Анализ ионных пучков (IBA) - важное семейство современных аналитических методов, включающих использование ионных пучков МэВ для исследования состава и получения профилей элементарной глубины в приповерхностном слое твердых тел. Все методы IBA высокочувствительны и позволяют обнаруживать элементы в субмонослойном диапазоне. Разрешение по глубине обычно находится в диапазоне от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров. Разрешение по атомной глубине может быть достигнуто, но для этого требуется специальное оборудование. Анализируемая глубина колеблется от нескольких десятков нанометров до нескольких десятков микрометров. Методы IBA всегда количественные с точностью до нескольких процентов. Каналирование позволяет определить глубину повреждения в монокристаллах.
- RBS: обратное рассеяние Резерфорда чувствительно к тяжелым элементам в легкой матрице
- EBS: Спектрометрия упругого (нерезерфордовского) обратного рассеяния может быть чувствительной даже к легким элементам в тяжелой матрице. Термин EBS используется, когда падающая частица движется настолько быстро, что превышает « кулоновский барьер » ядра-мишени, что, следовательно, не может быть обработано приближением Резерфорда точечного заряда . В этом случае необходимо решить уравнение Шредингера, чтобы получить сечение рассеяния (см. Http://www-nds.iaea.org/sigmacalc/ ).
- ERD: обнаружение упругой отдачи чувствительно к легким элементам в тяжелой матрице
- PIXE: Рентгеновское излучение, индуцированное частицами, дает след и незначительный элементный состав
- NRA: Анализ ядерных реакций чувствителен к определенным изотопам
- Направление: пучок быстрых ионов может быть точно выровнен по главным осям монокристаллов ; тогда цепочки атомов «затеняют» друг друга, и мощность обратного рассеяния резко падает. Любые атомы вне их узлов решетки дадут видимое дополнительное рассеяние. Таким образом, повреждения кристалла видны, и точечные дефекты ( междоузлия ) можно даже отличить от дислокаций .
Количественная оценка методов IBA требует использования специализированного программного обеспечения для моделирования и анализа данных. SIMNRA и DataFurnace - популярные программы для анализа RBS, ERD и NRA, а GUPIX - для PIXE. За обзором программного обеспечения IBA [1] последовало взаимное сравнение нескольких кодов, посвященных RBS, ERD и NRA, организованное Международным агентством по атомной энергии . [2]
IBA - это область активных исследований. Последняя крупная конференция Nuclear Microbeam в Дебрецене (Венгрия) была опубликована в NIMB 267 (12-13).
Обзор
Ионно-лучевой анализ основан на том, что ионно-атомные взаимодействия возникают при введении ионов в тестируемый образец. Основные взаимодействия приводят к выбросу продуктов, которые позволяют собирать информацию о количестве, типе, распределении и структурном расположении атомов. Чтобы использовать эти взаимодействия для определения состава образца, необходимо выбрать метод вместе с условиями облучения и системой обнаружения, которая будет наилучшим образом изолировать интересующее излучение, обеспечивая желаемую чувствительность и пределы обнаружения. Базовая схема устройства ионного пучка представляет собой ускоритель, который производит ионный пучок, который подается через откачанную трубку для транспортировки пучка в устройство для обработки пучка. Это устройство изолирует частицы и заряд, представляющие интерес, которые затем транспортируются через откачанную трубку для транспортировки пучка в целевую камеру. В этой камере уточненный ионный пучок войдет в контакт с образцом и, таким образом, можно будет наблюдать результирующие взаимодействия. Конфигурация ионно-лучевого устройства может быть изменена и усложнена за счет включения дополнительных компонентов. Методы ионно-лучевого анализа предназначены для конкретных целей. Некоторые методы и источники ионов показаны в таблице 1. Типы детекторов и устройства для ионно-лучевых методов показаны в таблице 2.
Источник ионов | Текущий | Ионные пучки | Техника | |
---|---|---|---|---|
Низкоэнергетичный | Радиочастота | 1 мА | H, He, N, O | LEIS |
Дуоплазматрон | 10 мА | H, He, N, O | ||
Колютрон | ||||
Пеннинг | 5 мА | C, N, Ne, Kr | ||
Напыление CaeDsium | Самый твердый | SIMS | ||
Freeman | 10 мА | Самый твердый | ||
Электронный удар | ||||
LMIS | Ga, In, Au, Bi | |||
Высокая энергия | Положительные ионы | |||
Радиочастота | 1 мА | H, He, N, O | RBS, PIXE, NRA | |
Дуопламатрон | 10 мА | H, He, N, O | ||
Отрицательные ионы | ||||
Дуоплазматрон (внеосевое извлечение) | 100 мА | H, O | RBS, PIXE, NRA | |
Пеннинг | 2 мА | H, 2 H | ||
Источник распыления | Большинство | |||
РФ с обменом заряда | 100 мА | H, He, N, O |
Продукт | Детектор | Конфигурация | Вакуум | |
---|---|---|---|---|
LEIS | Рассеянные ионы | Ченнелтрон | Вакуумный, подвижный, выгодный Для измерения энергии требуется Электростатический / магнитный анализатор | 10 нПа |
SIMS | Вторичные ионы | Ченнелтрон | Вакуум, фиксированная геометрия Низкое массовое разрешение с ESA, QMA Высокое массовое разрешение с секторным анализатором поля | <1 МПа |
SIPS | Оптические фотоны | Спектрофотометр | Наружно по отношению к камере, фиксированная геометрия, высокое разрешение по длине волны. | <1 МПа |
ПИКС | Рентгеновские лучи | Си (Ли) IG | Вакуумный или внешний. Тонкое окно фильтров. Охлаждение жидким азотом | <1 МПа |
RBS | Ионы | Surf.barrier | Вакуум, подвижная геометрия Небольшая и простая компоновка | |
RBS-C | Ионы | Surf.barrier | <100 мПа | |
ЭРА | Ионы | Surf.barrier | Геометрия угла обзора для улучшенного разрешения глубины | |
NRA | Ионы | Surf.barrier | ||
PIGME | Гамма лучи | Ге (Ли) NaI | Внешний с окном, криостат Высокое разрешение, низкая эффективность Плохое разрешение, высокая эффективность | <100 мПа |
NRA | Нейтронов | BF 3 Li стекло Сцинтиллятор | Внешний, низкий КПД Только обнаружение Широкое разрешение за счет разворачивания |
Приложения
Анализ ионных пучков нашел применение во многих различных приложениях, от биомедицинских применений до изучения древних артефактов. Популярность этого метода проистекает из конфиденциальных данных, которые могут быть собраны без значительного искажения системы, в которой он изучается. Беспрецедентный успех, достигнутый при использовании ионно-лучевого анализа, практически не встречался на протяжении последних тридцати лет до самого недавнего времени благодаря новым развивающимся технологиям. Даже тогда использование ионно-лучевого анализа не исчезло, и обнаруживается все больше приложений, которые используют преимущества его превосходных возможностей обнаружения. В эпоху, когда старые технологии могут мгновенно устареть, анализ ионных пучков остается опорой и, похоже, только растет, поскольку исследователи находят все большее применение этой технике.
Биомедицинский элементный анализ
Наночастицы золота недавно были использованы в качестве основы для подсчета видов атомов, особенно при изучении содержания раковых клеток. [4] Ионно-лучевой анализ - отличный способ подсчитать количество атомных частиц на ячейку. Ученые нашли эффективный способ сделать точные количественные данные доступными с помощью ионно-лучевого анализа в сочетании со спектрометрией упругого обратного рассеяния (EBS). [4] Исследователи золотых наночастиц смогли добиться гораздо большего успеха с помощью ионно-лучевого анализа по сравнению с другими аналитическими методами, такими как PIXE или XRF. [4] Этот успех связан с тем, что сигнал EBS может напрямую измерять информацию о глубине с помощью анализа ионного пучка, тогда как это невозможно сделать с помощью двух других методов. Уникальные свойства ионно-лучевого анализа широко используются в новой линии терапии рака.
Исследования культурного наследия
Ионно-лучевой анализ также имеет уникальное применение при изучении археологических артефактов, также известном как археометрия. [5] В течение последних трех десятилетий это был наиболее предпочтительный метод изучения артефактов с сохранением их содержания. Что многие сочли полезным в использовании этого метода, так это то, что он предлагает отличные аналитические характеристики и неинвазивный характер. В частности, этот метод предлагает беспрецедентные характеристики с точки зрения чувствительности и точности. Однако в последнее время появились конкурирующие источники для целей археометрии, использующие методы на основе рентгеновских лучей, такие как XRF. Тем не менее, наиболее предпочтительным и точным источником является анализ ионного пучка, который до сих пор не имеет себе равных в области анализа легких элементов и химических 3D-изображений (например, произведений искусства и археологических артефактов). [5] [6]
Криминалистический анализ
Третье применение ионно-лучевого анализа - это судебно-медицинские исследования, в частности, определение характеристик остатков огнестрельного оружия. Текущие характеристики сделаны на основе тяжелых металлов, содержащихся в пулях, однако производственные изменения постепенно делают эти анализы устаревшими. Считается, что внедрение таких методов, как ионно-лучевой анализ, решит эту проблему. В настоящее время исследователи изучают возможность использования ионно-лучевого анализа в сочетании со сканирующим электронным микроскопом и энергодисперсионным рентгеновским спектрометром (SEM-EDS). [7] Есть надежда, что эта установка обнаружит состав новых и старых химикатов, которые старые анализы не могли эффективно обнаружить в прошлом. [7] Большее количество используемого аналитического сигнала и более чувствительное освещение, обнаруженное при ионно-лучевом анализе, дает большие надежды в области судебной медицины.
Итеративный IBA
Аналитические методы на основе ионных пучков представляют собой мощный набор инструментов для неразрушающего, не требующего стандартов, высокоточного анализа элементного состава с разрешением по глубине в режиме глубины от нескольких нм до нескольких мкм. [8] Изменяя тип падающего иона, геометрию эксперимента, энергию частицы или получая различные продукты, возникающие в результате взаимодействия иона с твердым телом, можно извлечь дополнительную информацию. Однако при анализе часто возникают проблемы либо с точки зрения разрешения по массе, когда в пробе присутствует несколько сравнительно тяжелых элементов, либо с точки зрения чувствительности, когда легкие частицы присутствуют в тяжелых матрицах. Следовательно, обычно только комбинация нескольких методов на основе ионных пучков преодолевает ограничения каждого отдельного метода и предоставляет дополнительную информацию об образце. [3] [4]
Комбинация нескольких методов IBA ( RBS , EBS, PIXE , ERD ) в итеративном и самосогласованном анализе доказывает, что повышает точность информации, которая может быть получена из каждого независимого измерения. [9] [10]
Программное обеспечение и моделирование
Начиная с 1960-х годов данные, собранные с помощью анализа ионных пучков, были проанализированы с помощью множества программ компьютерного моделирования. Исследователи, которые часто используют анализ ионных пучков в своей работе, требуют, чтобы это программное обеспечение было точным и подходящим для описания аналитического процесса, который они наблюдают. [11] Приложения этих программ варьируются от анализа данных до теоретического моделирования и моделирования, основанного на предположениях об атомных данных, математических и физических свойствах, которые детализируют рассматриваемый процесс. Поскольку цель и реализация ионно-лучевого анализа изменились с годами, изменились и программное обеспечение и коды, используемые для его моделирования. Такие изменения подробно описаны в пяти классах, по которым классифицируется обновленное программное обеспечение. [12] [13]
Класс-А
Включает все программы, разработанные в конце 1960-х - начале 1970-х годов. Этот класс программного обеспечения решал определенные проблемы с данными; niy не предоставил полного потенциала для анализа спектра полного общего случая. Известной новаторской программой была IBA, разработанная Зиглером и Баглином в 1971 году. В то время вычислительные модели касались только анализа, связанного с методами обратного рассеяния ионного пучка, и выполняли вычисления на основе анализа пластин. За это время возникло множество других программ, таких как RBSFIT, хотя из-за отсутствия глубоких знаний об анализе ионных пучков становилось все труднее разрабатывать программы, которые были бы точными.
Класс-B
Новая волна программ стремилась решить эту проблему точности в следующем классе программного обеспечения. Такие программы, как SQEAKIE и BEAM EXPERT, разработанные в 1980-х годах, давали возможность решить полный общий случай, используя коды для выполнения прямого анализа. Этот прямой подход разворачивает полученный спектр без каких-либо предположений относительно образца. Вместо этого он рассчитывает через отдельные спектральные сигналы и решает набор линейных уравнений для каждого слоя. Тем не менее, проблемы все еще возникают, и вносятся корректировки, чтобы уменьшить шум в измерениях и место для неопределенности.
Класс-C
Возвращаясь к исходной точке, этот третий класс программ, созданный в 1990-х годах, берут некоторые принципы из класса A в объяснении общего случая, однако теперь с использованием косвенных методов. Например, RUMP и SENRAS используют предполагаемую модель образца и моделируют сравнительные теоретические спектры, которые обеспечивают такие свойства, как сохранение тонкой структуры и расчеты неопределенности. В дополнение к усовершенствованию программных средств анализа появилась возможность анализировать другие методы, помимо обратного рассеяния; т.е. ERDA и NRA.
Класс-D
Уходя из эры класса C и в начале 2000-х годов, программное обеспечение и программы моделирования для анализа ионных пучков решали различные методы сбора данных и проблемы анализа данных. Вслед за мировыми технологическими достижениями были внесены корректировки для улучшения программ до состояния более общих кодов, оценки спектра и структурного определения. Такие программы, как SIMNRA, теперь учитывают более сложные взаимодействия с лучом и образцом; также предоставляет известную базу данных данных о рассеянии.
Класс-E
Этот последний разработанный класс, имеющий характеристики, аналогичные предыдущему, использует основные принципы вычислительных методов Монте-Карло. [14] Этот класс применяет молекулярно-динамические расчеты, которые позволяют анализировать физические взаимодействия как с низкой, так и с высокой энергией, имеющие место при анализе ионного пучка. Ключевой и популярной особенностью, которая сопровождает такие методы, является возможность объединения вычислений в реальном времени с самим экспериментом по анализу ионного пучка.
Сноски
- ^ Rauhala et al . (2006)
- ^ Barradas et al . (2007)
- ^ a b c УИЛЬЯМС, Дж. С.; ПТИЦА, МЛАДШИЙ (1989-01-01). 1 - Концепции и принципы ионно-лучевого анализа . Сан-Диего: Academic Press. С. 3–102. DOI : 10.1016 / b978-0-08-091689-7.50006-9 . ISBN 9780120997404.
- ^ а б в г Джейнес, Дж. Чарльз (26 сентября 2013 г.). «Измерение и моделирование изменений поглощения наночастиц золота от клетки к клетке» . Аналитик . 138 (23): 7070–4. Bibcode : 2013Ana ... 138.7070J . DOI : 10.1039 / c3an01406a . PMID 24102065 .
- ^ а б Дран, Жан-Клод (24 ноября 2013 г.). «Ионно-лучевой анализ в исследованиях культурного наследия: вехи и перспективы». Междисциплинарные приложения ядерной физики с ионными пучками . Материалы конференции AIP. 1530 (1): 11–24. Bibcode : 2013AIPC.1530 ... 11D . DOI : 10.1063 / 1.4812900 .
- ^ «Приложения ионно-лучевого анализа» . www.surrey.ac.uk . Проверено 29 апреля 2016 .
- ^ а б Ромоло, Ф.С. (2 мая 2013 г.). «Комплексный ионно-лучевой анализ (IBA) для определения характеристик огнестрельных остатков (GSR)». Международная криминалистическая экспертиза . 231 (1–3): 219–228. DOI : 10.1016 / j.forsciint.2013.05.006 . PMID 23890641 .
- ^ Справочник по анализу современных ионно-лучевых материалов . Ван, Юнцян., Настаси, Майкл Энтони, 1950- (2-е изд.). Варрендейл, Пенсильвания: Общество исследования материалов. 2009. ISBN. 978-1-60511-217-6. OCLC 672203193 .CS1 maint: другие ( ссылка )
- ^ Моро, М.В.; Holeák, R .; Zendejas Medina, L .; Jansson, U .; Приметжофер, Д. (сентябрь 2019). «Точное профилирование с высоким разрешением по глубине пленок из сплавов переходных металлов, напыленных магнетронным методом, содержащих легкие частицы: мульти-методический подход». Тонкие твердые пленки . 686 : 137416. arXiv : 1812.10340 . Bibcode : 2019TSF ... 686m7416M . DOI : 10.1016 / j.tsf.2019.137416 . S2CID 119415711 .
- ^ Jeynes, C .; Бейли, MJ; Брайт, штат Нью-Джерси; Кристофер, Мэн; Грайм, GW; Джонс, Б.Н.; Палицин, В.В.; Уэбб, RP (январь 2012 г.). " " Total IBA "- Где мы?" (PDF) . Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 271 : 107–118. Bibcode : 2012NIMPB.271..107J . DOI : 10.1016 / j.nimb.2011.09.020 .
- ^ Баррадас, Н.П. (2007). "Взаимное сравнение программного обеспечения ионно-лучевого анализа Международным агентством по атомной энергии" . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях В . 262 (2): 281. Bibcode : 2007NIMPB.262..281B . DOI : 10.1016 / j.nimb.2007.05.018 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-0027-0732-B .
- ^ Раухала, Э. (2006). «Состояние программного обеспечения для анализа и моделирования ионных пучков» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях В . 244 (2): 436. Bibcode : 2006NIMPB.244..436R . DOI : 10.1016 / j.nimb.2005.10.024 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-0027-0B1E-C .
- ^ «Введение в моделирование фуллерена» . www.surrey.ac.uk . Проверено 29 апреля 2016 .
- ^ Schiettekatte, F (2008). «Быстрый Монте-Карло для моделирования ионно-пучкового анализа». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях В . 266 (8): 1880. Bibcode : 2008NIMPB.266.1880S . DOI : 10.1016 / j.nimb.2007.11.075 .
Рекомендации
- Раухала Э .; Баррадас, Н. П.; Fazinic S .; Mayer M .; Szilágyi E .; Томпсон М. (2006). «Состояние программного обеспечения для анализа и моделирования данных IBA» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях В . 244 (2): 436–456. Bibcode : 2006NIMPB.244..436R . DOI : 10.1016 / j.nimb.2005.10.024 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-0027-0B1E-C .
- Баррадас, Н. П.; Arstila, K .; Battistig, G .; Bianconi M .; Dytlewski N .; Jeynes C .; Kótai E .; Lulli G .; Mayer M .; Раухала Э .; Szilágyi E .; Томпсон М. (2007). «Взаимное сравнение программного обеспечения ионно-лучевого анализа Международным агентством по атомной энергии» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях В . 262 (2): 281–303. Bibcode : 2007NIMPB.262..281B . DOI : 10.1016 / j.nimb.2007.05.018 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-0027-0732-B .
Внешние ссылки
- Международная конференция по ионно-лучевому анализу (проводимая раз в два года научная конференция, посвященная IBA: 2007 , 2009 , 2011 , 2013 , 2015 , 2017 ).
- Европейская конференция по ускорителям в прикладных исследованиях и технологиях ECAART (Европейская научная конференция, проводимая раз в три года): 2007 , 2010 , 2013 , 2016 .
- Международная конференция по рентгеновскому излучению, индуцированному частицами (научная конференция Trienniel, посвященная PIXE): 2007 , 2010 , 2013 , 2015 .
- «Ядерные инструменты и методы» : международный рецензируемый научный журнал, в основном посвященный разработкам и приложениям IBA.
- Программа SIMNRA для моделирования и анализа спектров RBS, EBS, ERD, NRA и MEIS
- Программа MultiSIMNRA для моделирования и анализа (самосогласованная подгонка) нескольких спектров RBS, EBS, ERD и NRA с использованием SIMNRA
- Программа DataFurnace для моделирования и анализа (самосогласованная подгонка) нескольких спектров PIXE, RBS, EBS, ERD, NRA, PIGE, NRP, NDP
- НДК бесплатная версия NDF (расчет двигатель , лежащий в основе DataFurnace) для моделирования спектров IBA
- Программа GUPIX для моделирования и анализа спектров PIXE
- Программное обеспечение для анализа PIXE Взаимное сравнение пакетов программного обеспечения для спектрометрии PIXE