Ανάλυση πυρηνικής αντίδρασης (NRA)
| Στην ανάλυση πυρηνικής αντίδρασης, η παρουσία οποιουδήποτε στοιχείου (ιδιαίτερα στοιχείων χαμηλής μάζας, όπως C, N, O) ανιχνεύεται μέσω των πυρηνικών αντιδράσεων που εκπέμπονται σχεδόν ακαριαία από πυρηνικές αντιδράσεις που παράγονται στον στόχο από την ακτινοβολούμενη δέσμη. Ένα πλεονέκτημα αυτής της ανάλυσης είναι ο συνδυασμός της με φασματομετρία οπισθοσκέδασης, μπορεί να γίνει εξαιρετικά ευαίσθητο προφίλ βάθους στοιχείων που είναι ιδιαίτερα κατανεμημένα στην επιφάνεια και την περιοχή κοντά στην επιφάνεια ενός υλικού. Τα χαρακτηριστικά των εκπεμπόμενων ακτινοβολιών από διάφορα βάθη εξαρτώνται από την απώλεια ενέργειας των προσπίπτων ιόντων καθώς εισέρχονται στο δείγμα και επίσης από τα φορτισμένα σωματίδια που εκπέμπονται από τις αντιδράσεις καθώς εξέρχονται από το δείγμα. Η κύρια έμφαση αυτής της διάλεξης είναι να συζητήσουμε πώς να προσδιορίσουμε το προφίλ βάθους συγκέντρωσης διαφόρων ακαθαρσιών ιχνοστοιχείων αναλύοντας ορισμένες πυρηνικές αντιδράσεις. Πρώτα ας δούμε τις βασικές μεθοδολογίες: | ||
| Βασική Μεθοδολογία | ||
| Για το προφίλ βάθους με χρήση NRA, υιοθετούνται γενικά δύο διαφορετικές μέθοδοι, δηλαδή η μέθοδος ανάλυσης ενέργειας και η μέθοδος συντονισμού.5 Στην πρώτη περίπτωση η ενέργεια της δέσμης ανάλυσης διατηρείται σταθερή και κατά την ανάλυση καταγράφονται τα ενεργειακά φάσματα των σωματιδίων από τα οποία προέρχονται τα προφίλ βάθους. Η δεύτερη μέθοδος γνωστή ως συντονισμός χρησιμοποιείται όταν λαμβάνεται μια απότομη κορυφή (συντονισμός) ως συνάρτηση της ενέργειας. Σε αυτή την περίπτωση, το προφίλ βάθους προκύπτει από μια μέτρηση της απόδοσης της πυρηνικής αντίδρασης ως συνάρτηση της ενέργειας της δέσμης ανάλυσης | ||
| Ας συζητήσουμε πρώτα τη μέθοδο ανάλυσης ενέργειας. | ||
| Σε αυτή την τεχνική τόσο νετρόνια όσο και φορτισμένα σωματίδια χρησιμοποιούνται ως ανιχνευτές. Επιτρέψτε μου να ξεκινήσω με την ακόλουθη αντίδραση που προκαλείται από νετρόνια 10B(n,α)7Li. Η ενέργεια των εκπεμπόμενων σωματιδίων άλφα είναι ~1.5 MeV και η διατομή της αντίδρασης είναι ~4000 αχυρώνες.6 Τα φορτισμένα σωματίδια (άλφα και Li), τα οποία εκπέμπονται ισότροπα λόγω αυτής της αντίδρασης αρχίζουν να ταξιδεύουν προς την εξωτερική διαδρομή και αφήνουν το δείγμα και ανιχνεύονται σε ένα κατάλληλο σύστημα ανίχνευσης. Η ενέργεια του ανιχνευόμενου σωματιδίου εξαρτάται από την απώλεια ενέργειας του σωματιδίου στην εξωτερική διαδρομή και το βάθος (από την επιφάνεια) όπου λαμβάνει χώρα η πυρηνική αντίδραση. Η διαφορά ενέργειας (ΔΕ) του σωματιδίου άλφα από την επιφάνεια και από ένα στρώμα σε βάθος t δίνεται από: | ||
/equ5_15.png){kind=small} | ||
| Μια ποσοτική ανάλυση της στοιχειακής κατανομής με βάθος, δηλαδή προφίλ βάθους δημιουργείται απευθείας από το φάσμα των φορτισμένων σωματιδίων. Το εύρος που μπορεί να θεωρηθεί η απόσταση που μπορούν να διανύσουν τα σωματίδια μετά τη δημιουργία και εξακολουθούν να εξέρχονται από την επιφάνεια ποικίλλει ανάλογα με τη σύνθεση. | ||
| Ας δούμε τώρα τις πυρηνικές αντιδράσεις που προκαλούνται από φορτισμένα σωματίδια: | ||
| Στις αντιδράσεις που προκαλούνται από φορτισμένα σωματίδια η ενέργεια του προσπίπτοντος σωματιδίου είναι αρκετά υψηλή ώστε να μπορεί να διεισδύσει μέσα από το φράγμα Coulomb με αποτέλεσμα διάφορες πυρηνικές αντιδράσεις. Για παράδειγμα, ένα δευτερόνιο ~1.7 keV όταν βομβαρδίζεται με στόχο νιτριδίου αλουμινίου έχει ως αποτέλεσμα τις ακόλουθες πυρηνικές αντιδράσεις:7 27 Al (d,p) 28 Al, 14 N(d,p) 15 N, 14 N(d,a) 12 C. Το σχηματικό σχήμα της γεωμετρίας και των αντιδράσεων που σχετίζονται με αυτό το συγκεκριμένο παράδειγμα φαίνεται στο Σχ. m5.9. | ||
/5.14.png) | ||
ΣΧΗΜΑ m5.9 Σχηματική αντίδραση που προκαλείται από δευτέριο και βασική διάταξη από το προφίλ βάθους του AlxN/Ni | ||
| Τα ελαστικά διασκορπισμένα σωματίδια σταματούν σε ένα λεπτό απορροφητή για να αποτραπεί ο κορεσμός του ρυθμού μέτρησης του ανιχνευτή και του ηλεκτρονικού συστήματος. Ας δούμε τώρα τις βασικές εξισώσεις που διέπουν τη σύνθεση του στρώματος και το προφίλ βάθους χρησιμοποιώντας αυτή τη διαδικασία πυρηνικής αντίδρασης. Παρόμοια με το RBS. Ο αριθμός των ανιχνευόμενων σωματιδίων Y D είναι ανάλογος με την επιφανειακή συγκέντρωση (άτομα/cm2 ) N t και δίνεται από την ακόλουθη εξίσωση: | ||
/equ5_16.png){kind=small} | ||
| όπου σ(θ) είναι η διαφορική διατομή, Q είναι ο αριθμός των προσπίπτων σωματιδίων και Ω η στερεά γωνία ανίχνευσης. Ωστόσο, η διατομή σε αυτή τη διαδικασία δεν μπορεί να αναπαρασταθεί με έναν απλό αναλυτικό τύπο. Αυτό μπορεί να ληφθεί από τη βιβλιογραφία πυρηνικής φυσικής. Για το προφίλ βάθους, η διαφορά ενέργειας μεταξύ των ανιχνευόμενων σωματιδίων που προέρχονται από την επιφάνεια και από ένα βάθος d εξαρτάται από τις απώλειες ενέργειας στην εσωτερική και την εξωτερική διαδρομή. | ||
/equ5_17.png){kind=small} | ||
| Η διαφορά μεταξύ αυτού και του RBS είναι ότι ο κινηματικός παράγοντας Κ του RBS αντικαθίσταται από τον παράγοντα αντίδρασης a.6 Εάν η διατομή μιας αντίδρασης είναι γνωστή, το προφίλ συγκέντρωσης μπορεί να συναχθεί από το σχήμα του πειραματικού φάσματος. | ||