Ионно-лучевой анализ
Ионно-лучевой анализ (IBA) — важное семейство современных аналитических методов , включающих использование МэВ -ионных пучков для исследования состава и получения профилей элементов по глубине в приповерхностном слое твердых тел. Все методы IBA обладают высокой чувствительностью и позволяют обнаруживать элементы в субмонослойном диапазоне. Разрешение по глубине обычно находится в пределах нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров. Разрешение на атомной глубине может быть достигнуто, но требует специального оборудования. Анализируемая глубина варьируется от нескольких десятков нанометров до нескольких десятков микрометров. Методы IBA всегда количественные с точностью до нескольких процентов. Каналирование позволяет определить профиль глубины повреждения монокристаллов.
- RBS: Резерфордовское обратное рассеяние чувствительно к тяжелым элементам в легкой матрице. Этот метод используется для определения элементного состава и глубинного профиля материалов.
- EBS: Спектрометрия упругого (нерезерфордовского) обратного рассеяния может быть чувствительна даже к легким элементам в тяжелой матрице. Термин EBS используется, когда падающая частица движется так быстро, что превышает « кулоновский барьер » ядра-мишени, который, следовательно, не может быть рассмотрен с помощью Резерфорда приближения точечного заряда . В этом случае необходимо решить уравнение Шредингера , чтобы получить сечение рассеяния (см. http://www-nds.iaea.org/sigmacalc/. Архивировано 28 июля 2013 г. на Wayback Machine ).
- ERD: обнаружение упругой отдачи чувствительно к легким элементам в тяжелой матрице.
- PIXE: Рентгеновское излучение, индуцированное частицами, дает следы и второстепенный элементный состав.
- НРА: анализ ядерных реакций чувствителен к определенным изотопам
- Каналирование : пучок быстрых ионов можно точно выровнять по главным осям монокристаллов ; тогда цепочки атомов «затеняют» друг друга, и выход обратного рассеяния резко падает. Любые атомы, выходящие за пределы своих узлов решетки, будут давать видимое дополнительное рассеяние. При этом повреждения кристалла видны, а точечные дефекты ( междоузлия ) можно даже отличить от дислокаций .
- IBIL: Люминесценция, индуцированная ионным лучом, возникает, когда энергичный луч ионов попадает в цель, возбуждает собственные атомы, и в результате переходов на внешней оболочке излучается видимый свет. [1]
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. Обзор программного обеспечения IBA [2] За этим последовало взаимное сравнение нескольких кодов, посвященных RBS, ERD и NRA, организованное Международным агентством по атомной энергии . [3]
IBA — это область активных исследований. Информация о последней крупной конференции Nuclear Microbeam в Дебрецене (Венгрия) была опубликована в NIMB 267(12–13).
Обзор
[ редактировать ]Ионно-лучевой анализ основан на том, что ион-атомные взаимодействия возникают в результате введения ионов в тестируемый образец. Основные взаимодействия приводят к выделению продуктов, которые позволяют собирать информацию о количестве, типе, распределении и структурном расположении атомов. Чтобы использовать эти взаимодействия для определения состава образца, необходимо выбрать метод, а также условия облучения и систему обнаружения, которая наилучшим образом изолирует интересующее излучение, обеспечивая желаемую чувствительность и пределы обнаружения. Базовая схема устройства ионного пучка представляет собой ускоритель, который производит ионный пучок, который подается через вакуумную трубку для транспортировки пучка в устройство управления пучком. Это устройство изолирует интересующие виды ионов и заряды, которые затем транспортируются через вакуумную трубку для транспортировки пучка в целевую камеру. В этой камере очищенный ионный пучок вступает в контакт с образцом и, таким образом, можно наблюдать возникающие взаимодействия. Конфигурацию ионно-лучевого аппарата можно изменить и усложнить за счет включения дополнительных компонентов. Методы ионно-лучевого анализа предназначены для конкретных целей. Некоторые методы и источники ионов показаны в таблице 1. Типы и устройства детекторов для методов ионного пучка показаны в таблице 2.
Источник ионов | Текущий | Ионные лучи | Техника | |
---|---|---|---|---|
Низкая энергия | Радиочастота | 1 мА | Ч, Он, Н, О | С |
Дуоплазматрон | 10 мА | Ч, Он, Н, О | ||
Колутрон | ||||
Пеннинг | 5 мА | C, N, Ne, Kr | ||
Распыление кадзия | Самый надежный | ВИМС | ||
Фримен | 10 мА | Самый надежный | ||
Электронный удар | ||||
система управления информационными ресурсами (LMIS) | Га, И, Ау, Би | |||
Высокая энергия | Положительные ионы | |||
Радиочастотный | 1 мА | Ч, Он, Н, О | РБС, ПИКС, НРА | |
Дуопламатрон | 10 мА | Ч, Он, Н, О | ||
Отрицательные ионы | ||||
Дуоплазматрон
(внеосевое извлечение) |
100 мА | Х, О | РБС, ПИКС, НРА | |
Пеннинг | 2 мА | ЧАС, 2 ЧАС | ||
Источник распыления | Большинство | |||
РФ с перезарядкой | 100 мА | Ч, Он, Н, О |
Продукт | Детектор | Конфигурация | Вакуум | |
---|---|---|---|---|
С | Рассеянные ионы | Каналтрон | Вакуумный, подвижный выгодный
Для измерения энергии требуется Электростатический/магнитный анализатор |
10 нПа |
ВИМС | Вторичные ионы | Каналтрон | Вакуум, фиксированная геометрия
Низкое разрешение по массе с ESA, QMA Высокое массовое разрешение с помощью секторного анализатора поля |
< 1 мПа |
СИПС | Оптические фотоны | Спектрофотометр | Вне камеры. Фиксированная геометрия. Высокое разрешение по длине волны. | < 1 мПа |
ПИКС | Рентгеновские лучи | Си (Ли)
ИГ |
Вакуумный или внешний. Фильтры «Тонкое окно». Жидкостное азотное охлаждение | < 1 мПа |
РБС | Ионы | Барьер для серфинга | Вакуум, подвижная геометрия
Небольшое и простое устройство |
|
РБС-С | Ионы | Барьер для серфинга | < 100 мПа | |
ЭРА | Ионы | Барьер для серфинга | Геометрия угла обзора для улучшения разрешения глубины | |
НРА | Ионы | Барьер для серфинга | ||
ПИГМЕ | Гамма-лучи | Ге (Ли)
НаИ |
Внешний с окном, криостат
Высокое разрешение, низкая эффективность Плохое разрешение, высокая эффективность |
< 100 мПа |
НРА | Нейтроны | BFБФ3
Ли стекло Сцинтиллятор |
Внешний, низкий КПД
Только обнаружение Широкое разрешение при разворачивании |
Приложения
[ редактировать ]Ионно-лучевой анализ нашел применение в ряде различных приложений, от биомедицинских применений до изучения древних артефактов. Популярность этого метода проистекает из конфиденциальных данных, которые можно собрать без существенного искажения системы, в которой они изучаются. Беспрецедентный успех, достигнутый в использовании ионно-лучевого анализа, практически не подвергался сомнению на протяжении последних тридцати лет, вплоть до недавнего времени благодаря развитию новых технологий. Даже тогда использование ионно-лучевого анализа не исчезло, и обнаруживается все больше приложений, использующих преимущества его превосходных возможностей обнаружения. В эпоху, когда старые технологии могут в одно мгновение устареть, анализ ионным пучком остается основой и, похоже, только растет по мере того, как исследователи находят все более широкое применение этой технике.
Биомедицинский элементный анализ
[ редактировать ]Наночастицы золота недавно использовались в качестве основы для подсчета атомных видов, особенно при изучении состава раковых клеток. [5] Ионно-лучевой анализ — отличный способ подсчитать количество видов атомов в клетке. Ученые нашли эффективный способ сделать точные количественные данные доступными, используя анализ ионного пучка в сочетании со спектрометрией упругого обратного рассеяния (EBS). [5] Исследователи исследования наночастиц золота смогли добиться гораздо большего успеха, используя ионно-лучевой анализ по сравнению с другими аналитическими методами, такими как PIXE или XRF. [5] Этот успех обусловлен 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 нашли широкое применение в новом направлении терапии рака.
Исследования культурного наследия
[ редактировать ]Ионно-лучевой анализ также имеет уникальное применение при изучении археологических артефактов, также известное как археометрия. [6] В течение последних трех десятилетий это был наиболее предпочтительный метод изучения артефактов с сохранением их содержимого. Что многие нашли полезным при использовании этого метода, так это его превосходные аналитические характеристики и неинвазивный характер. В частности, этот метод обеспечивает непревзойденную производительность с точки зрения чувствительности и точности. Однако в последнее время появились конкурирующие источники для целей археометрии с использованием методов, основанных на рентгеновских лучах, таких как XRF. Тем не менее, наиболее предпочтительным и точным источником является ионно-лучевой анализ, который до сих пор не имеет себе равных в анализе легких элементов и в приложениях химического трехмерного изображения (например, произведений искусства и археологических артефактов). [6] [7]
Судебно-медицинская экспертиза
[ редактировать ]Третьим применением ионно-лучевого анализа являются судебно-медицинские исследования, в частности, определение характеристик остатков огнестрельного оружия. Текущая характеристика проводится на основе тяжелых металлов, обнаруженных в пулях, однако изменения в производстве постепенно делают эти анализы устаревшими. Считается, что внедрение таких методов, как ионно-лучевой анализ, решит эту проблему. В настоящее время исследователи изучают использование ионно-лучевого анализа в сочетании с сканирующим электронным микроскопом и энергодисперсионным рентгеновским спектрометром (SEM-EDS). [8] Есть надежда, что эта установка позволит обнаружить состав новых и старых химических веществ, которые старые анализы не могли эффективно обнаружить в прошлом. [8] Больший объем используемого аналитического сигнала и более чувствительное освещение, обнаруженное при анализе ионного пучка, открывают большие перспективы в области судебной медицины.
Разработка литиевых батарей
[ редактировать ]Обнаружение легких элементов, например лития, с пространственным разрешением, остается сложной задачей для большинства методов, основанных на электронной оболочке атомов мишени, таких как XRF или SEM-EDS. Для литиевых и литий-ионных батарей количественная оценка стехиометрии лития и ее пространственного распределения важна для понимания механизмов разрядки/зарядки и старения. Благодаря фокусировке ионного пучка и комбинации методов анализ ионного пучка предлагает уникальную возможность измерения локального состояния заряда (SoC) в масштабе микрометра. [9]
Итеративный ДРУГОЙ
[ редактировать ]Аналитические методы на основе ионного пучка представляют собой мощный набор инструментов для неразрушающего, безстандартного, высокоточного анализа элементного состава с разрешением по глубине в режиме глубины от нескольких нм до нескольких мкм. [10] Изменяя тип падающего иона, геометрию эксперимента, энергию частиц или приобретая различные продукты, возникающие в результате взаимодействия иона с твердым телом, можно извлечь дополнительную информацию. Однако анализ часто затрудняется либо с точки зрения разрешения по массе — когда в образце присутствует несколько сравнительно тяжелых элементов, либо с точки зрения чувствительности — когда легкие соединения присутствуют в тяжелых матрицах. Следовательно, комбинация двух или более методов на основе ионного пучка может преодолеть ограничения каждого отдельного метода и предоставить дополнительную информацию об образце. [4] [5]

Итеративный и самосогласованный анализ также повышает точность информации, которую можно получить в результате каждого независимого измерения. [11] [12] [13]
Программное обеспечение и моделирование
[ редактировать ]Начиная с 1960-х годов данные, собранные с помощью ионно-лучевого анализа, анализировались с помощью множества программ компьютерного моделирования. Исследователи, которые часто используют ионно-лучевой анализ в своей работе, требуют, чтобы это программное обеспечение было точным и подходило для описания аналитического процесса, который они наблюдают. [14] Область применения этих программ варьируется от анализа данных до теоретического моделирования и моделирования, основанного на предположениях об атомных данных, математических и физических свойствах, которые детализируют рассматриваемый процесс. Поскольку цели и реализация ионно-лучевого анализа с годами изменились, изменилось и программное обеспечение и коды, используемые для его моделирования. Такие изменения подробно описаны в пяти классах, по которым классифицируется обновленное программное обеспечение. [15] [16]
Класс-А
[ редактировать ]Включает все программы, разработанные в конце 1960-х — начале 1970-х годов. Этот класс программного обеспечения решал конкретные проблемы с данными; ний не предоставил всех возможностей для анализа спектра полного общего случая. Выдающейся новаторской программой была IBA, разработанная Циглером и Баглином в 1971 году. В то время вычислительные модели занимались только анализом, связанным с методами анализа обратного рассеяния ионного пучка, и выполняли расчеты на основе анализа пластины. В это время появилось множество других программ, таких как RBSFIT, хотя из-за отсутствия глубоких знаний в области ионно-лучевого анализа становилось все труднее разрабатывать столь точные программы.
Класс-Б
[ редактировать ]Новая волна программ стремилась решить эту проблему точности в следующем классе программного обеспечения. Разработанные в 1980-х годах такие программы, как SQEAKIE и BEAM EXPERT, давали возможность полностью решить общий случай, используя коды для выполнения прямого анализа. Этот прямой подход раскрывает полученный спектр без каких-либо предположений относительно образца. Вместо этого он рассчитывает сигналы разделенного спектра и решает набор линейных уравнений для каждого слоя. Однако проблемы все еще возникают, и вносятся коррективы, чтобы уменьшить шум в измерениях и оставить место для неопределенности.
Класс-С
[ редактировать ]Возвращаясь к исходной точке, этот третий класс программ, созданный в 1990-х годах, берет некоторые принципы из класса А для учета общего случая, однако теперь за счет использования косвенных методов. Например, RUMP и SENRAS используют предполагаемую модель образца и моделируют сравнительные теоретические спектры, которые обеспечивают такие свойства, как сохранение тонкой структуры и расчет неопределенностей. В дополнение к усовершенствованию инструментов программного анализа появилась возможность анализировать другие методы, помимо обратного рассеяния; т.е. ERDA и NRA.
Класс-D
[ редактировать ]После эпохи 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 изменения, направленные на расширение программ до более обобщенных кодов, оценки спектра и структурного определения. Программы, подобные SIMNRA, теперь учитывают более сложные взаимодействия с лучом и образцом; также предоставляет известную базу данных данных о рассеянии.
Класс-Е
[ редактировать ]Этот последний разработанный класс, имеющий характеристики, аналогичные предыдущему, использует основные принципы вычислительных методов Монте-Карло. [17] В этом классе применяются молекулярно-динамические расчеты, которые позволяют анализировать физические взаимодействия как с низкой, так и с высокой энергией, происходящие при анализе ионного пучка. Ключевой и популярной особенностью, сопровождающей такие методы, является возможность включения вычислений в реальном времени в сам эксперимент по анализу ионного пучка.
Сноски
[ редактировать ]- ^ Хаддл и др . (2007)
- ^ Раухала и др . (2006)
- ^ Баррадас и др . (2007)
- ^ Jump up to: а б с УИЛЬЯМС, Дж. С.; БЕРД, МЛАДШИЙ (1 января 1989 г.). 1. Концепции и принципы ионно-лучевого анализа . Сан-Диего: Академическая пресса. стр. 3–102. дои : 10.1016/b978-0-08-091689-7.50006-9 . ISBN 9780120997404 .
- ^ Jump up to: а б с д Джейнс, Дж. Чарльз (26 сентября 2013 г.). «Измерение и моделирование межклеточных изменений поглощения наночастиц золота» . Аналитик . 138 (23): 7070–4. Бибкод : 2013Ана...138.7070J . дои : 10.1039/c3an01406a . ПМИД 24102065 .
- ^ Jump up to: а б Дран, Жан-Клод (24 ноября 2013 г.). Ионно-лучевой анализ в исследованиях культурного наследия: основные этапы и перспективы . Междисциплинарные приложения ядерной физики с ионными пучками. Материалы конференции AIP. Том. 1530. стр. 11–24. Бибкод : 2013AIPC.1530...11D . дои : 10.1063/1.4812900 .
- ^ «Применение ионно-лучевого анализа» . www.surrey.ac.uk . Проверено 29 апреля 2016 г.
- ^ Jump up to: а б Ромоло, Ф.С. (2 мая 2013 г.). «Комплексный ионно-лучевой анализ (IBA) для определения характеристик огнестрельных остатков (GSR)». Международная судебно-медицинская экспертиза . 231 (1–3): 219–228. doi : 10.1016/j.forsciint.2013.05.006 . ПМИД 23890641 .
- ^ Мёллер, Сёрен; Сато, Такахиро; Она, Иисус; Тессмер, Бритта; Герделли, Райан; Камия, Томихиро; Фудзита, Казухиса; Сузуки, Кота; Като, Ёсиаки; Вимхёфер, Ханс-Дитер; Мима, Куниоки (июнь 2021 г.). «Абсолютное локальное количественное определение лития как функции состояния заряда в полностью твердотельных литиевых батареях с помощью 2D МэВ ионно-лучевого анализа» . Батареи . 7 (2):41.doi : 10.3390 /batteries7020041 .
- ^ Справочник по современному ионно-лучевому анализу материалов . Ван, Юнцян, Настаси, Майкл Энтони, 1950- (2-е изд.). Уоррендейл, Пенсильвания: Общество исследования материалов. 2009. ISBN 978-1-60511-217-6 . ОСЛК 672203193 .
{{cite book}}
: CS1 maint: другие ( ссылка ) - ^ Моро, М.В.; Холеняк, Р.; Зендеджас Медина, Л.; Янссон, У.; Приметхофер, Д. (сентябрь 2019 г.). «Точное профилирование по глубине с высоким разрешением пленок сплавов переходных металлов, напыленных магнетроном, содержащих легкие частицы: многометодный подход». Тонкие твердые пленки . 686 : 137416. arXiv : 1812.10340 . Бибкод : 2019TSF...686m7416M . дои : 10.1016/j.tsf.2019.137416 . S2CID 119415711 .
- ^ Компаротто, К.; Петтер, С.; Донзель-Гарганд, О.; Кубарт, Т.; Скрэгг, JJS (апрель 2022 г.). «Синтез тонких пленок перовскита BaZrS 3 при умеренной температуре на проводящих подложках» . Приложение ACS. Энергия Матер . 5 (5): 6335–6343. дои : 10.1021/acsaem.2c00704 . S2CID 248359886 .
- ^ Джейнс, К.; Бейли, MJ; Брайт, Нью-Джерси; Кристофер, Мэн; Грайм, ГВ; Джонс, Б.Н.; Палицын В.В.; Уэбб, Р.П. (январь 2012 г.). « Тотал IBA» – Где мы?» (PDF) . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 271 : 107–118. Бибкод : 2012NIMPB.271..107J . дои : 10.1016/j.nimb.2011.09.020 .
- ^ Баррадас, НП (2007). «Взаимное сравнение программного обеспечения для анализа ионного пучка в Международном агентстве по атомной энергии» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Б . 262 (2): 281. Бибкод : 2007NIMPB.262..281B . дои : 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 данных ионного пучка» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Б . 244 (2): 436. Бибкод : 2006NIMPB.244..436R . дои : 10.1016/j.nimb.2005.10.024 . hdl : 11858/00-001M-0000-0027-0B1E-C .
- ^ «Введение в моделирование фуллеренов» . www.surrey.ac.uk . Проверено 29 апреля 2016 г.
- ^ Шьеткатте, Ф (2008). «Быстрый метод Монте-Карло для моделирования ионно-лучевого анализа». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Б . 266 (8): 1880. Бибкод : 2008NIMPB.266.1880S . дои : 10.1016/j.nimb.2007.11.075 .
Ссылки
[ редактировать ]- [1] Хаддл, Джеймс Р.; Грант, Патрик Г.; Лудингтон, Александр Р.; Фостер, Роберт Л. (август 2007 г.). «Ионно-индуцированная люминесценция». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами . 261 (1–2): 475–476. Бибкод : 2007NIMPB.261..475H . дои : 10.1016/j.nimb.2007.04.025 .
- Раухала Э.; Баррадас, Северная Каролина; Фазинич С.; Майер М.; Силадьи Э.; Томпсон М. (2006). «Состояние программного обеспечения для анализа данных и моделирования IBA» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Б . 244 (2): 436–456. Бибкод : 2006НИМПБ.244..436Р . дои : 10.1016/j.nimb.2005.10.024 . hdl : 11858/00-001M-0000-0027-0B1E-C .
- Баррадас, Северная Каролина; Арстила, К.; Баттистиг, Г.; Бьянкони М.; Дитлевский Н.; Джейнс К.; Котай Э.; Лулли Г.; Майер М.; Раухала Э.; Силадьи Э.; Томпсон М. (2007). «Взаимное сравнение программного обеспечения для анализа ионного пучка в Международном агентстве по атомной энергии» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Б . 262 (2): 281–303. Бибкод : 2007NIMPB.262..281B . дои : 10.1016/j.nimb.2007.05.018 . hdl : 11858/00-001M-0000-0027-0732-B .
- Мёллер, Сорен (2020), Ускорительная технология – Применение в науке, медицине и промышленности , Ускорение и обнаружение частиц, Springer Nature, doi : 10.1007/978-3-030-62308-1 , ISBN 978-3-030-62307-4 , S2CID 229610872
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Международная конференция по ионно-лучевому анализу (научная конференция, посвященная IBA раз в два года): 2007 , 2009 , 2011 , 2013 , 2015 , 2017 ).
- Европейская конференция по ускорителям в прикладных исследованиях и технологиях ECAART (Трехлетняя Европейская научная конференция): 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 применениям IBA.
- Программа SIMNRA для моделирования и анализа спектров RBS, EBS, ERD, NRA и MEIS.
- Программа MultiSIMNRA для моделирования и анализа (самосогласованной подгонки) нескольких спектров RBS, EBS, ERD и NRA с использованием SIMNRA.
- Программа DataFurnace для моделирования и анализа (самосогласованной подгонки) множества спектров PIXE, RBS, EBS, ERD, NRA, PIGE, NRP, NDP.
- Бесплатная версия NDF NDF (расчетный механизм, 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.
- Ахенские ионные пучки Аппаратное и программное обеспечение для ионно-лучевого анализа и приложений с использованием микро-лучей