Σεμινάριο Φυσικής

Ενότητα 1

Γεωργακίλας Αλέξανδρος

Ζουμπούλης Ηλίας

Μακροπούλου Μυρσίνη

Πίσσης Πολύκαρπος

Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε Άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναγράφεται ρητώς.

Ντέμου Ελένη

Επιβλέπων: Κόκκορης Μιχαήλ

RBS(Rutherford Backscattering Spectrometry) Μέθοδος ανάλυσης με δέσμες ιόντων Στοιχειομετρία, στοιχειώδη επιφανειακή

πυκνότητα και κατανομές προσμίξεων σε λεπτά φύλλα

Μη καταστροφική συνήθως και γρήγορη Βάθος ανάλυσης: 2μm(σωματίδια α) ,

20μm(πρωτόνια) Ακρίβεια για βαριά στοιχεία πάνω σε

ελαφριές μήτρες Μοναδική σε παγκόσμια κλίμακα

Lord Ernest Rutherford(1871-1937) 1911 : Πειράματα του Rutherford σκέδασηςσωματιδίων-α σε Au

πυρήνας του ατόμου

Rubin 1957 : RBS ως μέθοδος ανάλυσης υλικών(εφαρμογές RBS)

Ernest Rutherford aged 21

http://wellcomeimages.org/indexplus/image/L0014628.html

Unknown, published in 1939 in Rutherford : being the life and letters of the Rt. Hon. Lord Rutherford, O. M

This file is licensed under the Creative Commons Attribution 4.0 International license.

Δέσμη ιόντων ενέργειας μερικών MeVπροσπίπτει στην επιφάνεια

Ιόντα δέσμης οπισθοσκεδάζονται ελαστικά από άτομα στόχου και ανιχνεύονται

Απώλεια ενέργειας

μέσω σκεδάσεων

(ελαστικών και

ανελαστικών) από

ηλεκτρόνια και

πυρήνες

Εικόνα 1: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

Σκέδαση Rutherford

Διαφορική ενεργός διατομή

Η τελική ενέργεια Ε μειώνεται κατά ένα παράγοντα Κ:

τον κινηματικό παράγοντα της σκέδασης

Από διατήρηση ενέργειας(ελαστική σκέδαση) και ορμής :

Υπολογισμός :

αφού , , θ γνωστά και Ε μετρούμενο

Η απώλεια ενέργειας συναρτήσει του βάθους x που έγινε η σκέδαση είναι :

Όπου

είναι ο παράγοντας ισχύος ανάσχεσης (stopping cross section factor) δηλαδή ο παράγοντας απώλειας ενέργειας ανά άτομο και ανά μονάδα επιφάνειας του διανυόμενου υλικού

Η στοιχειομετρία σε ένα δείγμα προσδιορίζεται από τη σχέση :

όπου τα Η είναι τα ύψη των κορυφών των στοιχείων Α και Β από το φάσμα

Η επιφανειακή πυκνότητα δίνεται από την :

Ικανότητα της μεθόδου να διαχωρίζει 2 κορυφές στοιχειών που διαφέρουν ελαφρώς στη μάζα τους

RBS καλύτερη ανάλυση μάζας για ελαφρά στοιχεία απ’ότι για βαριά

Π.χ. ξεχωρίζει C από N αλλά όχι Ta από W

Σχετική απόδοση συναρτήσει ενέργειας οπισθοσκεδαζόμενων σωματιδίων για διάφορα στοιχεία.

Εικόνα 2: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

Επιταχυντής Van de Graaff◦ Ιόντα μερικών MeV

◦ Ιόντα ή p,d ή

Εικόνα 3: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

Θάλαμος στόχου( target chamber)

(κενό Pa)• Σωλήνα κενού

• Όργανο που κρατά και μετακινεί το δείγμα(sample holder)

• Ανιχνευτές

Εικόνα 4: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

Ημιαγωγικοί ανιχνευτές σωματιδίων(Semiconductor particle detectors) π.χ. ανιχνευτής Si με φράγμα επιφάνειας (surface barrier Si detectors)

Λογισμικό• SIMNRA by M.Mayer, Max-Planck-Institute for

Plasma Physics

• RUMP by M.Thomson, Cornell University

• RBX by E.Kótai, Research Institute for Particle and Nuclear Physics

Εφαρμογές σε έργα τέχνης(πίνακες, αγάλματα) Διαφύλαξη

Αυθεντικότητα

Εφαρμογές σε υλικά προσδιορισμός

ανεπιθύμητων προσμίξεων σε υλικά ή στρώματος διάβρωσης

Εφαρμογές σε προηγμένα τεχνολογικά υλικά π.χ. λεπτά φύλλα υπεραγώγιμων

οξειδίων

Διάβρωση γυαλιού

• Άτομα Ca που λείπουν και εμπλουτισμός με O στην επιφάνεια Εικόνα 5: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση.

Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

Όχι πληροφορία για χημική κατάσταση συστατικών(υπάρχοντες δεσμοί)

Ανίχνευση μόνο για πυρήνες βαρύτερους του

αλλά κυρίως

Δεν μπορεί να ανιχνεύσει ελαφριά στοιχεία πάνω σε βαριά υποστρώματα

EBS(Elastic (non-Rutherford) Backscattering Spectrometry)◦ Ελαστική σκέδαση αλλά η ενεργός διατομή δεν

είναι πλέον Rutherford

◦ Ίδια διάταξη με RBS αλλά αλλάζουμε ενέργεια επιταχυντή συντονισμό ανίχνευση ελαφριού στοιχείου σε βαρύ υπόστρωμα

◦ Ενέργεια συντονισμού και ενεργές διατομές( non-Rutherford) από βάσεις δεδομένων

π.χ. IBANDL ενεργές διατομές ως γραφήματα και αρχεία δεδομένων

Ενεργές διατομές γίνονται non-Rutherford λόγω παρουσίας πυρηνικών δυνάμεων

Μικρά Ζ

Μεγάλες ενέργειες δέσμης

Όχι θεωρητική πρόβλεψη, μόνο πειραματικές μετρήσεις

Εικόνα 6: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

Ενεργές διατομές non-Rutherford όχι θεωρητικό μοντέλο

Κάποια στοιχεία δεν εμφανίζουν συντονισμό

Μπορεί να επικαλύπτονται οι κορυφές συντονισμού αν το δείγμα αποτελείται από πολλά στοιχεία

Handbook of Modern Ion Beam Materials Analysis, Yongqiang Wang and Michael A. Nastasi

Rutherford Backscattering Spectrometry. M.Mayer. Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Lectures given at the Workshop on Nuclear Data for Science and Technology: Materials Analysis, Trieste, 19-30 May 2003

Instrumentation for PIXE and RBS, International atomic energy agency, Vienna,2000

Rutherford Backscattering Spectrometry: A didactic path about the basic interpretation models

Non-destructive Ion Beam Analysis of Art Objects.Christian Neelmaijer IBA/OSA

SIMNRA IBANDL Wikipedia

Η ενεργός διατομή Rutherford μπορεί να υπολογιστεί από την σχέση :

Εικόνα 8: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

Εικόνα 9: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.

Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού.

Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικού πόρους.