RBS - Rutherford Backscattering Spectrometry

Η εφαρμογή της μεθόδου οπισθοσκέδασης Rutherford στη μελέτη

υλικών

Υπεύθυνος Dr Μ. ΚόκκορηςΤσιντάρη Πελαγία

Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών, Τομέας Φυσικού, Ε.Μ.Π.Τρίτη 02.06.2015

ERNEST RUTHERFORD(Αύγουστος 1871- Οκτώβριο1937) •Νεοζηλανδός φυσικός και χημικός.

•Ανακάλυψε ότι το άτομο έχει συγκεντρωμένο θετικό φορτίο στο κέντρο του και το αρνητικό περιφερειακά καθιερώνοντας το πλανητικό μοντέλο των ατόμων

•Βραβείο Νομπέλ Χημείας (1908)

•Πρώτη προσπάθεια διάσπασης του ατόμου (1918)

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Η ιδιαιτερότητα των ακτίνων άλφα

Ποσοτική μελέτη του φαινομένου

Μελέτη των τυχαίων αποκλίσεων των σωματίων άλφα

Έντονη απόκλιση ορισμένων σωματίων α, έως και πέρα των 90ο

Μια πρώτη ματιά στην οπισθοσκέδαση

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

gifphy.gif

Μια πρώτη ματιά στην οπισθοσκέδαση

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

"Το φαινόμενο ήταν τόσο εκπληκτικό όσο το να εκτοξεύεις ένα βλήμα κανονιού σ' ένα κομμάτι χαρτί και να το βλέπεις να αναπηδά προς τα πίσω."

Αρχές της τεχνικής RBS1. Μεταφορά ενέργειας από τη δέσμη

στο στόχο μέσω ελαστικών κρούσεων.

2. Πιθανότητα πραγματοποίησης αυτής της σύγκρουσης.

3. Μέση απώλεια ενέργειας των ατόμων που διέρχονται από ένα υλικό.

4. Στατιστική διακύμανση της απώλειας ενέργειας ενός ατόμου που διέρχεται διαμέσου ενός υλικού.

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Ελαστική Κρούση Σωματιδίων

ΥποθέσειςΗ ενέργεια Ε0 του εκπεμπόμενου σωματιδίου πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια σύνδεσης του στόχου.Αποφυγή πυρηνικών αντιδράσεων και μεταστοιχειώσεων.Τσιντάρη

Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Κινηματικός Παράγοντας Κ

2

22 2

1 2 1 2

1 2

1 / sin / cos1 /

1 0/K E E

Μέσω της αρχής διατήρησης της ορμής και της ενέργειας προκύπτει ο κινηματικό παράγοντας Κ

Εξαρτάται από τον λόγο των μαζών και τη γωνία σκέδασης θ

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

2

22 2

1 2 1 2

1 2

1 / sin / cos1 /

Ελάχιστη τιμή Κ στις 180ο Μ1 = Μ2 τότε Κ=0 για

γωνίες >90ο Ενώ αυξάνεται συναρτήσει

του cos2θ για γωνίες <90ο Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Αρχές της τεχνικής RBS

1. Μεταφορά ενέργειας από τη δέσμη στο στόχο μέσω ελαστικών κρούσεων.

2. Πιθανότητα πραγματοποίησης αυτής της σύγκρουσης.

3. Μέση απώλεια ενέργειας των ατόμων που διέρχονται από ένα υλικό.

4. Στατιστική διακύμανση της απώλειας ενέργειας ενός ατόμου που διέρχεται διαμέσου ενός υλικού.

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Ενεργός Διατομή Σκέδασης

Η ιδιότητα της οπισθοσκέδασης να δίνει ποσοτικά αποτελέσματα για την πυκνότητα των ατόμων που υπάρχουν στην επιφάνεια του δείγματος.

1dQ

d dd Nt Q

Q Nt

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Ενεργός Διατομή Σκέδασης2

22 21

2 221 2

4 221

2

1 sin cos4

4 sin1 sin

edd E

Ανάλογη του Ζ12 . Τα αποτελέσματα της οπισθοσκέδασης

εξαρτώνται άμεσα από την εκπεμπόμενη δέσμη

Ανάλογη του Ζ22 . Τα βαρύτερα άτομα είναι πιο

αποτελεσματικά από τα ελαφριά

Αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της ενέργειας των εκπεμπόμενων σωματιδίων.

Αντιστρόφως ανάλογη της τέταρτης δύναμης του ημιτόνου θ.Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Rutherford’s Formula

Αρχές της τεχνικής RBS

1. Μεταφορά ενέργειας από τη δέσμη στο στόχο μέσω ελαστικών κρούσεων.

2. Πιθανότητα πραγματοποίησης αυτής της σύγκρουσης.

3. Μέση απώλεια ενέργειας των ατόμων που διέρχονται από ένα υλικό.

4. Στατιστική διακύμανση της απώλειας ενέργειας ενός ατόμου που διέρχεται διαμέσου ενός υλικού.

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Stopping Cross Section Ένα σωματίδιο που

οπισθοσκεδάζεται από ένα βάθος ενός συγκεκριμένου υλικού, έχει χάσει ένα ποσό ενέργειας, κυρίως λόγω αλληλεπίδρασης με τα ηλεκτρόνια του στοιχείου στο στόχο, μεγαλύτερο από εκείνο που χάνει ένα σωματίδιο το οποίο οπισθοσκεδάζεται από την επιφάνεια του ίδιου υλικού

1 dEN dx

eV cm2

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Αρχές της τεχνικής RBS

1. Μεταφορά ενέργειας από τη δέσμη στο στόχο μέσω ελαστικών κρούσεων.

2. Πιθανότητα πραγματοποίησης αυτής της σύγκρουσης.

3. Μέση απώλεια ενέργειας των ατόμων που διέρχονται από ένα υλικό.

4. Στατιστική διακύμανση της απώλειας ενέργειας ενός ατόμου που διέρχεται διαμέσου ενός υλικού.

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Energy Straggling Στατιστική Διακύμανση

της ενέργειας --> Σωματίδια δέσμης με ίδια αρχική ενέργεια και ταχύτητα παρουσιάζουν διαφορά στην απώλεια ενέργειας όταν εξέλθουν από ομοιογενές δείγμαΠεπερασμένο όριο στην ακρίβεια μέτρησης της απώλειας ενέργειας και κατ’ επέκταση στο πάχος του υλικού. Επίσης θέτει περιορισμό στην ικανότητα ταυτοποίησης υλικών καθώς προσδίδει αβεβαιότητα στον κινηματικό παράγοντα (Κ=Ε1 /Ε0)

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Mass Resolution

1 0 22

dd

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Πηγή ιόντων (συνήθως Ηe)Επιταχυντής υψηλής ενέργειαςΣτοιχεία ΕστίασηςΑνιχνευτής ημιαγωγού

Πειραματικός Εξοπλισμός

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Van de Graaf – ΕπιταχυντήςΠειραματικός Εξοπλισμός

Κινούμενο διηλεκτρικό ιμάντα για μεταφορά φορτίου

Πάνω μέρος μια κενή μεταλλική σφαίρα

Στα δύο άκρα του ιμάντα υπάρχουν «μεταλλικές» χτένες η κάτω είναι γειωμένη

και η πάνω συνδέεται με τη

μεταλλική σφαίρα

Μπορεί πλέον να παράγει δυναμικό έως 25MV

https://www.youtube.com/watch?v=EsZQS2GOMQEΤσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Πειραματικός Εξοπλισμός Επιταχυντές

Single –Ended Η πηγή θετικών ιόντων βρίσκεται μέσα στο terminal

Πολύ υψηλή ενέργεια ιόντων

Μόνωση με αέριο (SF6)

Η θέση της πηγής > δυσκολία στην ανανέωση και αδύνατη αλλαγή

Tandem Πηγή αρνητικών

ιόντων έξω από τον επιταχυντή, μικρή τάση, διπλή επιτάχυνση

Θετικά φορτισμένο terminal

Απογύμνωση από των ηλεκτρονίων των ιόντων στο terminal, δεν είναι απαραίτητο υψηλό δυναμικό

Επιτάχυνση των θετικών ιόντων

Απόδοση χαμηλής ενέργειας δέσμη ιόντων

Αφαίρεση ηλεκτρονίων

Η αφαίρεση ηλεκτρονίων γίνεται μέσα στο terminal. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι ένα λεπτό φύλλο ή αέριο.

Πειραματικός Εξοπλισμός

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Στοιχεία Εστίασης

Αναλυτικός μαγνήτης: διαχωρίζει τη δέσμη των ακτίνων α από άλλα ιόντα που μπορεί να περιέχει η δέσμη.Τετράπολοι μαγνήτες: συγκεντρώνουν και εστιάζουν τη δέσμη προς το δείγμα.

Πειραματικός Εξοπλισμός

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Θάλαμος Δείγματος Θέση του δείγματος.

Ένας ή περισσότεροι ανιχνευτές ημιαγωγών (πυριτίου).

Η οπή για την είσοδο της δέσμης.

Σύστημα κενού.

Πειραματικός Εξοπλισμός

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Ένα Φάσμα RBS

Κινηματικός Παράγοντας

Μάζα

Βάθος

Απώλεια ενέργειας

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Θέση του σήματος αντίληψη μάζας, κινηματικό παράγοντα

Πλάτος του σήματος αντίληψη βάθους, άτομα/επιφάνεια, ισχύς ανάσχεσης

Ύψος σήματος αριθμός οπισθοσκεδαζόμενων, ενεργός διατομή

Παράδειγμα Φάσμα RBS

Προσομοίωση (SIMNRA)

Πειραματικό Αποτέλεσμα

Φάσμα RBS ενός στρώματος Ag πάνω σε TiN και Si. Ενέργεια δέσμης 3.98MeV 4He και γωνία σκέδασης 165ο .

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Προσομοίωση (SIMNRA) Πειραματικό Αποτέλεσμα

Παράδειγμα Φάσμα RBS

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Φάσμα RBS πέντε εναλλασσόμενων στρωμάτων Nb και Co. Ενέργεια δέσμης 2.0 MeV 4He και γωνία σκέδασης 165ο .

“Ο Ναπολέων διασχίζει τις Άλπεις” Jacques-

Louis David (1803)

Κράμα χρυσού ή επιχρύσωση;Η θήκη του σπαθιού έχει κατασκευαστεί από

ένα κράμα χρυσού (Au) και χαλκού (Cu), (πάχους >10μm).

Για σύγκριση, η επιχρύσωση ενός αγαλματίου που έχει πάχος περίπου

2 μικρά.Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Φθορά του γυαλιούΌταν το γυαλί εκτίθεται σε υγρό περιβάλλον υποβάλλεται σε διάβρωση. Κατά τη διαδικασία της διάβρωσης επιλεκτικές εκπλύσεις αλκαλίων (Na, K) και αλκαλικών γαιών (Ca, Ba) λαμβάνουν χώρα, ενώ ενσωματώνονται συστατικά του ύδατος (Η, ΟΗ, Η2Ο). Η απόπλυση αυτή είναι ορατή μέσω φάσματος RBS.

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Αυθεντικότητα πορσελάνης Meissen

Μη καταστροφική μέθοδος ανάλυσης. Πολύ καλή ανάλυση βάθους (depth profiling). Ακριβή αποτελέσματα για την κατανομή των ατομικών ειδών

στο δείγμα. Ποσοτικά αποτελέσματα. Το δείγμα μπορεί να είναι μονωτικό ή και φορτισμένο με λίγα

kV

Αδυναμία διαχωρισμού σωματιδίων ίδιας μάζας Χαμηλή ευαισθησία διάκρισης ελαφριών στοιχείων (μικρό Ζ) επάνω σε βαριά (μεγάλο Ζ).Απαίτηση για ομοιομορφία του δείγματος τόσο στην επιφάνεια όσο και κάτω από αυτή.Έλλειψη χημικών πληροφοριών

Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματατης μεθόδου RBS

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Μικροηλεκτρονική Depth profiling λεπτών υμενίων

Πολιτιστική Κληρονομιά Στοιχειακή ανάλυση έργων τέχνης

Ιατροδικαστικές ΕφαρμογέςΔακτυλικά αποτυπώματα και κατάλοιπα πυροβολισμών

Δομικά ΥλικάΧαρακτηρισμό υλικών

Βιολογικές ΕφαρμογέςΣτοιχειακή και μοριακή ανάλυση κυττάρων και βιολογικών υλικών

Τομείς όπου χρησιμοποιείται η RBS

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

Backscattering Spectrometry - Wei-Kan Chu, James W. Mayer, Marc-A. Nicolet, Academic Press, INC.,1978

Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) - M. Mayer Lectures given at the Workshop on Nuclear Data Science and Technology: Materials Analysis, Trieste 2003 http://users.ictp.it/~pub_off/lectures/lns022/Mayer_1/Mayer_1.pdf

La tecnica RBS - Massimo Chiari, Lezione su Rutherford Backscattering Spectroscopy, Firenze 2012

RBS Instrumentation - Evans Analytical Group http://www.eag.com/mc/rbs-beam-line-tank.html#next

SIMNRA User’s Guide - Matej Mayer, Max-Planck Insitut fur Plasmaphysik

PIXE-RBS survey of Meissen porcelain snuff box: first version or not? - C. Neelmeijer and R. Rocher, January 2012

Τα λίγα που θυμάμαι - Otto Frisch, Δίαυλος Προσομοιώσεις: SIMNRA Εικόνες : www.google.gr

Βιβλιογραφία

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.

ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ

The End?!

Τσιντάρη Πελαγία 8ο εξ. Σ.Ε.Μ.Φ.Ε.