تحقیق مقاله تکنیک RBS

مقدمه:

تکنیک RBS یکی از تکنیک های تجزیه ای می باشد که اجبار استفاده از شتاب دهنده را بنا کرده است این یک ابزار مهم برای تجزیه مواد و ایجاد یک روش قدرتمند برای رسیدن به توزیع عمقی عناصر ناخالص در ppm در نواحی سطحی کم از نمونه می باشد و بر مبنای پراکندگی را در ؟؟ می باشد. همچنین به طور اختصار RBS هم نامیده می‌شود. که همان Ruther ford Backscattering Spectrometry می باشد. این روش از آنالیز بر مبنای آشکارسازی (تشخیص) ذرات باردار که به صورت الاستیک بوسیله هسته های نمونه مورد آنالیز پراکنده شده اند می باشد و می تواند بوسیله y(a,a)y نشان داد.

RBS انرژی ذرات باردار (معمولاً ) را اندازه می گیرد که از نمونه به صورت معکوس توزیع یافته (هندسه پخش ) میزان کاهش انرژی در برخورد با هسته های اتمی وابسته به عدد اتمی z هر عنصر حاضر در ماده هدف می باشد. اگرچه اندازه گیری های RBS فقط هنگامی می تواند خیلی درست و واقع گرایانه باشد که فقط در جهت وارونه (عقب) باشد در حالیکه اندازه گیری های عملی و قابل استفاده معمولاً شامل پخش در جهت وارونه به خوبی جهت جلو (به سمت جلو) می باشد و توزیع با غیر مقطع عرضی را در فون (سطوح متقاطع غیر را در ؟؟ اگر نیروهای هسته ای مهم شوند آن در انرژی های بالای برخوردی اتفاق می افتد و زوایای پراکندگی بالا و عدد اتمی پایین از ماده هدف).

بنابراین اسم RBS در برخی موارد اسم درستی انتخاب نشده است و RBS برخی اوقات پراکندگی الاستیک ذره ای (Particle Elastic Scattering) نامیده می شود.

تکنیک RBS به صورت گسترده برای آنالیز لایه نزدیک سطح جامدات بکار می رود و برای تعیین پروفایل غلظت مهم می باشد. عمق عناصر سنگین در مواد سبک به عنوان تابعی از انرژی آشکار می شود. استفاده از RBS با پرتو دوترون یک سازش مفید بین RBS پروتونی و ذرات  می باشد که برای لایه های ضخیم تر اغلب در هنر و باستان‌شناسی مورد استفاده قرار می گیرد (Barfoot 1986) با استفاده از PIXE ، آنالیز چند عنصری در محدوده‌ی زیادی از عناصر در نواحی عمقی ممکن است، ولی تکنیک RBS یک نقطه مثبت نسبت به تکنیک در مواردی که توزیع عمقی یک یا عناصر بیشتر مطلوب می‌باشد، دارد ) عمق آنالیز شده (میکرومتر)  برای یون های He و  برای پروتونها)

روش های دیگر نمایش ناخالصی استفاده از واکنشهای هسته ای (NRA) می باشد که محدود به برخی عناصر سبک می شود.

سینماتیک:

برای تفرق (پراکندگی) در سطح نمونه تنها مکانیزم از دست دادن انرژی مومنتم که به اتم هدف منتقل شده می باشد نسبت انرژی اتم‌های پرتاب شونده قبل و بعد از برخورد عامل سینماتیکی گفته می شود.

مقدار بیشتری جدایی بین انرژی های اجزای به طور معکوس توزیع یافته از اجزاء سبک نسبت به اجزاء سنگین وجود دارد. بخاطر اینکه یک مقدار قابل توجه از مغتم جابجا شده از جزء برخوردی به اتم هدف سبک هنگامیکه جرم اتم هدف افزایش پیدا می کند، مغتم کمتری به اتم هدف منتقل می شود و انرژی اجزاء به طور معکوس توزیع یافته به صورت جانبی به انرژی اجزاء برخوردی نزدیک می شود. به این معنی است که RBS برای تشخیص بین دو جزء سبک خیلی مفیدتر از تشخیص بین دو عنصر سنگین است.

RBS قدرت تفکیک جرمی خوبی برای اجزای سبک دارد اما برای اجزای و عناصر سنگین وضوح و جرمی خوبی ندارد که برای رسیدن به وضوح جرمی خوب در پایان راه حلی آورده شده است.

برای مثال زمانی که  به اجزاء سبک برخورد می کند (O,N,C) یک جزء قابل توجه از انرژی برخورد کننده (پرتاب شونده) به اتم هدف منتقل می شود و انرژی ثبت شده برای رویداد توزیع یافتگی به صورت معکوس خیلی کمتر از انرژی پرتو می باشد. معمولاً ممکن است که C ، N ، p و Si را از همدیگر مجزا کرد ولو اینکه این عناصر در جرم فقط در حدود 1amV باهم تفاوت دارند. بهرحال هنگامیکه جرم اتمی که به آن برخورد وارد می شود (یعنی جرم اتمی جزء نمونه) افزایش یابد جزء کمتر و کمتری از انرژی جزء پر تاب شده در طول برخورد به جزء هدف منتقل می شود و انرژی اتم به طور معکوس توزیع یافته شده به صورت مجانب ؟؟ پرتو نزدیک می شود.

ممکن نیست که W را از Ta و یا Fe را از Ni مجزا قرار داد زمانیکه این عناصر در یک عمق مساوی از نمونه قرار داشته باشند ولو اینکه این عناصر سنگین همچنین در جرم نیز فقط در حدود 1amV تفاوت دارند یک موضوع وابسته مهم این است که He نمی تواند به صورت وارونه از اتم های H یا He در یک نمونه پراکنده شود. عناصری سبک یا سبک تر از عناصر پرتاب شده در عوض می توانند در مسیر رو به جلو با انرژی قابل توجه پراکنده شوند. بنابراین، این عناصر نمی توانند با استفاده از RBS کلاسیک کشف شوند. اگرچه با جایگذاری یک آشکارساز بطوریکه این رویدادهای پراکندگی به سمت جلو می تواند ثبت شود، این عناصر می توانند به صورت کمی بوسیله یک اصل شبیه RBS اندازه گیری شوند.

سطوح متقاطع پراکندگی (Scattering cross sectous)

تعداد نسبی اجزاء توزیع معکوس یافته از یک اتم هدف درون یک زاویه فضایی داده شده برای یک تعداد داده شده از اجزاء برخوردی مربوط به تفاوت سطوح متقاطع پراکندگی می باشد. سطوح متقاطع پراکندگی بطور اساس متناسب با مربع عدد اتمی اتم هدف می باشد. عکس بازده نسبی برای He توزیع معکوس یافته از این عناصر را وقتی که در سطح نمونه آشکار شوند را نشان می دهد. نمودار نشان می دهد که RBS بیش از 100 برابر حساس می باشد (برای عناصر سنگین نسبت به عناصر سبک بدلیل سطوح متقاطع پراکنش بزرگتر عناصر سنگین.

قدرت بازدارندگی (Stopping Power)

فقط یک بخش کوچک از اجزاء برخوردی دستخوش برخورد نزدیک با یک هسته اتمی می شوند و به بیرون نمونه توزیع معکوس پیدا می‌کنند. اکثر اتم های He برخوردی (تابش) درون نمونه قرار می‌گیرند. زمانی که اجزاء تفحص به عمق کمی در چگالی متوسط نفوذ می‌کنند، انرژی جزء پرتاب شده به دلیل اثر متقابل با الکترون کاسته می شود. این بدان معنی است که یک جزء از یک عنصر در عمق کمی توزیع معکوس یافته، موقع اندازه گیری انرژی کمتر خواهد داشت نسبت به جزء‌ای که از عنصر مشابه به و از سوی سطح نمونه توزیع معکوس یافته است.

مقدار انرژی که جزء پرتاب شده نسبت به مسافتی که درون نمونه طی می کند از دست می دهد وابسته به جزء پرتاب شده سرعت آن عناصر در نمونه و چگالی مواد نمونه می باشد.

کاهش انرژی معمولی برای He ، 2MeV محدوده ای بین 100 تا  می باشد. این کاهش انرژی وابسته به ترکیب نمونه و چگالی که دستگاه RBS از ضخامت لایه ها تهیه می کند و یک فرآیند که نقشه برداری عمقی نامیده می شود، دارد. اکثریت انرژی از دست رفته بوسیله مانع الکتریکی که به صورت (تقریباً) سایش (اصطکاکی) بین اجزاء کاوشگر (پرتابی) و ابر های الکترونی از اتم های هدف می‌باشد، صورت می پذیرد.

مانع هسته ای بوسیله تعداد زیادی از برخوردهای اجمالی (زودگذر) اتفاق می افتد که این برخوردها در امتداد مسیر اتم های تابش می باشد و مانع هسته ای فقط در اجزاء با انرژی پایین در کاهش انرژی قابل توجه شرکت می کنند.

نسبت به کاهش انرژی به چگالی دوبعدی اتم برای یک ماده داده شده برابر Stopping coss section آن می باشد و اپسیلن بطور عادی در واحد eV-cm اندازه گیری می شود. چون بیشتر کاهش انرژی بوسیله اثر متقابل با الکترونها می باشد. ساختار الکترونیکی مواد هدف تأثیر محلی روی قدرت بازدارندگی آن دارنده اثبات نظری قدرت بازدارندگی هم پیچیده و هم نادرست است. بنابراین قدرت بازدارندگی تجربی اغلب در محاسبات RBS استفاده می شود. یک تساوی چند جمله ای و یک جدول از ضرایب محاسبه‌ی قدرت‌های بازدارندگی یک محدوده‌ی انرژی ها و عناصر را تأمین می کنند و بر طبق محاسبه کاهش انرژی به واحد از عمق در نمونه یکی می تواند مقاطع عرضی بازدارندگی بارها در چگالی ماده نمونه  ضرب شود. دانستیته‌های نمونه می توانند به طور قابل توجه تغییر کنند. لازم است که دانستیته مواد نمونه را داشته باشیم تا بر طبق آن عمق ترکیب یا ضخامت لایه را بوسیله RBS حساب کنیم.

اصول کلی RBS :

اصول تکنیک RBS این است که یک پرتو با انرژی 1-3 Mev از یونهای با جرم کم (معمولاً ذرات  مثل یونهای  یا ) با نمونه برخورد می کند و یک آشکارساز نیمه هادی (سطح مانع) ذرات پراکنده شده را آشکار می کند. مهم نیست که از  یا از  به عنوان یون برخوردی در خصوص طیف استفاده شود.

حافظه وضعیت بازبرخوردی به همان سرعت برخورد یون با سطح هدف کم می شود. بخاطر اینکه انرژی پیوندی الکترونها خیلی کم می‌باشد. آشکارساز، جایی قرار گرفته است که ذرات پراکنده شده در  را آشکار کند. RBS انرژی ذرات به طور معکوس توزیع یافته را اندازه می گیرد که این انرژی متناسب با انرژی اولیه و جرم اتم نمونه‌ها که به آنها برخورد می کند. به این خاطر که مقدار انرژی منتقل شده به اتم های نمونه در برخورد وابسته به نسبت جرم بین یون و اتم نمونه می باشد. بنابراین با اندازه گیری انرژی یونهای پراکنده شده می‌توان ترکیب شیمیایی نمونه را نتیجه گیری کنیم، بعلاوه اینکه، در مورد یونهای برخوردی که به هیچ کدام از اتم های سطح از نمونه برخورد نمی کند و در عوض به اتم های در عمق بیشتر برخورد می‌کند، یونهای برخوردی با رفتن به درون جامد بتدریج انرژی خود را از دست می دهد. این، این را نتیجه می دهد که RBS می تواند به عنوان وسیله ای است تا شمای کلی عمق ترکیبات نمونه را بدست دهد. این به طور ویژه در آنالیز مواد فیلم های نازک به کار می رود کاهش انرژی  واحد  یا  در واحد  یا  که سطح متقاطع بازدارندگی stoppiug ceross section یا کاهش انرژی بوسیله اتم به اتم پایه در واحد  بدست می‌آید. سطوح متقابل بازدارندگی به عنوان یک فصل در آخر توضیح داده می شود.

تجهیزات:

1. ابزارآلات RBS :

سه جزء اصلی از دستگاه RBS 1 منبع یونهای –He

2. شتاب دهنده برای تبدیل آنها به ذرات  پرانرژی  و

3. یک آشکارساز برای اندازه گیری انرژی یونهای به طور معکوس توزیع یافته می باشد.

مدل شتاب دهنده وضعیت اجزای دیگر را تعیین می کند. شتاب دهنده‌های یک طرفه دارای منابع یون متغیر با ولتاژ می باشد تجزیه الکتریکی 1 مگاولت پتانسیل، بوسیله قرار دادن منبع یا پایانه (He) در یک محفظه شبیه یک تانک پر از گاز عایق معمولاً SF6 می باشد، یکی از اشکالات قرارگیری منبع یونی در تانک، سخت شدن برای تغییر و یا تعویض منبع می باشد. شتاب دهنده‌های پشت سرهم، یک نوآوری زیرکانه می باشد. شتاب دهنده های پشت سرهم از یک قطب مدار مثبت که در وسط (مرکز) دستگاه قرار گرفته استفاده می کنند ذرات با بار منفی درون شتاب دهنده تزریق می شوند و جذب پایانه (یا جایی پایانی) می شود که دستگاه جداکننده عنصری یک یا چند الکترون از هر ذره جدا می کند. قطب مدار مثبت، یونهای مثبت نتیجه شده را به سمت زمین بر می گرداند بنابراین ذرات قبل و بعد از پایانه انرژی بدست می‌آورند. پیکربندی پشت سرهم دو صفت مهم نسبت به ساختار تک مرحله ای دارد. اول: ولتاژ نهایی کمتری نیاز است، دوم: هر دوی منبع و یونها نزدیک پتانسیل زمین عمل و خارج می شوند. مهمترین اشکال، ناکارآمدی تولید  و  کاهش دادن باز جریان پرتو  به حدود 100nA برای یک سیستم سری در مقابل 1mA برای شتاب دهنده یک طرفه می باشد. خوشبختانه اغلب آزمایش های RBS می تواند فقط در حدود 100Na استفاده کند بدلیل محدودیت آشکارساز برای برپا کردن یک RBS نمونه یک شتاب دهنده‌ی سری استفاده می شود که پرتو  با 2.25Mev انرژی تولید می کند که بوسیله برداشتن  از  در پایانه  انجام می شود.

یک RBS نمونه شامل اجزای زیر می باشد که هر کدام به طور مفصل در پایان آمده اند:

1 . منبع یونهای He با بار منفی

2 . شتاب دهنده‌ی سری

3 . منبع ولتاژ

4. Chambertanll , Beamline

5. Stripper elements

6. Chamber Focousing

7. Sample Chamber

طیف سنجی:

ذرات  از شتاب دهنده می آیند و به سطح نمونه برخورد می کنند انرژی برای آن تعدادی از اجزاء که به سوی آشکارساز بر می گردد باید اندازه گیری شود. در RBS از آشکارسازهای سطح مانع سیلیکون استفاده می شود. چون که این وسایل ذاتاً دیود می باشند آنها را اغلب آشکارسازهای دو قطبی نیمه رسانا صدا می کنند اجزای با انرژی بالا، جفت‌های حفره الکترونی در مواد نیمه هادی تولید می کنند. آشکارساز با یک پتانسیل الکتریکی بین سطوح جلو و عقب کار می کند (معمولاً 4kv). در نتیجه میدان الکتریکی نسبت های حفره الکترونی یک جریان نسبت به انرژی ذرات باردار تولید می کند و متوسط انرژی مصرفی بوسیله  برای تولید یک جفت حفره الکترونی تقریباً 3Ver می‌باشد این برخی اوقات انرژی یونیزه شدن آشکارساز خوانده می‌شود. هر 1Mev ذره در حدود 2700 جفت های حفره الکترونی تولید می کنند. نوسان یا انحراف در تعداد موج های حامل بار بر روی وضوح تصویه طیف سنجی تأثیر می گذراند. کمترین واریانس نظری (که دنباله محاسبات پودمین می باشد) برابر حامل های بار می باشد. انحراف معیار برابر جزء واریانس می باشد. ضریب Fano نسبت مشاهده شده به این min واریانس تئوری است.

ضریب Fano دلالت بر منابع دیگر از پهن شدگی پیک دارد به طور نمونه: جمع آوری غیرکامل بار و تغییر در اتلاف لایه ساکن. جمع‌آوری ناتمام بار کم می شود به وسیله خلوص نیمه هادی که جای نسبتاً کمی برای دوباره ترکیب (جفتگیری) زوج حفره الکترون تأمین می کنند. کاهش انرژی قبل از اینکه ذرات باردار به قسمت فعال آشکارساز برسند (اتلاف لایه ساکن) به کمترین مقدار می رسد به علت اینکه این لایه نازک می باشد (در حدود 100 nm) در آشکارسازهای سطح مانع. از این رو این ضخامت برابر با فقط 4/0 % معمولی ناچیز می باشد. بنابراین آشکارسازهای سطح مانع سیلیکون با کیفیت بالا برای طیف سنجی ذرات  تقریباً ایده آل هستند. زمانهای ورود اجزاء به آشکارساز به صورت رندوم و با فاصله در زمانی تعیین شده و احتمال تداخل بین اندازه گیری ها وجود دارد وقتی که ورود اجزاء در زمانهای خیلی نزدیک هم می باشند. به این پدیده Pulse Pile Up گفته می شود و یک مشکل جدی در سرعت های ورودی اجزای زیاد پیش می آید. دو نوع Pile up وجود دارد Tail Pile up : انطباق پالسها، در مدت طولانی دنباله یا تحت پالس قبل پرتاب شود. که منجر به کاهش وضوع تصویه می شود. مدار های الکترونیکی با کیفیت بالا. Tail Pile up را به کمترین مقدار می رسانند. دو پالس به مقدار کافی به هم نزدیک باشند که شبیه یک پالس رفتار کنند متحمل نوع دوم که Peak  Pile Up می باشد شده است.