MIC - Mikroanalitski center

Na ionskem pospeševalniku »Tandetron« potekajo raziskave s pospešenimi ionskimi žarki, ki zajemajo analizne metode (angl. Ion Beam Analysis, IBA) in metode za preoblikovanje materialov z visokoenergijskimi ionskimi žarki.

Analizne metode, ki jih z razpoložljivo opremo izvajamo na Mikroanalitskem centru:

• Delčno vzbujena emisija rentgenskih žarkov (Particle Induced X-ray Emmission,PIXE),
• Rutherfordova spektroskopija povratno sipanih ionov (angl. Rutherford Backscattering Spectroscopy, RBS),
• Analiza z jedrskimi reakcijami (angl. Nuclear Reaction Analysis, NRA)
• Spektroskopija elastično odrinjenih ionov (Elastic Recoil Detection Analysis, ERDA),
• Masna spektroskopija sekundarnih ionov z MeV primarnim ionskim žarkom (Secondary Ion Mass Spectroscopy with MeV primary ions, MeV-SIMS),
• Ionska Transmisivna Mikroskopija (Scanning Transmission Ion Microscopy, STIM),
• Visokoločljivostna rentgenska spektroskopija z Johanssonovim spektrometrom z valovnodolžinsko disperzijo (High Energy Resolution X-ray Spectrometry with Wavelength dispersion).
• Protonsko vzbujena emisija žarkov gama (Proton-induced Gamma Emmission, PIGE).

Aplikacije:             

• Na žarkovnih linijah lahko izvajamo ionsko implantacijo visokoenergijskih ionov v izbrane materiale. Ker niz treh ionskih virov omogoča tvorbo poljubnega iona iz periodnega sistema elementov, lahko uporabnikom implantiramo širok spekter ionov in energij med 100 keV in 12 MeV.     

• Tri-dimenzionalna razporeditev mineralnih hranil v listih rastlin
• Slikanje molekularnih porazdelitev na nivoju celice (IMAGOCELL)
• TissueMaps
• Raziskave ionoma kulturnih rastlin za pridelavo varne in kakovostne hrane
• Prostorska razporeditev elementov in metabolitov v rastlinah
• RADIATE - Research and Development with Ion beams-Advancing Technology in Europe
• Molekularno slikanje v celici (MICE)
• Premična kulturna dediščina: arheološke in arheometrične raziskave
• S spoznanji iz delovanja rastlin z učinkovitim privzemom mineralnih hranil do izboljšane preskrbe z minerali
• Izdelava posameznih NV centrov v diamantu z ionsko implantacijo
• Molekularno slikanje na podceličnem nivoju z metodo MeV-SIMS
• Voda na luni, njen izvor in dinamika
• Vodnik za transport ionov iz atmosfere v vakuum

Zmogljivost tandemskega pospeševalnika v veliki meri določajo ionski izvori, v katerih oblikujemo nizkoenergijski žarek negativnih ionov in ga usmerimo v pospeševalno cev. Ljubljanski Tandetron je v primerjavi s podobnimi instalacijami v Evropi še posebej zmogljiv, saj poleg dveh standardnih ionskih izvorov (odprševalni izvor  in duoplazmatron) uporablja še izredno svetel vir negativnih vodikovih ionov z mednarodno uveljavljenim imenom multicusp. Tako v odprševalnem izvoru oblikujemo žarke ionov iz celega periodnega sistema elementov, v duoplazmatronu žarke ionov ³He in ⁴He, v izvoru multicusp pa zelo svetle in močne žarke negativnih vodikovih ionov. V tandemskem pospeševalniku negativne ione pospešimo in z njih “olupimo“ elektrone, tako da na izhodu izdelamo žarke pozitivno nabitih ionov z energijami v območju MeV (megaelektron voltov).

Na sliki spodaj: izvor multicusp (levo), odprševalni izvor in duoplazmatron (v skupnem ohišju v sredini)

Na sliki spodaj: duplazmatron, za žarke ³He /⁴He

Ionski izvor multicusp omogoča oblikovanje ionskega žarka negativnih vodikovih ionov z zelo veliko svetlostjo. Visoka svetlost žarka je odločilna pri oblikovanju visokoenergijskega fokusiranega protonskega žarka, s katerim izvajamo spektroskopijo mikro-PIXE. Z instalacijo ionskega izvira “multicusp” je na Ljubljanskem tandemskem pospeševalniku pričel obratovati visokoenergijski fokusiran protonski žarek z največjo svetlostjo na svetu.

Spodaj nekaj fotografij multicusp izvora med servisiranjem ter v obratovanju (kliknite za povečavo)

Na žarkovni liniji z zunanjim žarkom izvajamo meritve z metodo PIXE v zraku na objektih, ki jih ni mogoče vstaviti v vakuum, npr. umetniška platna iz Narodne galerije, pri katerih pred postopki restavriranja določimo tipe originalnih pigmentov.

Na ionskem mikrožarku izvajamo metode PIXE, RBS, NRA, STIM in MeV-SIMS s fokusiranim žarkom, ki ga v obliki rastra premikamo po izbranem delu vzorca. Žarek s kvadrupolnimi lečami zberemo v premer 700 nanometrov, in s tako lateralno ločljivostjo izmerimo elementne ali molekularne porazdelitve v vzorcu. Po obsegu meritev zelo izstopajo meritve na bioloških in medicinskih vzorcih.

Ionski nanožarek je naslednik ionskega mikrožarka, zato so analitske metode, ki se na njem izvajajo enake. Ionski žarek s trenutno najbolj optimalnimi nastavitvami na objektni reži, kolimatorski reži, kvadrupolnih magnetnimi lečami in magnetnim sistemom za skeniranje zberemo v premer nekaj 100 nanometrov, in s tako lateralno ločljivostjo izmerimo elementne ali molekularne porazdelitve v vzorcu. Dve izstopajoči nadgradnji nanožarka sta vgradnja sistema za aktivno suspenzijo vibracij na eksperimentalni postaji, ki v manj kot milisekundi zaduši vibracije iz okolice in namestitev mu-metalnega ščita po skoraj celotni dolžini žarkovne linije, katerega naloga je odklon magnetnega polja, ki vpliva na trajektorijo ionskega žarka.

Na žarkovni liniji ERDA/RBS, ki nosi tudi naziv INSIBA (angl. In situ Ion Beam Analysis) merimo statične in dinamične lastnosti materialov, npr. vsebnost ali dinamiko difuzije devterija v kovinah z metodo NRA, pri kateri vzorec obstreljujemo z ionskimi žarki ³He. Merilna postaja je opremljena s 6-osnim goniometrom (z možnostjo hlajenja in segrevanja), ki omogoča izredno natančno poravnavo vzorcev, kar je nujno za proučevanje kanaliziranja ionov v kristalnih mrežah. Raziskave so zelo pomembne za področje fuzije, zato organizacija EUROFUSION sofinancira nabavo zelo dragega plina ³He.

Na merilni postaji PIXE jedrski astrofiziki preučujejo jedrske reakcije, ki so bile ključne v procesu nukleosinteze po velikem poku, in jedrske reakcije, ki potekajo v notranjosti zvezd. Pri tem uporabljajo kombinacijo lahkih primarnih ionov (¹H, ³He , ⁴He, ⁶Li, ⁷Li...) iz ionskega pospeševalnika, in lahkih tarčnih jeder.

Na žarkovni liniji UHV-IBA, ki je trenutno v gradnji, bomo merili statične in dinamične lastnosti materialov, npr. vsebnost ali dinamiko difuzije devterija v kovinah z metodo NRA, pri kateri vzorec obstreljujemo z ionskimi žarki 3He. Eksperimentalna postaja bo opremljena z Augerjevim elektronskim spektrometrom in goniometrom, ki bo omogočal meritve defektov v kristalni rešetki (ang. channelling). Raziskave bodo zelo pomembne za področje fuzije in dinamike vodikovih izotopov v materialih.

Na žarkovni liniji z visokoločljivostno rentgensko spektrometrijo je mogoče določati kemijska stanja elementov s pomočjo meritve rentgenske emisije z visoko energijsko ločljivostjo. S to metodo med drugim preučujemo kemijske procese med obratovanjem baterij in situ v sodelovanju s Kemijskim institutom, in izpopolnjujemo baze ionizacijskih presekov za spektrometer APXS na roverju »Curiosity« na Marsu v sodelovanju z Univerzo v Guelphu, Kanada.

Žarkovna linija LEB (Low Energy Branch), ki je trenutno v gradnji, bo specializirana za nizkoenergijske raziskave. Glavna ideja projekta je dodati širok razpon aplikacij z nizkoenergijskimi ionski žarki k obstoječi infrastrukturi. S pripadajočimi ionskimi izvori bo na žarkovni liniji mogoča priprava širokega spektra visoko-tokovnih ionskih žarkov lahkih (H, He, C, B, 15N), srednje težkih (Si) in težkih (Ag, W, Pb, Bi) kemijskih elementov, energij od 1 do 30 keV. Ionski žarki se bodo uporabljali za različne aplikacije, kot npr. implantacija plinov v trdne tarče, ustvarjanje NV centrov v diamantu, potrebnih za raziskave v kvantnem računalništvu, študije interakcij ion-plin pri nizkih energijah, itd.

Predstavitev dejavnosti MIC_2023.pdf