Desenvolvimento de programa para análise automatizada de dados: um estudo de caso do desbastamento eletrônico de filmes poliméricos por espectrometria de massa

Abstract

A física moderna se depara com fenômenos complexos que necessitam de experimentação detalhada e precisa, produzindo experimentos que geram uma quantidade massiva de dados. A coleta, armazenamento e análise dos dados gerados por esses experimentos são essenciais para os avanços tecnológicos que auxiliam na compreensão do universo. Estudos sobre os efeitos da radiação sobre os materiais são essenciais para entender os mecanismos e aplicações da radiação. Entretanto, devido a imensa quantidade de dados a serem analisados em um curto período de tempo disponível, torna-se inviável analisar individualmente cada dado gerado. Diante dessa realidade, o presente trabalho buscou desenvolver um programa em linguagem computacional PYTHON que fosse capaz de avaliar experimentos de degradação de polímeros por feixes de íons no regime eletrônico de deposição de energia. Como estudo de caso, investigou-se experimentos com a técnica de espectrometria de massa de íons secundários em medidas do tempo-de-voo, realizados com íons primários de Cloro e Cobre com energias cinéticas variando na faixa entre 6,0 e 12,0 MeV incididos sobre amostras de filmes poliméricos de Poliestireno, Polimetilmetacrilato e Cloreto de Polivinila. O programa foi construído utilizando Programação Orientada a Objeto, abstraindo conceitos matemáticos e de linguagem computacional, buscando tornar a experiência do usuário mais eficiente e intuitiva. O programa é capaz de identificar picos nos espectros, encontrar suas contagens e tempos de voo, calcular a área sob cada pico, além de permitir a identificação das moléculas iônicas emitidas por meio de comparação com o tempo-de-voo esperado através de calibração de massa, recebendo como parâmetro apenas o caminho nos quais os espectros a serem analisados estão salvos no computador. Para este estudo de caso em questão, a identificação das moléculas permitiu também observar três grupos moleculares nos diferentes alvos: hidrocarbonetos, óxidos e cloretos. Em sequência, o programa determinou a seção de choque para danos e seu respectivo raio ajustando a quantidade de íons secundários coletados em função do fluxo de íons primários em espectros de contagem por tempo-de-voo adquiridos sequencialmente. Assim, através dos resultados obtidos pelo programa foi possível realizar análises desses valores para a seção de choque nos três grupos moleculares estudados, permitindo identificar o grupo com maior e menor resistência à radiação, sendo estes os grupos dos óxidos e cloretos, respectivamente. Outra comparação possibilitada pelos resultados do programa foi o valor médio dos raios em cada grupo de elementos. Uma vez comparado com trabalhos que utilizaram técnicas de Microscopia de Varredura por Força, os valores de raios obtidos no presente estudo são uma ordem de grandeza inferiores aos raios reportados na literatura indicando uma baixa eficiência na ejeção de íons secundários. Por fim, comparando os valores de seção de choque encontrados com os reportados com a técnica Espectroscopia de Fotoelétrons excitados por Raios X, pode-se notar que os valores obtidos estão uma ordem de magnitude acima, indicando assim que o polímero permanece inerte quimicamente com exceção dos cloretos. Um estudo mais aprofundado para compreender a variação dessas grandezas com a perda de energia dos íons primários no regime eletrônico é necessária para confirmar tal hipóteses.

Abstract: Modern physics is faced with complex phenomena that require detailed and precise experimentation, producing experiments that generate massive amounts of data. Collecting, storing and analyzing the data generated by these experiments is essential for technological advances that help us understand the universe. Studies on the effects of radiation on materials are essential for understanding the mechanisms and applications of radiation. Due to the immense amount of data to be analyzed in a short period of available time available, it becomes unfeasible to analyze each piece of data generated individually. In view of this reality, the present research sought to develop a software in PYTHON language that would be capable of evaluating polymer degradation experiments using ion beams in the electronic energy deposition regime. As a case study, experiments with the time-of-flight secondary ion mass spectrometry technique were investigated. They were carried out with primary Chlorine and Copper ions with kinetic energies varying between 6.0 and 12.0 MeV, impinging on samples of polystyrene, polymethylmethacrylate and polyvinyl chloride polymer films. The software was built using Object Oriented Programming, abstracting mathematical and computer language concepts in order to make the user experience more efficient and intuitive. The software is capable of identifying peaks in the spectra, finding their counts and times-of-flight, calculating the area under each peak, as well as allowing the identification of the ionic molecules emitted by comparing them with the time-of-flight expected through mass calibration, receiving as a parameter only the path in which the spectra to be analyzed are saved on the computer. For this case study, the molecular identification also made it possible to observe the behaviour of three molecular groups present in the different targets: hydrocarbons, oxides and chlorides. The software then determined the cross section for damage and its respective radius by modeling the amount of secondary ions collected as a function of the primary ion fluxes in sequentially recorded time-of-flight spectra. Thus, using the results obtained by the software, it was possible to analyze these cross section values for the three molecular groups studied, making it possible to identify the group with the highest and lowest resistance to radiation, these being the oxide and chloride groups, respectively. Another comparison made possible by the software results was the average value of the radii. When compared with studies using Scanning Force Microscopy techniques, the radius values obtained in this study are an order of magnitude lower than the radii reported in the literature, indicating a low efficiency in the ejection of secondary ions. Finally, comparing the cross section values found with those reported in the literature for X-ray Photoemission Spectroscopy, it can be seen that the results are an order of magnitude higher, thus indicating that the polymer remains chemically inert with the exception of chlorides. A deeper investigation in order to understand the relation of these parameters withe the ion energy loss in the electronic regime is necessary to validate these hypotheses.