X-ray production cross sections for 0.7 - 22.5 MeV multiple-charge-state Helium, Carbon and Copper Ions induced in Titanium, Iron, Nickel, Copper, Silver and Gold thick targets

ภาคตัดขวางของการผลิตเอ็กซ์เรย์สำหรับ 0.7 - 22.5 MeV ไอออนฮีเลียมคาร์บอน และทองแดงที่มีสถานะประจุหลายตัว ที่เหนื่ยวนำไททานียม เหล็ก นิกเกิ้ล ทองแดง เงิน และทอง จากตัวอย่างหนา

Name: Javed Hussain

LCSH: X-ray crystallography

LCSH: Helium

LCSH: Copper ions

LCSH: Physics

Abstract: This thesis presents an extensive experimental investigation into the impact of multiple charged heavy ions on thick targets. The focus is on the resulting X-ray energy shifts and peak broadening due to multiple ionization (MI) and molecular orbital formation (MO) across a range of particle energies. The modification of atomic parameters is studied through observed spectral changes. The resulting X-ray production cross sections—measured using the thick-target formalism—are applied in advanced MeV ion beam analysis (IBA) techniques, including MeV Secondary Ion Mass Spectrometry (MeVSIMS) and Time-of-Flight (MeV-ToF) spectrometry. A systematic series of experiments was conducted to analyze the X-ray emission yields from thick targets composed of Ti, Fe, Ni, and coinage metals (Cu, Ag, and Au), induced by energetic protons (H⁺) in the 0.7 MeV – 3.5 MeV range. These initial studies were essential to validate the experimental system and standardize the Particle-Induced X-ray Emission (PIXE) setup. Additional bombardments using helium ions (Heq⁺ ; qᵢ = 1–2) in the 1.0 MeV –3.5 MeV range were performed to further verify system accuracy and align with first-order direct ionization theories. Further experimentation involved heavier ions, including carbon (Cq⁺ ; qᵢ = 1–5) and copper (Cuq⁺ ; qᵢ = 1–2), bombarded on thick targets using a 5 MV tandem accelerator at NCP, Islamabad. The mechanical energy of particles was determined via elastic backscattering spectroscopy (EBS) using thin Al2O3 film, while PIXE detector efficiency was measured using radioactive sources. Standardization employed the H-value method with a known concentration of standard reference material (SRM) bombarded by 2.5 MeV protons. A comparative study of H⁺ and Heq⁺ irradiation was conducted to examine equilibrium charge state (ECS) effects and multiple ionization (MI) effects, with results compared against standard ionization models including PWBA, ECPSSR, EC, and BEA. Carbon ions (Cq⁺) irradiated thick coinage targets made of Cu, Ag, and Au in the 0.9–22 MeV range showed substantial peak shifts and broadening, confirming the strong multiple ionization (MI) effects. Consequently, fluorescence yields, Coster-Kronig transitions, and transition rates were adjusted and compiled based on function of equilibrium charge state (ECS) of the energetic carbon ions. The measured X-ray production cross sections were compared with theoretical models, revealing that charge state effects become more pronounced at higher energies— especially in copper, silver and gold. The measured results were also compared with legends and uncertainties were discussed. The ECPSSR model accurately predicted cross-section behavior at lower ion energies and charge states, while both ECPSSR and BEA exhibited strong agreement for thick-target systems. To investigate quasi-molecular orbital (MO) behavior in symmetric systems (Z₁ ≈ Z₂), super-heavy ions (Cuq⁺) were bombarded onto thick targets with energies ranging from 2 to 8 MeV. Significant spectral shifts and broadening were observed, which attributed to the combined effects of multiple ionization (MI) and molecular orbital (MO). First order ionization cross-section calculations were refined using modified K-shell fluorescence yields, showing reasonable agreement with experimental data, especially at lower energies and in quasi-collision systems such as Cu–Ti and Cu–Fe. However, theoretical predictions from the BEA and ECPSSR-UA models showed significant deviations in this energy range. In symmetric or near-symmetric systems like Cu–Cu and Cu–Ni, the Behavior of X-ray production cross sections differed notably from asymmetric systems, likely due to the formation of molecular orbitals formation and electron screening effects resulting from the dwell time of interaction on the order of 10-17 seconds. Multiple ionization (MI) effects were also observed to be dominant at higher energies. Electron capture (EC) and equilibrium charge state (ECS) were also discussed in symmetric and non-symmetric interactions. These findings highlight the challenges faced by current theoretical models in accurately predicting sub-shell X-ray production cross sections at high ion energies and charge states, highlighting. They underscore the necessity for further theoretical refinement.

Abstract: วิทยานิพนธ์ฉบับนี้นำเสนอการศึกษาผ่านการทดลองอย่างละเอียดเกี่ยวกับผลกระทบของไอออนหนักที่มีประจุหลายตัวต่อเป้าตัวอย่างหนา โดยมุ่งเน้นที่การเลื่อนหลังงานของรังสีเอกซ์และการขยายตัวของจุดอดในสเปกตรัม อันเนื่องมาจากการแตกตัวเป็น ไอออนหลายครั้ง (Mukiple Ionization: MI) และการก่อตัวของวงโครรเชิงโมแลกุล (Molecular Orbitat: MO) ในช่วงพลังงงานของไอออนหนักที่หลากหลาย การตัดแปลงของของพารามิเตอร์เชิงอะตอมได้จากศึกมาฮูเปกตรัมที่เปลี่ยนแปลง และภาคตัดขวางของการผลิตรังสีเอกซ์ที่ได้จากการวัดโดยใช้เป้าหนา ถูกนำไปไช้ในเทคนิควิเคราะห์ขั้นสูงด้วยลำไอออมเรือนล้านอิเล็กตรอนโวลด์ รวมถึงสเปกโทรเมตรีมวลไอออนทุติธภูมิ (MeV-SIMS) และสะสเปกโทรเมตรีแบบวัดเวลาการบิน (MeV-ToF) เรือนล้านอิเล็กตรอนโวลต์ การทดลองเชิงระบบในขั้นแรกดำเนินการ โดยวิเคราะห์อัตราการปล่อยรังสีเอกข์จากวัสดุเป้าหนา คือ ไททาเนียม (Ti) เหล็ก (Fe) นิกเกิ้ล (Ni) และ โลหะกลุ่มเหรียญตรา ได้แก่ ทองแดง (Cu) เงิน (Ag) และ ทองทำ (Au) ซึ่งถูกเหนี่ยวนำโดยโปรตอนพลังงานสูง (H*) ในช่วง 0.7 MaV -3.5 MeV ทั้งนี้เพื่อใช้ครวสอบความแม่นยำของระบบทดลอง และการกำหนดมาตรฐานการตั้งค่าการปล่อยรังสีเอกซ์ที่ถูกเหนี่ยวนำโดยอนุภาค (Pariciticle-Induced X-ray Emission : PIXE) ถัดมาเปลี่ยนเป็นการระคมยิงด้วยไอออนของสีเลียม (He ; q = 1-2) ในช่วงพลังงาน 1.0 MeV-3.5 MeV เพื่อขึ้นผลและเปรียบเทียบกับทฤษฎีการแตกตัวเป็นไอออนอันดับแรก มีการทดลองเพิ่มเติมโดยยิงด้วยไอออนหนัก อาทิ คาร์บอน (C: 1-5)-1-5) แดงแดง (Cu ; 1-2) บนเป้าหนาด้วยเครื่องเร่งอนุภาค 5 MV ที่ NCP, Islamabad ซึ่งพลังงานจลน์ของอนุภาคสามารถหาโดยผ่านสเปกโทรเมตรีการกระเจิงกลับแบบยืดหยุ่น (Elastic Backscattering Spectroscopy: EBS) กับแผ่นฟิล์มบาง Al2O3 ในขณะที่ประสิทธิภาพของหัววัด PIXE วัดได้โดยใช้แหล่งกำเนิดรังสีที่ทราบความแรง การสอบเทียบใช้วิธีค่า H-value นั้น โดยยิงวัสดุอ้างอิงมาตรฐาน (Standard Reference Matcrial: SRM) ที่ทราบปริมาณความเข้มข้นอย่างละเอียดด้วยโปรตอน 2.5 MeV การศึกษาการเปรียบเทียบระหว่าง H+ และ Heq+นั้น เพื่อวิเคราะห์ผลกระทบจากสถานะประจุสมดุล (ECS) และ MI โดยเปรียบเทียบผลลัพลัพธ์ท์ได้กับแบบจำลองทฤษฎีมาตรฐาน อาทิ PWBA, ECPSSSSR, EC และ BEA การยิงไอออนคาร์บอน (Cq+) บนวัสดุเป้าโลหะกลุ่มเหรือญตรา Cu, Ag และ Ag ในช่วงพลังงาน 0.9-22 MeV แสดงให้เห็นถึงการเลื่อนพลังงานของรังสีเอกซ์และการขยายตัวของจุดยอดอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งยืนยันถึงผลกระทบของการเตกตัวเป็นไอออนหลายครั้ง (MI) อย่างเด่นชัด ดังนั้นผลผลิตแบบวาวแสง การเปลี่ยนผ่านของ Coster-Kronig และอัตราการเปลี่ยนผ่าน จึงถูกปรับแก้และรวบรวมเป็นฟังก์ชันของสถานะประจุสมดุล (ECS) ของไอออนคาร์บอนที่มีพลังงานสูง / ค่าภาคตัดขวางการผลิตรังสีเอกซ์ที่วัดได้ถูกเปรียบเทียบกับแบบจำลองทางทฤษฎี ซึ่งเผยให้เห็นว่าผลของสถานะประจุมีความสำคัญมากขึ้นเมื่ออนุภาคมีพลังงานสูงขึ้นโดยฉพาะในทองแดงและทอง แบบบจำลองทางทฤษฎี ECPSSR พยากรณ์พฤติกรรมของภาดตัดขวงได้อย่างถูกต้องที่พลังงานไอออนค่ำและสถานะประจุต่ำ ในขณะที่ทั้งแบบจำลอง ECPSSR และ BEA แสดงสอดคล้องอย่างชัดเจนสำหรับกรณีเป้าหนา เพื่อสำรวจพฤติกรรมของกึ่งวงโคจรเชิงโมเลกุล (Quasi-MO) ในระบบสมมาตร (Z1 22) ได้ระดมยิงไอออนหนักมาก (Cuq+) ลงบนวัสดุเป้าหนาตั้งแต่พลังงาน 2 ถึง 8 MeV โดยแสดงให้เห็นนัยของการเลื่อนสเปกตรัมและการขยายตัว ซึ่งเกิดจากผลรวมที่เพิ่มขึ้นของ MI และ MO การคำนวณภาคตัดขวางการแตกตัวอันดันดับแรกถูกปรับแก้โดยใช้ผลผลิตการวาวแสงของพลังงานชั้น & ที่ถูกตัดแปลงแล้ว มีความสอดกล้องกับข้อมูลทลลองพอสมควร โดยเฉพาะที่พลังงานต่ำและในระบบกึ่งชนกัน (quasi-collision systems) อาทิ Cu-Ti และ Cu-Fe อย่างไรก็ตามแบบจำลองทางทฤษฎี BEA และ ECPSSSR-UA มีการเบี่ยงเบนอย่างมีนัยสำคัญในช่วงพลังงามนี้ ในระบบสมมาตรหรือกึ่งสมมาตร ได้แก่ Cr-Ca และ Cu-Ni พฤติกรรมของภาคดัดขวางการผลิตรังสีงสีเอกซ์มีความแตกต่างอย่างชัดเจนจากระบบอสมมาตร ซึ่งมีแนวโน้มเกิดจากการก่อตัวของวงโคจรเชิงโมเลกุลและผลของการกั้นอิเล็กตรอน (Electron Screening) เนื่องจากระชะเวลาการปฏิสัมพันธ์อยู่ในระดับ 10 -17 วินาที ผลกระทบของ MI ยังเห็นได้เด่นชัดที่พลังงานสูง และยังมีการอภิปราชถึงกระบวนการจับอิเล็กตรอน (EC) และสถานะประจุสมดุล (ECS) ในปฏิสัมพันธ์แบบสมมาตรและอสมมาตร ผลการศึกษาเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความท้าทายที่แบบจำลองทางทฤษฎีในปัจจุบันต้องเผชิญในการพยากรณ์ค่าภาคตัดขวางการผลิตรังสีเอกซ์ของพลังงานชั้นย่อย (sub-shell) ให้ถูกต้อง ที่พลังงานไอออนสูงและสถานะประจุสูง ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงความขึ้เป็นของการปรับปรุงทฤษฎีต่อไป

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Udomrat Tippawan

Role: Advisor

Name: Deerawan Boonyawan

Role: Advisor

Name: Chanokporn Chaiwong

Role: Advisor

Created: 2025

Modified: 2026-02-16

Issued: 2025-07-07

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Physics

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	630555803.pdf	9.66 MB

ใช้เวลา

0.031192 วินาที