Development of Techniques for 3D Imaging with Focused Ion Beams - Hydrogen Depth Profiling and Microtomography with Applications in Geology

Abstract: Popular Abstract in Swedish Inom jonstråleanalysen används en partikelstråle, vanligtvis av protoner eller alfapartiklar, med hög energi för undersökning av prov. Då dessa partiklar skjuts in i provet sker kollisioner, reaktioner eller annan form av växelverkan med elektroner och kärnor i provets inre. En del av dessa processer ger upphov till högenergetisk strålning som kan studeras med lämpliga detektorer. Ur den information som fångas med detektorerna kan slutsatser dras om provets sammansättning, massfördelning eller koncentrationen av olika grundämnen. Om partikelstrålen fokuseras ner till en storlek runt en tusendels millimeter och flyttas över provet, så att endast en liten area analyseras i taget, kan informationen användas till att skapa kartor över provet. Dessa tvådimensionella kartor har dock den svagheten att de visar den sammanlagda informationen över hela provets tjocklek (eller i vissa fall från provets yta ner till ett visst djup) överlagrat i samma karta, på samma sätt som röntgenbilder inom medicinen. Sådana kartor är svåra att tolka och det är omöjligt att urskilja t.ex. om ett visst grundämne är jämnt fördelat eller om det är speciellt ansamlat på ett specifikt djup i provet. Då kan analysmetoder som möjliggör tredimensionell avbildning vara ett intressant alternativ. Detta arbete handlar om just utveckling av metoder för att utvinna tredimensionell information ur ett prov. Två helt olika metoder presenteras: en för analys av vätehalten i geologiska prov och en annan för studier av massfördelningen med hjälp av mikrotomografi. Alla experiment har utförts vid Lunds Nukleära Mikrosond, som är ett instrument bestående av en 3 MV Van de Graaff accelerator med tillhörande strålrör med optik för strålfokusering, samt experimentkammare, detektorer och datainsamlingssystem. Väteanalysen utförs med s.k. proton-protonspridning. En proton skjuts in i ett prov där den kolliderar med en vätekärna (som även den är en proton) och båda dessa sprids ut ur provet och detekteras parvis samtidigt i en specialanpassad tvådelad detektor. Metoden är helt specifik för väte, för om den infallande protonen skulle träffa på en annan kärna än just en vätekärna, så nås detektorn inte av två samtidiga protoner. Metoden har hög känslighet och kan detektera mycket låga koncentrationer av väte, ända ner till ppm-området. Dessutom kan informationen användas för att diskriminera vätekontaminering på provytan från vätekoncentrationen inne i provet. När vi i vardagslag talar om tomografi, menar vi ofta s.k. skiktröntgen inom medicinen, som används t.ex. vid diagnostik eller för att studera hur människokroppen ser ut inuti. I detta arbete beskrivs design, utveckling och uppbyggnad av ett flexibelt system för jonstråletomografi av mikroskopiska prover. Valet av rekonstruktionsteknik, för att komma åt tredimensionell information från projektionsdata (tvådimensionell information) tagen i många olika vinklar, föll på filtrerad bakåtprojektion, eftersom det är en enkel och snabb metod. Denna metod demonstreras på såväl simulerade som experimentella data över massfördelningen i olika typer av prov. Slutligen har jag kombinerat väteanalys med tomografi för att studera porositeten i bentonitlera, som ska användas som stötdämpare och barriär då kopparkapslar med uttjänt bränsle från de svenska kärnkraftverken ska slutförvaras i berggrunden enligt förslag KBS-3 (KärnBränsleSäkerhet). Den tredimensionella information som tomografin bidrar med, samt kombinationen av flera jonstrålebaserade mätmetoder, har visat sig vara värdefull i undersökningen av bentonits inre porösa struktur.