (author)

Abstract (French)

Les microfaisceaux (dimensions de I'ordre du micron) d'ions legers de quelques MeV, tels que ceux obtenus au Laboratoire Pierre Sue (CEA-CNRS), sont utilises pour determiner la composition chimique a l'echelIe du micron de divers types de materiaux. Les interactions entre les ions du faisceau et les atomes de l'echantillon produisent - mis a part les processus necessaires a l'analyse - des effets secondaires tels que la pulverisation des elements constituant l'echantillon. Le but de cette these est l'etude de l'un de ces effets - peu etudies jusqu'a present - qu'est l'echauffement produit par le freinage total ou partiel des ions dans l'echantillon. Des mesures locales a l'aide de microthermocouples deposes sur l'echantilIon ont ete effectuees in situ. Ces mesures nous ont permis d'observer des echauffements moyens - en accord avec la theorie - de l'ordre de 10 K/mW a 10 micrometres de l'impact d'un faisceau typique sur des echantillons peu conducteurs thermiques comme le verre. Cependant, une decouverte majeure de ce travail est la mise en evidence de l'existence de fluctuations de l'echauffement dues a celles du courant de faisceau. La mesure de ces fluctuations a montre que ces dernieres pouvaient avoir des consequences importantes vis a vis des effets physiques induits. En effet, nous avons pu observer des echauffernents instantanes 10 fois pIus importants pendant une duree typique de l'ordre de 10 ms a proximite immediate du faisceau. Ue resolution statistique de l'equation de la diffusion de la chaleur nous a permis de decrire le comportement de ces fluctuations et d'expliquer la raison de leur eventuelle domination sur l'echauffement moyen a proximlte du faisceau. La presentation des resultats sur l'echauffement constiue les deux premieres parties de la these. Dans la troisieme et derniere partie, nous avons montre un effet physique induit par l'echauffement sous faisceau: celui de la vaporisation d'une fine couche de zinc deposee sur une plaquette de verre. (auteur)

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Original title (French)
Statistique des echauffements sous microfaisceau d'ions legers: Mesures, theorie et effets physiques

Publishing Information

Imprint Pagination
246 p.
Report number
FRCEA-TH--10037

Optional Information

Notes
38 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses