ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΝΑΛΥΣΕΙΣ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕ: ΑΡΙΣΤΕΙΔΗΣ ΤΣΑΡΗΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΝΑΛΥΣΕΙΣ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕ: ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥΣ ΣΤΗΝ ΕΛΑΣΤΙΚΗ ΣΚΕΔΑΣΗ (ΝΒS) ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ (ΝRA) ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: Μ. ΚΟΚΚΟΡΗΣ

Ion beam analysis Μια μονοενεργειακη ακτινα φευγει απο τον επιταχυντη και προσπιπτει στην επιφανεια Συμβαινουν μια σειρα απο φυσικα φαινομενα: b) καποια σωματιδια θα ανακλαστουν χανοντας ενεργεια απο την συγκρουση c) ατομα της επιφανειας θα αποκτησουν ενεργεια και μπορει να φυγουν d) ενα προσπιπτον σωματιο μπορει να συλληφθει απο τους πυρηνες των ατομων της επιφανειας να ειναι ασταθης και γι’αυτο να εκπεψει ενα σωματιο(π.χ. p, a-particle or γ-ray). e) η αντιδραση απο το προσπιπτον ιον με τα ηλεκτρονια του ατομου μπορουν να εκπεψουν ηλεκτρονια (απο αμεσο ή εμμεσο ιονισμο) αλλα και ακτινες-χ.

ION BEAM ANALYSIS ΠΛΕΩΝΕΚΤΗΜΑΤΑ: Είναι μη καταστρεπτική και είναι η πλέον κατάλληλη για ευαίσθητα υλικά Είναι έως κάποιο βαθμό κατάλληλη για πολυστοιχειακή ανάλυση και παράγει ακριβή ποσοτικά αποτελέσματα Απαιτεί μικρή ή και καθόλου προπαρασκευή του δείγματος Χρειάζονται μικρές ποσότητες δείγματος (mg) για την ανάλυση

ΜΕΙΟΝΕΚΤΙΜΑΤΑ: Δεν υπάρχει άμεση πληροφορία για τους χημικούς δεσμούς του δείγματος Η ανάλυση αφορά μόνο βάθος μερικών μικρομέτρων από την επιφάνεια Στις περισσότερες περιπτώσεις είναι αναγκαίος ο συνδυασμός τεχνικών, γεγονός που κάνει την επίλυση ενός προβλήματος χρονοβόρα

ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ α+Χ→Υ+b ή Χ(α,b)Y Αν οι παραγομενοι πυρηνες εινα ιδιοι με τους αρχικους τοτε εχουμε σκεδαση Αν επιπλεον η κινητικη ενεργεια διατηρειται τοτε εχουμε ελαστικη σκεδαση (Q=0) Ενεργος διατομη πυρηνικης αντιδρασης : Ι αριθμος πυρηνων/μοναδα χρονου Ν αριθμος πυρηνων/μοναδα επιφανειας R ρυθμος εκπεμπομενων πυρηνων b

NBS Στο RBS το φαινομενο ειναι στα 10^-22 sec. ενω στο NBS στα 10^-15 sec. Ενω στο RBS εχουμε σκεδαση απο το φραγμα δυναμικου Coulomb του πυρηνα στο NBS το υπερνικαει και εχουμε σχηματισμο συνθετου πυρηνα α+Χ→Υ*→Χ+α συμβαινει πυρηνικη συντηξη Η πιθανοτητα να βρουμε καπου το σωματιδιο ειναι ανισοτροπη αντιθετα απο το RBS Καθε πυρηνας μπορει να σχηματιστει μονο σε μια απο τις επιτρεπομενες καταστασεις που προβλεπει το πυρηνικο δυναμικο, αρα για να πραγματοποιειθει το φαινομενο του συντονισμου θα πρεπει το βλημα να εχει ενα φασμα ενεργειων (ΔΕ≈h/Δt) που απαιτειται για μια απο αυτες τις καταστασεις

NBS Εαν Εκd+Q=Εδ το βλημα θα περασει το φραγμα δυναμικου του πυρηνα και θα δημιουργηθει ο συνθετος πυρηνας και αν α+Χ→Υ*→Χ+α, στο φασμα των οπισθοσκεδαζομενων σωματιδιων θα φαινεται: H ελαστικη σκεδαση συνθετου πυρηνα και η αμεση ελαστικη σκεδαση συμβαλουν λογω της διαφορας χρονου (δημιουργειται διαφορα φασης) n Εκ p ¹³N d+¹²C α ¹³C Eδ ¹°B Q

→RBS δειγμα C με α στα 2MeV NBS Εχουμε την δυνατοτητα αναλυσης ενος ελαφριου στοιχειου ακομα και οταν βρισκεται αναμεσα σε στοιχεια μεγαλης μαζας αρκει να υπαρχει συντονισμος αρκουντος στενος και ισχυρος →RBS δειγμα C με α στα 2MeV ¹²C(p,p)¹²C →NBS δειγμα C με p στα 1.75ΜeV οπου και εχουμε συντονισμο αυξανοντας την ενεργο διατομη 42.4 φορες σε σχεση με το RBS

Ανθρακας πανω σε χρυσο (συνηθες στην αρχαιολογια) Μικρη ενεργος διατομη του C σε σχεση με το Au (Z=79) RBS με α στα 2ΜeV σε 165°με 50%C και 50%Au ΝΒS με p στα 1.75ΜeV σε 165° με 50%C και 50%Au Το οριο ανιχνευσης ≈10% αφου ευρος συντονισμου στα 45ΚeV

Ιδιος στοχος αλλα βομβαρδιζουμε με πυρηνες-α, οπου στα 4 Ιδιος στοχος αλλα βομβαρδιζουμε με πυρηνες-α, οπου στα 4.29ΜeV εχουμε συντονισμο ¹²C(α,α)¹²C

RBS με δειγμα οξυγονου βομβαρδιζοντας με α στα 2ΜeV NBS με δειγμα οξυγονου βομβαρδιζοντας με p απο 4ΜeV μεχρι 0,7ΜeV σε γωνια 170°. Ο συντονισμος ειναι στα 3050KeV

Oξειδωση σιδηρου Η επιφανεια του Fe ειναι οξειδωμενη με 60% Ο και 40% Fe. Ριχνουμε p στα 4ΜeV στις 170° με παχος 5*10^17 ατομα/cm² Με παχος 15*10^15 ατομα/cm²

ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Ακομα και στην περιπτωση που υπαρχει καποιος ισχυρος και στενος συντονισμος θα πρεπει η συγκεντρωση του υπο εξεταση στοιχειου να ειναι αρκετα μεγαλη, διαφορετικα η κορυφη δεν θα ειναι αναλυσιμη Δεν ειναι δυνατη η ταυτοχρονη αναλυση περσσοτερων του ενος ελαφρων στοιχειων Πρεπει η αντιδραση που θα λαβει χωρα να υπαρχει στην βιβλιογραφια, συνεπως δεσμευομαστε ως προς το σωματιο και την ενεργεια που θα χρησιμοποιησουμε αλλα και ως προς την γωνια

Ανάλυση μέσω Πυρηνικών Αντιδράσεων Ανάλυση μέσω Πυρηνικών Αντιδράσεων ...ιδανικη για συγκεκριμενα ελαφρα στοιχεια Η NRA, οπως και η προυγουμενη τεχνικη, ειναι ευαισθητη για περιοχες κοντα στην επιφανεια του υλικου και για λεπτους στοχους Το βλημα και σε αυτην την περιπτωση θα πρεπει να περασει το φραγμα δυναμικου του πυρηνα Συμβαινει παραλληλα με τις ελαστικες σκεδασεις Απο τα προιοντα της αντιδρασης εμεις θα ανιχνευσουμε τα φορτισμενα σωματια τα οποια και δινουν και πληροφοριες για το βαθος της αντιδρασης α+Χ→Υ+β

Οπως ειπαμε η αναλυση γινεται με πυρηνικες αντιδρασεις Οπως ειπαμε η αναλυση γινεται με πυρηνικες αντιδρασεις. Χρησιμοποιωντας επιταχυντες για να δωσουμε ενεργεια κυριως σε ελαφρα στοιχεια στοιχεια που προσπιπτουν κυριως σε ελαφρα, μεχρι και βαρεα στοιχεια. Η αντιδραση δινει χαρακτηριστικα αντιδρωντα (γ, ρ, n, d, αναλογα με τον στοχο Χρησιμες αντιδρασεις ειναι οι (p,α), (α,p), (d,p), (d,α) Ιδια γεωμετρια με το RBS ΝRA

Το ΝRA οπως και το RBS ειναι profiling τεχνικες: οταν το σωματιδιο εισερχερται στο δειγμα εστω οτι χανει μια σταθερει ενεργεια dE/dx, και το βλημα θα χασει ενεργεια ΔΕ=Ε0-Ε σε βαθος: Η ενεργος διατομη της NRA ειναι πολυ μικροτερη απο το RBS: περισσοτερο ρευμα πρεπει να τοποθετηθει για τα ιδια δεδομενα, εξαιτιας του υψηλου ρευματος τα οπισθοσκεδαζομενα σωματια προκαλουν αθροιστικους παλμους οπου θα δωσουν υψηλο υποβαθρο και θα καταστρεψουν τον ανιχνευτη. Βεβαια η ενεργεια των αντιδρωντων ειναι μεγαλυτερη απο την ενεργεια των σκεδαζομενων σωματιδιων και συνεπως ο διαχωρισμος τους ειναι προφανεις. Για την μη καταστροφη του ανιχνευτη χρησιμοποιουνται τεχνικες φιλτραρισματος: Absorber foil (λεπτο απορροφητικο ελασμα) Μαγνητικη ή Ηλεκτροστατικη παρεκτροπη (deflection) Time of light (TOF) Ειδικοι λεπτοι ανιχνευτες

Περισσοτερες απο μια αντιδρασεις ειναι πιθανες για τον ιδιο πυρηνα, οπου δινει διαφορετικα σωματια ή με διαφορετικες ενεργειες: Το φασμα ειναι μερικες φορες δυσκολο να το εξηγησουμε λογω του οτι μπορει να εχουμε επικαλειψεις (κοινη κορυφη για διαφορετικα σωματιδια), η δυσκολια αυτη μπορει να ξεπεραστει με καταλληλη επιλογη παραμετρων φιλτραρισματος αλλα και με στενο συντονισμο. Για υψηλα αποτελεσματα βαθους χρειαζομαστε επιχυντη με υψηλη ενεργειακη σταθεροτητα και μικρη διαχυση ενεργειας. Η πιο απλη μεθοδος απορροφησης της σκεδαζομενης ακτινας ειναι να χρησιμοποιησουμε ενα φιλτρο απορροφησης (absorber foil). η ενεργεια των σωματιδιων που περνανε απο το φιλτρο ειναι:

Η ενεργεια απο τα σωματια που αφηνουν τον στοχο ειναι: Η ενεργεια απο τα σωματια που αφηνουν τον στοχο ειναι: Με, Χ ειναι το βαθος στο οποιο συμβαινει η πυρηνικη αντιδραση Ε0 ενεργεια της προσπιπτουσας δεσμης Q τιμη της αντιδρασης S(E) stopping power (κυριως λογω επιδρασης με τα e-σθενους) α-γωνια της προσπιπτουσας δεσμης και του ανιχνευτη θ- γωνια σκεδασης

Καθως το παχος του δειγματος γινεται μεγαλυτερο, η κορυφη των αντιδρωντων προιοντων γινεται πιο πλατια. Το σχημα της κορυφης ειναι αποτελεσμα της συγκεντρωσης, της ενεργου διατομης και του βαθους. Το βαθος μετριεται απο τις τρεις πιο πανω εξισωσεις μετρωντας την ανιχνευσιμη ενεργεια για διαφορετικες τιμες του βαθους.

ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ NRA Επιταχυντης (≈5MeV η επιταχυνση που δινει) Scattering chamber Υπερυψηλες συνθηκες κενου Surface barrier detector Τα ηλεκτρονικα που χρησιμοποιουνται σε ολη την διαρκεια Multichannel analyser

Επιταχυντης τυπου Van der Graaff TANDEM του δημοκριτου Γωνιομετρικος θαλαμος

Οξειδωση σιδηρου με NRA NBS,η επιφανεια του Fe ειναι οξειδωμενη με 60% Ο και 40% Fe. Ριχνουμε p στα 4ΜeV στις 170°, με παχος 15*10^15 ατομα/cm² Φασμα ελαστικης σκεδασης NRA ριχνουμε d στα 2MeV στις 165°

Εχουμε κανει zoom και φαινονται πολυ καθαρα οι κορυφες των αντιδρασεων 16Ο(d,p0)17O 16Ο(d,p1)17O 16O(d,α)14Ν

NBS με p στα 2ΜeV (ωστε να πιασουμε τον συντονισμο στα 1.75) στις 165° Ανθρακας σε πυριτιο NBS με p στα 2ΜeV (ωστε να πιασουμε τον συντονισμο στα 1.75) στις 165° NRA με d στα 2ΜeV στις 135°, στο τριτο διαγραμμα φαινεται το ισοτοπο του ανθρακα ¹³C (0.011%)

ΝRA Υψηλή ευαισθησία στα ισότοπα Θετικά Υψηλή ευαισθησία στα ισότοπα Μπορουν να ανιχνευτουν ακομα και ιχνοστοιχεια (της ταξης του 1/10^4) Υψηλη ποσοτικη αναλυση Δεν επηρεάζεται από το υπόστρωμα Κορυφές απομακρυσμένες χωρίς την ύπαρξη υποβάθρου Με την χρήση δευτερίων είναι δυνατή η ταυτόχρονη ανάλυση πολλών ελαφρών στοιχείων που βρίσκονται στο δείγμα (C, O, N, F, B, Li) Αρνητικά Δεν υπάρχουν πολλα δεδομένα ενεργών διατομών στην βιβλιογραφία Χρονοβόρα πειράματα Δεν είναι ανιχνεύσιμα όλα τα ελαφρά στοιχεία Χρειαζεται πολυ καλη θωρακιση του χωρου που γινεται η διαδικασια

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Κυριως απο papers απο το science direct Απο το google ελαχιστα πραγματα Απο το INTRODUCTORY NUCLEAR PHYSICS του Kennrth S. Krane Απο το nuclear reaction analysis: particle-particle reaction, G. Vizkelethy