Diante da crescente necessidade de materiais com melhores propriedades para aplicações nos diversos campos da ciência e da tecnologia, a irradiação com feixes iônicos mostra-se como uma importante ferramenta de modicação de materiais. A irradiação de polímeros, em especial, fornece sempre novas perspectivas de aplicabilidade para esses materiais. Diante disso, o presente trabalho tem como objetivo estudar quais são e como ocorrem os processos de modicação de polímeros irradiados com feixes de íons de alta energia. Para essa investigação, amostras de politetrauoroetileno (PTFE) e poli éter éter cetona (PEEK) foram irradiadas no acelerador Unilac do GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, em Darmstadt, Alemanha, com feixes de íons C, Xe, Au e U, de energia entre 3,6 e 11,4 MeV/u. As amostras foram submetidas à irradiação sob temperatura ambiente e temperatura criogênica (20-40 K). A análise das amostras irradiadas foi realizada através das seguintes técnicas: análise de gases residuais (RGA), espectroscopia de absorção UV-Vis, espectroscopia de absorção no infravermelho com transformada de fourier (FTIR) e difração de raios X (XRD). Observou-se que durante a irradiação do PTFE, os principais processos de modicação são as quebras moleculares e a formação do radical CF3 como grupo terminal e lateral. Além desses, também ocorrem processos de entrelaçamento e formação de estruturas insaturadas, com ligações duplas internas e terminais. Os principais fragmentos voláteis são o CF e o CF3. Durante a irradiação do PEEK observou-se liberação de gás hidrogênio em grande quantidade, como consequência da quebra dos anéis aromáticos do polímero. Algumas reações de recombinação deram origem a formação dos grupos alcino, éster, uorenona e álcool. Além disso o processo de carbonização da amostra foi responsável pelo aumento da condutividade do material. Durante a irradiação sob temperatura criogênica, alguns processos de recombinação nos materiais foram dicultados e grande parte dos elementos voláteis gerados permaneceu congelada no interior do polímero, sendo liberada durante posterior aquecimento até temperatura ambiente. Alguns modelos propostos para explicar efeitos de degradação térmica ou após irradiação com feixe de elétrons foram estendidos com sucesso aos resultados da irradiação com íons pesados e de alta energia. / Nowadays the demand for materials with improved properties for application in different elds of science and technology is constant. Ion beam irradiation is a usual and important tool of modication of materials and polymer irradiation, in particular, has given new perspectives of use for these modied materials. Hence, the aim of this work is the identication of the processes of modication of polymers irradiated with high energy ion beams and how they occur. In this investigation, samples of polytetrauorethylene (PTFE) and poly-ether etherketone (PEEK) were irradiated at the Unilac accelerator at GSI Helmholtzzentrum for Schwerionenforschung GmbH, at Darmstadt, Germany, with C, Xe, Au and U beams with energy between 3.6 and 11.4 MeV/u. The samples were irradiated at room and cryogenic (20-40 K) temperature. The sample analyses were performed through: Residual Gas Analysis (RGA), UV-Vis Absorption Spectroscopy, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), and X Ray Diraction (XRD). Under irradiation, the main processes of modication of PTFE were the chain scissioning and the formation of CF3 terminal and side group. Besides that, cross-linking and new unsaturated structures were also observed, evidenced by the formation of terminal and internal double bonds. CF3 and CF were the main degassed fragments that were observed. During irradiation of PEEK, a great amount of hydrogen gas was liberated as a consequence of the scission in the aromatics rings. Some rearrangement reactions occurred and gave rise to formation of the following groups: alkyne, esther, uorenon and alcohol. Moreover, the process of carbonization in the sample caused an increase in the polymer conductivity. When irradiated under cryo-temperature some recombination processes became more dicult and most of the volatile fragments remained frozen in the polymers. Some degradation models proposed to explain damage effects after thermal and electron beam exposure were sucessfully extended to the obtained results in the case of irradiation with swift heavy ions.

Diante da crescente necessidade de materiais com melhores propriedades para aplicações nos diversos campos da ciência e da tecnologia, a irradiação com feixes iônicos mostra-se como uma importante ferramenta de modicação de materiais. A irradiação de polímeros, em especial, fornece sempre novas perspectivas de aplicabilidade para esses materiais. Diante disso, o presente trabalho tem como objetivo estudar quais são e como ocorrem os processos de modicação de polímeros irradiados com feixes de íons de alta energia. Para essa investigação, amostras de politetrauoroetileno (PTFE) e poli éter éter cetona (PEEK) foram irradiadas no acelerador Unilac do GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, em Darmstadt, Alemanha, com feixes de íons C, Xe, Au e U, de energia entre 3,6 e 11,4 MeV/u. As amostras foram submetidas à irradiação sob temperatura ambiente e temperatura criogênica (20-40 K). A análise das amostras irradiadas foi realizada através das seguintes técnicas: análise de gases residuais (RGA), espectroscopia de absorção UV-Vis, espectroscopia de absorção no infravermelho com transformada de fourier (FTIR) e difração de raios X (XRD). Observou-se que durante a irradiação do PTFE, os principais processos de modicação são as quebras moleculares e a formação do radical CF3 como grupo terminal e lateral. Além desses, também ocorrem processos de entrelaçamento e formação de estruturas insaturadas, com ligações duplas internas e terminais. Os principais fragmentos voláteis são o CF e o CF3. Durante a irradiação do PEEK observou-se liberação de gás hidrogênio em grande quantidade, como consequência da quebra dos anéis aromáticos do polímero. Algumas reações de recombinação deram origem a formação dos grupos alcino, éster, uorenona e álcool. Além disso o processo de carbonização da amostra foi responsável pelo aumento da condutividade do material. Durante a irradiação sob temperatura criogênica, alguns processos de recombinação nos materiais foram dicultados e grande parte dos elementos voláteis gerados permaneceu congelada no interior do polímero, sendo liberada durante posterior aquecimento até temperatura ambiente. Alguns modelos propostos para explicar efeitos de degradação térmica ou após irradiação com feixe de elétrons foram estendidos com sucesso aos resultados da irradiação com íons pesados e de alta energia. / Nowadays the demand for materials with improved properties for application in different elds of science and technology is constant. Ion beam irradiation is a usual and important tool of modication of materials and polymer irradiation, in particular, has given new perspectives of use for these modied materials. Hence, the aim of this work is the identication of the processes of modication of polymers irradiated with high energy ion beams and how they occur. In this investigation, samples of polytetrauorethylene (PTFE) and poly-ether etherketone (PEEK) were irradiated at the Unilac accelerator at GSI Helmholtzzentrum for Schwerionenforschung GmbH, at Darmstadt, Germany, with C, Xe, Au and U beams with energy between 3.6 and 11.4 MeV/u. The samples were irradiated at room and cryogenic (20-40 K) temperature. The sample analyses were performed through: Residual Gas Analysis (RGA), UV-Vis Absorption Spectroscopy, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), and X Ray Diraction (XRD). Under irradiation, the main processes of modication of PTFE were the chain scissioning and the formation of CF3 terminal and side group. Besides that, cross-linking and new unsaturated structures were also observed, evidenced by the formation of terminal and internal double bonds. CF3 and CF were the main degassed fragments that were observed. During irradiation of PEEK, a great amount of hydrogen gas was liberated as a consequence of the scission in the aromatics rings. Some rearrangement reactions occurred and gave rise to formation of the following groups: alkyne, esther, uorenon and alcohol. Moreover, the process of carbonization in the sample caused an increase in the polymer conductivity. When irradiated under cryo-temperature some recombination processes became more dicult and most of the volatile fragments remained frozen in the polymers. Some degradation models proposed to explain damage effects after thermal and electron beam exposure were sucessfully extended to the obtained results in the case of irradiation with swift heavy ions.

O campo da modificação de materiais, através da implantação iônica, vem crescendo amplamente, impulsionado pelas aplicações tecnológicas na biologia, medicina, eletrônica, e outras áreas. Um dos aspectos relacionados ao entendimento desses novos materiais é a identificação e caracterização dos danos produzidos, após a irradiação. Nesse trabalho, foi proposto estudar as modificações microscópicas, após irradiação com feixe de íons de alta energia, em três diferentes polímeros: o policarbonato(Makrofol KG), com espessura de 8 µm; o polialil diglicol carbonato PADC (CR39), espessura 900 µm; e o nitrato de celulose (LR115), espessura 12µm. As amostras foram irradiadas com feixe de Au de 350 MeV no acelerador Cíclotron do Hahn-Meitner Institut (HMI) em Berlim. As amostras de Makrofol KG foram dispostas em superposição de 6 folhas posicionadas perpendicularmente à direção do feixe e foram irradiadas com fluências de 10^8, 10^9 e 10^11 íons/cm^2. As amostras de CR39 e LR115 foram irradiadas com fluência de 10^9 íons/cm^2, sem superposição das amostras. O estudo comparativo dos danos estruturais nas amostras, antes e após a irradiação, foi realizado através de técnicas analíticas como Espectroscopia de Absorção no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), Difração de Raios X (XRD), Análise com Detecção de Recuo Elástico (ERDA), e Corrosão Química, para visualização e caracterização dos poros através do microscópio óptico e microscópio eletrônico de varredura. A análise FTIR das amostras mostrou haver diminuição do número de ligações simples, em favor do aumento do número de ligações duplas e triplas, após irradiação das amostras. Além disso, observou-se que a intensidade dos danos observados aumenta com o poder de freamento médio dos íons de Au durante a penetração nas amostras. A análise XRD, por sua vez, permitiu verificar um decréscimo da cristalinidade do Makrofol KG irradiado, enquanto observou-se indicações de variação da densidade do CR39, após irradiação, e inexistência de variação no LR115. A metodologia proposta para análise das amostras através da técnica ERDA não se mostrou eficiente para determinar a variação no teor de H das mesmas após a irradiação, não sendo possível obter resultados conclusivos para as amostras. Na análise dos poros, após corrosão química, observou-se diferentes comportamentos. As amostras de CR39 apresentaram uma evolução de superfície porosa para superfície pontiaguda com o aumento do tempo de corrosão, e obteve-se o valor Va = 1,213 (17) µm/h para a velocidade de abertura do poros. Por outro lado, as diferentes folhas de Makrofol KG mantiveram a topografia porosa, sendo que a velocidade de abertura dos poros apresentou dependência com o poder de freamento dos íons na irradiação. Comparando amostras com valores semelhantes do poder de freamento, o resultado de Va obtido para o Makrofol é cerca de três vezes maior que o obtido para o CR39. / The research in the field of material modification with ion implantation has greately improved, stimulated by technological applications in biology, medicine, electronics and other related areas. One of the correlated aspects in understanding these new materials is the identification and characterization of the damage produced by ion beam irradiation. In this work, we propose to identify the microscopic modification in polymers, after their irradiation with a high energy beam. Three polymers have been used: polycarbonate foils (Makrofol KG), 8 µm thick; polyalyl diglycol carbonate PADC (CR39) 900 µm thick and cellulose nitrate(LR115) 12 µm thick. The samples were irradiated with 350 MeV Au beam from the Cyclotron accelerator at Hahn-Meitner Institut (HMI) in Berlin. The Makrofol samples were placed in a 6-foil stack positioned in normal direction relative to the incident beam, in order to stop the projectiles. The irradiations were performed with ion fluences of 10^8, 10^9 e 10^11 ions/cm^2. The CR39 and LR115 samples, thicker than the range, were irradiated with the fluency of 10^9 ions/cm^2. The investigation of structural damage in the samples, after irradiation, was performed through analytical techniques such as: Fourier Transform Infrared Absorption Spectroscopy (FTIR), X Ray Difraction (XRD), Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA), and Etching, followed by pore characterization using an optical and a scanning electron microscopes. The FTIR analysis of the samples showed a decrease in the number of simple bonds and an increase in the number of double and triple bonds, after irradiation. Moreover, it was observed that the damage intensity increases with the mean stopping power of Au. The XRD analysis allowed the observation of crystallinity decrease in Makrofol, and gave indications about a possible deviation in CR39 density, after sample irradiation, and no variation in LR115 samples. The methodology proposed using ERDA technique was not eficient to determine the H atoms teor in the polymers after irradiation, so, it was not possible to get conclusive results from the data. In the pore analysis, after etching, different behaviors were observed. The CR39 samples showed an evolution from a porous surface to a sharply peaked surface and a pore opening rate Va = 1,213 (17) µm/h was obtained. On the contrary, different Makrofol KG foils preserved the porous topography for different etching times. The pore opening rate showed dependence with ion stopping power in the irradiation. Comparing samples with similar values of stopping power, the result is that Makrofol Va is three times greater than the obtained to CR39.

O campo da modificação de materiais, através da implantação iônica, vem crescendo amplamente, impulsionado pelas aplicações tecnológicas na biologia, medicina, eletrônica, e outras áreas. Um dos aspectos relacionados ao entendimento desses novos materiais é a identificação e caracterização dos danos produzidos, após a irradiação. Nesse trabalho, foi proposto estudar as modificações microscópicas, após irradiação com feixe de íons de alta energia, em três diferentes polímeros: o policarbonato(Makrofol KG), com espessura de 8 µm; o polialil diglicol carbonato PADC (CR39), espessura 900 µm; e o nitrato de celulose (LR115), espessura 12µm. As amostras foram irradiadas com feixe de Au de 350 MeV no acelerador Cíclotron do Hahn-Meitner Institut (HMI) em Berlim. As amostras de Makrofol KG foram dispostas em superposição de 6 folhas posicionadas perpendicularmente à direção do feixe e foram irradiadas com fluências de 10^8, 10^9 e 10^11 íons/cm^2. As amostras de CR39 e LR115 foram irradiadas com fluência de 10^9 íons/cm^2, sem superposição das amostras. O estudo comparativo dos danos estruturais nas amostras, antes e após a irradiação, foi realizado através de técnicas analíticas como Espectroscopia de Absorção no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), Difração de Raios X (XRD), Análise com Detecção de Recuo Elástico (ERDA), e Corrosão Química, para visualização e caracterização dos poros através do microscópio óptico e microscópio eletrônico de varredura. A análise FTIR das amostras mostrou haver diminuição do número de ligações simples, em favor do aumento do número de ligações duplas e triplas, após irradiação das amostras. Além disso, observou-se que a intensidade dos danos observados aumenta com o poder de freamento médio dos íons de Au durante a penetração nas amostras. A análise XRD, por sua vez, permitiu verificar um decréscimo da cristalinidade do Makrofol KG irradiado, enquanto observou-se indicações de variação da densidade do CR39, após irradiação, e inexistência de variação no LR115. A metodologia proposta para análise das amostras através da técnica ERDA não se mostrou eficiente para determinar a variação no teor de H das mesmas após a irradiação, não sendo possível obter resultados conclusivos para as amostras. Na análise dos poros, após corrosão química, observou-se diferentes comportamentos. As amostras de CR39 apresentaram uma evolução de superfície porosa para superfície pontiaguda com o aumento do tempo de corrosão, e obteve-se o valor Va = 1,213 (17) µm/h para a velocidade de abertura do poros. Por outro lado, as diferentes folhas de Makrofol KG mantiveram a topografia porosa, sendo que a velocidade de abertura dos poros apresentou dependência com o poder de freamento dos íons na irradiação. Comparando amostras com valores semelhantes do poder de freamento, o resultado de Va obtido para o Makrofol é cerca de três vezes maior que o obtido para o CR39. / The research in the field of material modification with ion implantation has greately improved, stimulated by technological applications in biology, medicine, electronics and other related areas. One of the correlated aspects in understanding these new materials is the identification and characterization of the damage produced by ion beam irradiation. In this work, we propose to identify the microscopic modification in polymers, after their irradiation with a high energy beam. Three polymers have been used: polycarbonate foils (Makrofol KG), 8 µm thick; polyalyl diglycol carbonate PADC (CR39) 900 µm thick and cellulose nitrate(LR115) 12 µm thick. The samples were irradiated with 350 MeV Au beam from the Cyclotron accelerator at Hahn-Meitner Institut (HMI) in Berlin. The Makrofol samples were placed in a 6-foil stack positioned in normal direction relative to the incident beam, in order to stop the projectiles. The irradiations were performed with ion fluences of 10^8, 10^9 e 10^11 ions/cm^2. The CR39 and LR115 samples, thicker than the range, were irradiated with the fluency of 10^9 ions/cm^2. The investigation of structural damage in the samples, after irradiation, was performed through analytical techniques such as: Fourier Transform Infrared Absorption Spectroscopy (FTIR), X Ray Difraction (XRD), Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA), and Etching, followed by pore characterization using an optical and a scanning electron microscopes. The FTIR analysis of the samples showed a decrease in the number of simple bonds and an increase in the number of double and triple bonds, after irradiation. Moreover, it was observed that the damage intensity increases with the mean stopping power of Au. The XRD analysis allowed the observation of crystallinity decrease in Makrofol, and gave indications about a possible deviation in CR39 density, after sample irradiation, and no variation in LR115 samples. The methodology proposed using ERDA technique was not eficient to determine the H atoms teor in the polymers after irradiation, so, it was not possible to get conclusive results from the data. In the pore analysis, after etching, different behaviors were observed. The CR39 samples showed an evolution from a porous surface to a sharply peaked surface and a pore opening rate Va = 1,213 (17) µm/h was obtained. On the contrary, different Makrofol KG foils preserved the porous topography for different etching times. The pore opening rate showed dependence with ion stopping power in the irradiation. Comparing samples with similar values of stopping power, the result is that Makrofol Va is three times greater than the obtained to CR39.

Neste trabalho, estudamos e aplicamos técnicas analíticas com feixes iônicos para a identificação e quantificação do elemento químico Boro em amostras de Boro depositado sobre Níquel 11B/Ni, sobre Silício B/Si e em amostras de Silício Grau Metalúrgico - SiGM. Estas últimas foram fornecidas pelo grupo de metalurgia do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT). Especificamente, as seguintes técnicas analíticas foram utilizadas: Nuclear Reaction Analysis - NRA, Elastic Recoil Detection Analysis - ERDA e Secondary Ion Mass Spectrometry - SIMS. Nas amostras de B/Ni e B/Si, as concentrações foram obtidas com medidas de NRA, ERDA e SIMS. Também foi abordado quais dentre essas três técnicas apresentam menor limite de deteção e menor incerteza para a quantificação de Boro. Usando a reação nuclear 11B(p,a0)8Be, foi possível calcular a sua seção de choque diferencial para ângulo de espalhamento theta=170, cujo resultado, para este ângulo específico, é inédito na literatura. As amostras de SiGM foram analisadas com a técnica SIMS e comparadas com medidas de Inductively Coupled Plasma - ICP realizadas pelo grupo do IPT. Uma vez que técnicas nucleares podem ser consideradas absolutas, concluímos que as medidas de ICP apresentaram dados compatíveis com as medidas SIMS, e que o grupo de metalurgia do IPT está medindo as concentrações de Boro em suas amostras de SiGM corretamente por meio de ICP. Uma reta de calibração entre medidas SIMSxICP foi construída, que poderá servir como um guia para futuras quantificações de Boro com ICP feitas pelo grupo de metalurgia do IPT. / In this work we investigated the use of analytical techniques based on ion beams in the quantification of Boron in many kinds of samples. Specifically, we applied techniques such Nuclear Reaction Analysis (NRA), Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA) and Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) to 11B/Ni and B/Si samples to measure the boron concentration. We also discuss and show what technique has a better detection limit and lower uncertainty. For the first time in the literature, we obtained the cross section for the $^{11}B(p,\\alpha_0){^8}Be$ nuclear reaction in the energy range from 1.6 up to 2.0 MeV in theta = 170 scattering angle. The SIMS technique was applied to analise samples of metallurgical grade silicon (SiGM) from Metallurgy Group of Instituto de Pesquisas Tecnologicas (IPT) to check the Inductively Coupled Plasma (ICP) measurements carried out by the IPT. Moreover, it was possible to build a calibration curve between SIMS and ICP measurements, that can be used to help of Metallurgy Group with futures ICP\'s measurements.

Neste trabalho, estudamos e aplicamos técnicas analíticas com feixes iônicos para a identificação e quantificação do elemento químico Boro em amostras de Boro depositado sobre Níquel 11B/Ni, sobre Silício B/Si e em amostras de Silício Grau Metalúrgico - SiGM. Estas últimas foram fornecidas pelo grupo de metalurgia do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT). Especificamente, as seguintes técnicas analíticas foram utilizadas: Nuclear Reaction Analysis - NRA, Elastic Recoil Detection Analysis - ERDA e Secondary Ion Mass Spectrometry - SIMS. Nas amostras de B/Ni e B/Si, as concentrações foram obtidas com medidas de NRA, ERDA e SIMS. Também foi abordado quais dentre essas três técnicas apresentam menor limite de deteção e menor incerteza para a quantificação de Boro. Usando a reação nuclear 11B(p,a0)8Be, foi possível calcular a sua seção de choque diferencial para ângulo de espalhamento theta=170, cujo resultado, para este ângulo específico, é inédito na literatura. As amostras de SiGM foram analisadas com a técnica SIMS e comparadas com medidas de Inductively Coupled Plasma - ICP realizadas pelo grupo do IPT. Uma vez que técnicas nucleares podem ser consideradas absolutas, concluímos que as medidas de ICP apresentaram dados compatíveis com as medidas SIMS, e que o grupo de metalurgia do IPT está medindo as concentrações de Boro em suas amostras de SiGM corretamente por meio de ICP. Uma reta de calibração entre medidas SIMSxICP foi construída, que poderá servir como um guia para futuras quantificações de Boro com ICP feitas pelo grupo de metalurgia do IPT. / In this work we investigated the use of analytical techniques based on ion beams in the quantification of Boron in many kinds of samples. Specifically, we applied techniques such Nuclear Reaction Analysis (NRA), Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA) and Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) to 11B/Ni and B/Si samples to measure the boron concentration. We also discuss and show what technique has a better detection limit and lower uncertainty. For the first time in the literature, we obtained the cross section for the $^{11}B(p,\\alpha_0){^8}Be$ nuclear reaction in the energy range from 1.6 up to 2.0 MeV in theta = 170 scattering angle. The SIMS technique was applied to analise samples of metallurgical grade silicon (SiGM) from Metallurgy Group of Instituto de Pesquisas Tecnologicas (IPT) to check the Inductively Coupled Plasma (ICP) measurements carried out by the IPT. Moreover, it was possible to build a calibration curve between SIMS and ICP measurements, that can be used to help of Metallurgy Group with futures ICP\'s measurements.