ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΥΛΙΚΩΝ: Η ΟΠΙΣΘΟΣΚΕΔΑΣΗ RUTHERFORD (RBS:Rutherford Backscattering Spectrometry)
ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΥΛΙΚΩΝ Χημικές(καταστροφικές για το υλικό) Τεχνικές φυσικής στερεάς κατάστασης π.χ.Raman(ακρίβεια 1/109 που ξεπερνά τις χημικές) Τεχνικές profiling-πυρηνικές τεχνικές
ΤΕΧΝΙΚΕΣ PROFILING (RBS,NRA,Resonant PIGE) Ελάχιστα καταστροφικές Ευαισθησία της τάξης του 1/104 Πληροφορίες για κατανομή των στοιχείων σε βάθος
ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΟΠΙΣΘΟΣΚΕΔΑΣΗΣ RUTHERFORD Ποσοτική, μη καταστρεπτική μέθοδος για ανάλυση της κατανομής σε βάθος των ατόμων ενός στερεού Αναπτύχθηκε από τους Geiger-Marsden το 1913(πείραμα Rutherford) Βασίζεται στην σκέδαση σωματιδίων α από τον στόχο 1960: αναπτύσσεται η μέθοδος μαζί με την ανακάλυψη των ανιχνευτών στερεάς κατάστασης
Η ανακάλυψή της 1911:πείραμα των Geiger, Marsden Rutherford: εξηγεί τα αποτελέσματά τους και προτείνει το αντίστοιχο μοντέλο 1920:Συνειδητοποι-ούν τις πιθανές εφαρμογές της RBS
ΔΙΑΤΑΞΗ
Γραμμικός επιταχυντής Van de Graaf Λειτουργία στα 200kV-1.7MV Ενέργειες ιόντων 400 KeV-10 MeV Δέσμη He 2-3MeV για την RBS(τέτοια ώστε να επικρατεί η σκέδαση Rutherford)
Chamber RBS Ανιχνευτής SSΒ σε γωνία>160 μοιρών 1/10000 σωμάτια οπισθοσκεδάζεται και εισέρχεται στον ανιχνευτή παράγοντας ηλεκτρικό σήμα Το σήμα διαμορφώνεται από τον ενισχυτή Καταλήγει στον πολυκαναλικό αναλυτή που δίνει το φάσμα
Σωλήνας κενού: οι απαιτήσεις είναι αρκετά ταπεινές σε σχέση με τα σημερινά δεδομένα! 10-6 Torr είναι αρκετά για να μην έχουμε αλληλεπίδραση των α με τον αέρα
Αρχές της μεθόδου... Σκέδαση σωματιδίων He από άτομα του στόχου= ελαστική κρούση 2 σωμάτων(σκέδαση Coulomb) Μεταφορά ενέργειας στα άτομα του στόχου-> ΚΙΝΗΜΑΤΙΚΟΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ K(προκύπτει από την αρχή διατήρησης ενέργειας και ορμής)
Σκέδαση σε βάθος χ του υλικού ε=ισχύς ανάσχεσης (stopping cross section)=(1/N)(dE/dx) μονάδες:eV cm2 =>απώλεια ενέργειας N=ατομική πυκνότητα(atoms/cm2) Συνήθως θ1=0 μοίρες, κάθετη πρόσπτωση
Ποια η πιθανότητα να συμβεί η σύγκρουση Εκφράζεται από την λεγόμενη ενεργό διατομή της αντίδρασης (scattering cross section σ) Η πιθανότητα αυξάνει για χαμηλές ενέργειες και μεγαλύτερο ατομικό αριθμό( Ζ2) RBS:100 φορές πιο ευαίσθητη για βαριά απ’ότι ελαφριά στοιχεία
Συμπεράσματα από το φάσμα Πλάτος:ΔΕ=[εi]NABχ ->κατανομή σε βάθος Εμβαδόν:Α=σΩQNt ->αριθμός ατόμων/μονάδα επιφάνειας Ύψος:ΗΑ/ΗΒ~m/n ->αναλογία στοιχείων
Πλεονεκτήματα της RBS Μη καταστρεπτική Γρήγορη,αποτελέσματα σε~10min Depth Profile πολυστοιχειακών υλικών Ανεπηρέαστη από τις χημικές ενώσεις Υψηλή ακρίβεια, σφάλμα<3% Μοναδική σε παγκόσμια κλίμακα
Εφαρμογές Ποσοτική ανάλυση σύνθεσης υλικών πάχους 2Α-20μm Ποσοτική μέτρηση προσμίξεων βαριών στοιχείων σε υπόστρωμα ελαφριών Μελέτη μετάλλων, ημιαγωγών, κεραμικών, κραμάτων,υπεραγωγών,οξειδίων Ποιοτικός έλεγχος υλικών:εργοστάσια υψηλής τεχνολογίας,αρχαιολογία,έργα τέχνης(π.χ.Λούβρο)
2 layers:Βαρύ στοιχείο σε ελαφρύ υπόστρωμα(Au 5%-Si 95%, subSi)
Λεπτό layer 4 στοιχείων: Na 25%, Ca 25%, Zn 25%, Cs 25%
Αυξάνουμε το πάχος...
26 multilayer Au-Si
Μειονεκτήματα Απουσία χημικής πληροφορίας Το δείγμα πρέπει να “αντέχει” στην ακτινοβόληση(τα οργανικά υλικά, π.χ.τα χρώματα των πινάκων ζωγραφικής, δεν αντέχουν στην ακτινοβολία) Αδυναμία να ξεχωρίσει στοιχεία του στόχου παρόμοιας μάζας(τα οπισθοσκεδαζόμενα σωματίδια δεν έχουν ταυτότητα)
Το αδύναμο σημείο της RBS… Χαμηλή ευαισθησία για στοιχεία μικρού Z σε υπόστρωμα με στοιχεία βαρύτερα από την πρόσμιξη
Ελαφριά πρόσμιξη σε βαρύ υπόστρωμα:Ο 71.5%-Τα 28.5%, subTa
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Backscattering Spectrometry, Wei-Kan Chu, James W.Mayer, Marc-A.Nicolet Backscattering Spectrometry, J.A.Leavitt, L.C.McIntyre, M.R.Weller RBS, X.Aslanoglou, M.Pilacouta, P.Aloupogiannis, A.Travlos, Demokritos www.google.com
Κουκοβίνη-Πλατιά Ειρήνη Εξάμηνο 8ο,09103009 Σεμινάριο Φυσικής