Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/10451/16078
Título: Implantation and ion beam analysis of thin gold films in the framework of the MARE experiment
Autor: Guerreiro, Alexandra Furtado
Orientador: Gomes, Maria José Ribeiro, 1970-
Palavras-chave: Massa do neutrino
Microcalorímetro
TES
Filmes finos
Teses de mestrado - 2014
Data de Defesa: 2014
Resumo: A experiencia Microcalorimeter Arrays for a Rhenium Experiment (MARE) tem como objectivo a medição da massa do neutrino do electrão com uma sensibilidade de 0.1eV e ser uma alternativa competitiva a experiencia KATRIN, que utiliza como detector um espectrómetro,. MARE usará a técnica de calorimetria, onde os absorvedores dos microcalorímetros serão constituídos por um isótopo com uma baixa energia de transição, Q, no decaimento beta. Esta experiencia ira usar o decaimento beta do isótopo 187Re, devido ao seu valor baixo de Q, a sua abundancia isotópica e reduzida capacidade térmica. O potencial deste isótopo para uma experiência calorimétrica na medição da massa do neutrino já foi demonstrada pelas experiências MANU e MIBETA. Alternativamente, HOLmium EC MEaSurement for electron neutrino mass measurement (HOLMES) foi desenvolvida pela colaboração MARE, onde a determinação directa da massa do neutrino será conseguida usando o processo de captura de electrões do isótopo 163Ho, devido ao seu baixo valor de Q e a sua pequena vida-média, utilizando, também, microcalorímetros criogénicos. O grande avanço da tecnologia microcalorimétrica e as suas aplicações devem‐se ao desenvolvimento dos microcalorímetros TES como espectrómetros de imagem. Hoje em dia, a tecnologia com microcalorímetros criogénicos pode ser usada numa experiencia de larga escala com excelente resolução de energia e de tempo. Os microcalorímetros de Sensor de Borda de Transição (TES) são a escolha para o detetor numa experiencia com o objectivo de medir o decaimento radioativo de captura de eletrões do holmio, fornecendo o valor da massa do neutrino do eletrão. Uma fonte de 163Ho incorporada num microcalorímetro TES para medição de massa do neutrino está em curso no âmbito da colaboração das experiencias MARE e HOLMES. Para optimizar os parâmetros do detector de HOLMES, é importante conhecer as alterações das propriedades térmicas do absorvedor quando implantado com 163Ho. Uma vez que o 163Ho é produto da activação de neutrões do 162Er, também é necessário conhecer os efeitos de érbio, quando incorporado no absorvedor. Particularmente, a propriedade de interesse e a capacidade térmica do Uma opção que está a ser investigada e a implantação do isótopo radioactivo num de ouro, dado que o ouro tem sido utilizado com sucesso em outras aplicações, e as suas características correspondem aos requisitos necessários para uma experiencia como HOLMES. Este trabalho, realizado no âmbito das atividades de I&D do projeto PTDC/FIS/116719/2010, consistiu na implantação de iões metálicos não radioativos de Ho e Er em filmes finos de ouro e na sua caracterização usando Analises de Feixe de Iões e a Análise de Difração de raio‐X, e também em medições de baixa temperatura, utilizando um refrigerador de diluição equipado com um SQUID para medir a região de transição do material supercondutor de um dispositivo TES. Para uma elevada estatística na região próxima do valor Q e importante um elevado número de decaimentos, o qual implica uma concentração elevada de 163Ho e de 162Er. A motivação deste trabalho consistiu em aumentar, uma ordem de grandeza, a concentração de ambos os isótopos, Ho e Er, em relação aos valores usados numa experiência anterior. Desta forma, é possível estudar os fenómenos inerentes ao processo de implantação e, ao se testar doses cada vez mais elevadas, de acordo com os requisitos de HOLMES, é possível optimizar o processo de implantação. Os parâmetros originalmente estabelecidos para implantação foram plenamente alcançados na experiência anterior, em 12 amostras, sem danos da amostra ou contaminação. Os resultados deste trabalho mostraram que não foi possível atingir os parâmetros de implantação conforme planeado e garantir uma elevada qualidade dos filmes. Além disso, os parâmetros de implantação foram fundamentais para no futuro contornar-se processos de sputtering na superfície do filme durante o processo de implantação e a degradação física e química das propriedades do filme.
The Microcalorimeter Arrays for a Rhenium Experiment (MARE) aims at providing a competitive alternative to the spectrometric approach, used by KATRIN experiment, in the effort of measuring the neutrino mass with a sensitivity as low as 0.1 eV. MARE will use the calorimetric technique, where the thermal microcalorimeters absorbers will contain a low transition energy Q beta decaying isotope. This experiment will use Re β‐decay, due to its low Q value, isotopic abundance and reduced thermal capacity. The potential of this isotope for a calorimetric neutrino mass experiment has already been demonstrated by MANU and MIBETA experiments. A parallel experiment is being developed by the MARE collaboration, called HOLmium EC MEaSurement for electron neutrino mass measurement (HOLMES) experiment, where the electron neutrino direct mass determination will be achieved using the electron capture process of 163Ho, due to its low Q value and its short half‐life, also using cryogenic microcalorimeters. There has been huge improvement in microcalorimetric technology and its applications due to the development of TES microcalorimeters as imaging spectrometers. Nowadays, cryogenic microcalorimeter technology can be used in a large scale experiment with excellent energy and time resolutions. Transition Edge Sensor (TES) microcalorimeters are the detector choice for an experiment with the goal of measuring the electron capture decay of holmium radioactive, providing the value of electron neutrino mass. A source of 163Ho embedded in a TES microcalorimeter for neutrino mass measurement is under course on the framework of the MARE collaboration and HOLMES experiment. To optimize the detector parameters for HOLMES it is important to know the changes in the absorber thermal properties when 163Ho is embedded in the detector. Since, 163Ho is a product of the neutron activation of 162Er it is also necessary to know the effects of erbium when embedded in the absorber. The particular property of interest is the absorber heat capacity. One option that is being investigated is to implant the radioactive isotope into a gold absorber, as gold has been successfully used in other applications, and its characteristics match the requirements needed for an experiment such as HOLMES. This work, performed within the R&D activities of the project PTDC/FIS/116719/2010, consisted on the ion implantation of metallic non-radioactive Ho and Er in gold thin films and its characterization using Ion Beam Analysis and X‐Ray diffraction analysis, and also low temperature measurements using a dilution refrigerator equipped with a SQUID to measure the transition region of a TES device. In order to have high statistics at the Q value region it is important to have a high number of decays, which implies a high concentration of both 163Ho and 162Er. The motivation of this work was to increase the concentration of both Ho and Er, one order of magnitude higher than the ones used in a previous experiment. In this way, it is possible to study the inherent phenomena to the implantation process and, when testing increasingly high doses, according to HOLMES requirements, it is possible to optimize the implantation process. The parameters originally set for implantation have been fully achieved in this previous experiment in 12 samples, with no sample damage nor sputtering nor contamination processes. The results of this work showed that it was not possible to achieve the implantation parameters as planned guaranteeing the high quality of the thin films. Furthermore, implantation parameters were a paramount in order to avoid sputtering processes on the film surface during ion implantation and further physical and chemical degradation of the film properties.
Descrição: Tese de mestrado integrado em Engenharia Física, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2014
URI: http://hdl.handle.net/10451/16078
Designação: Mestrado Integrado em Engenharia Física
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