Analýza iontového paprsku - Ion beam analysis

Analýza iontového paprsku („IBA“) je důležitá rodina moderních analytické techniky zahrnující použití MeV iontové paprsky zkoumat složení a získat elementární hloubkové profily v blízké povrchové vrstvě pevných látek. Všechny metody IBA jsou vysoce citlivé a umožňují detekci prvků v rozsahu jedné monovrstvy. Rozlišení hloubky se obvykle pohybuje v rozmezí od fewnanometrů do několika desítek nanometrů. Atomové hloubkové rozlišení lze dosáhnout, ale vyžaduje speciální vybavení. Analyzovaná hloubka se pohybuje od několika desítek nanometrů do několika desítek mikrometrů. Metody IBA jsou vždy kvantitativní s přesností na několik procent. Channeling umožňuje určit hloubkový profil poškození jednotlivých krystalů.

Kvantitativní hodnocení metod IBA vyžaduje použití specializovaného softwaru pro simulaci a analýzu dat. SIMNRA a DataFurnace jsou populární programy pro analýzu RBS, ERD a NRA, zatímco GUPIX je populární pro PIXE. Přehled softwaru IBA[1] po něm následovalo srovnání několika kódů věnovaných RBS, ERD a NRA, které organizoval Mezinárodní agentura pro atomovou energii.[2]

IBA je oblast aktivního výzkumu. Poslední velká konference Nuclear Microbeam v roce 2006 Debrecen (Maďarsko) byl publikován v NIMB 267 (12-13).

Přehled

Analýza iontového paprsku funguje na základě toho, že interakce iontů a atomů jsou vytvářeny zavedením iontů do testovaného vzorku. Hlavní interakce vedou k emisi produktů, které umožňují shromažďování informací o počtu, typu, distribuci a strukturním uspořádání atomů. Chcete-li použít tyto interakce k určení složení vzorku, musíte zvolit techniku ​​spolu s ozařovacími podmínkami a detekčním systémem, který nejlépe izoluje sledované záření poskytující požadovanou citlivost a detekční limity. Základní uspořádání aparátu iontového paprsku je urychlovač, který produkuje iontový paprsek, který je přiváděn přes evakuovanou trubici pro transport paprsku do zařízení pro manipulaci s paprskem. Toto zařízení izoluje iontové druhy a sledovaný náboj, které jsou poté transportovány evakuovanou trubicí pro transport paprsku do cílové komory. Tato komora je místem, kde rafinovaný iontový paprsek přijde do kontaktu se vzorkem, a tak lze pozorovat výsledné interakce. Konfiguraci přístroje s iontovým paprskem lze změnit a zkomplikovat začleněním dalších komponent. Techniky pro analýzu iontového paprsku jsou navrženy pro specifické účely. Některé techniky a zdroje iontů jsou uvedeny v tabulce 1. Typy detektorů a uspořádání technik iontového paprsku jsou uvedeny v tabulce 2.

Tabulka 1: Techniky a zdroje iontů[3]
Ionový zdrojAktuálníIonové paprskyTechnika
Nízká energieRádiová frekvence1 mAH, He, N, O.LEIS
Duoplasmatron10 mAH, He, N, O.
Colutron
Penning5 mAC, N, Ne, Kr
Rozprašování CaeDsiumNejpevnějšíSIMS
Freemane10 mANejpevnější
Dopad elektronů
LMISGa, In, Au, Bi
Vysoká energiePozitivní ionty
Rádiová frekvence1 mAH, He, N, O.RBS, PIXE, NRA
Duoplamatron10 mAH, He, N, O.
Negativní ionty
Duoplasmatron

(extrakce mimo osu)

100 mAH, O.RBS, PIXE, NRA
Penning2 mAH, 2H
Zdroj prskáníVětšina
RF s výměnou poplatků100 mAH, He, N, O.
Tabulka 2: Typy detektorů a uspořádání pro techniky iontového paprsku[3]
ProduktDetektorKonfiguraceVakuum
LEISRozptýlené iontyChanneltronVakuové, pohyblivé výhodné

Měření energie vyžaduje

Elektrostatický / magnetický analyzátor

10 nPa
SIMSSekundární iontyChanneltronVakuum, pevná geometrie

Nízké hmotnostní rozlišení s ESA, QMA

Vysoké hmotnostní rozlišení se sektorovým polním analyzátorem

<1 mPa
SIPSOptické fotonySpektrofotometrVně komory, pevná geometrie, vysoké rozlišení vlnové délky.<1 mPa
PIXERentgenové paprskySi (Li)

IG

Vakuové nebo externí. Filtry tenkého okna. Kapalné N chlazení<1 mPa
RBSIontySurf. BariéraVakuum, pohyblivá geometrie

Malé a jednoduché uspořádání

RBS-CIontySurf. Bariéra<100 mPa
ÉRAIontySurf. BariéraGeometrie úhlu pohledu pro lepší rozlišení hloubky
NRAIontySurf. Bariéra
PIGMEGama paprskyGe (Li)

NaI

Externí s oknem, kryostat

Vysoké rozlišení, nízká účinnost

Špatné rozlišení, vysoká účinnost

<100 mPa
NRANeutronyBF3

Li sklo

Scintilátor

Externí, nízká účinnost

Pouze detekce

Široké rozlišení rozložením

Aplikace

Analýza iontového paprsku našla použití v řadě variabilních aplikací, od biomedicínských použití až po studium starověkých artefaktů. Popularita této techniky vychází z citlivých dat, která lze sbírat bez významného narušení systému, na kterém studuje. Bezkonkurenční úspěch při použití analýzy iontového paprsku byl za posledních třicet let až do nedávné doby díky novým vývojovým technologiím prakticky nezpochybněn. I poté použití analýzy iontového paprsku nevyprchalo a bylo nalezeno více aplikací, které využívají jeho vynikající detekční schopnosti. V době, kdy mohou starší technologie v okamžiku zastarat, zůstala analýza iontového paprsku základem a zdá se, že roste, protože vědci stále více využívají tuto techniku.

Biomedicínská elementární analýza

Zlaté nanočástice byly nedávno použity jako základ pro počet atomových druhů, zejména při studiu obsahu rakovinných buněk.[4] Analýza iontového paprsku je skvělý způsob, jak spočítat množství atomových druhů na buňku. Vědci našli efektivní způsob, jak zpřístupnit přesná kvantitativní data pomocí analýzy iontového paprsku ve spojení s elastickou zpětně rozptylující spektrometrií (EBS).[4] Vědci studie nanočástic zlata dokázali najít mnohem větší úspěch pomocí analýzy iontového paprsku ve srovnání s jinými analytickými technikami, jako je PIXE nebo XRF.[4] Tento úspěch je způsoben skutečností, že signál EBS může přímo měřit informace o hloubce pomocí analýzy iontového paprsku, zatímco u ostatních dvou metod to nelze provést. Unikátní vlastnosti analýzy iontovým paprskem se skvěle využívají v nové linii léčby rakoviny.

Studie kulturního dědictví

Analýza iontového paprsku má také velmi unikátní aplikaci při studiu archeologických artefaktů, známých také jako archeometrie.[5] Za poslední tři desetiletí to byla mnohem preferovaná metoda ke studiu artefaktů při zachování jejich obsahu. Mnohým se při používání této techniky zdálo užitečné nabídnout vynikající analytický výkon a neinvazivní charakter. Přesněji řečeno, tato technika nabízí bezkonkurenční výkon, pokud jde o citlivost a přesnost. Nedávno však existovaly konkurenční zdroje pro účely archeometrie využívající metody založené na rentgenovém záření, jako je XRF. Nejvýhodnějším a nejpřesnějším zdrojem je nicméně analýza iontovým paprskem, která ve své analýze světelných prvků a chemických 3D zobrazovacích aplikací (tj. Uměleckých děl a archeologických artefaktů) dosud nemá obdoby.[5][6]

Forenzní analýza

Třetí aplikace analýzy iontového paprsku je ve forenzních studiích, zejména s charakterizací zbytků střelných zbraní. Aktuální charakterizace se provádí na základě těžkých kovů nalezených v kulkách, avšak díky výrobním změnám jsou tyto analýzy pomalu zastaralé. Předpokládá se, že zavedení technik, jako je analýza iontového paprsku, tento problém zmírní. Vědci v současné době studují použití analýzy iontového paprsku ve spojení s rastrovacím elektronovým mikroskopem a rentgenovým spektrometrem Energy Dispersive (SEM-EDS).[7] Doufáme, že toto nastavení detekuje složení nových a starých chemikálií, které starší analýzy nemohly v minulosti účinně detekovat.[7] Větší množství použitého analytického signálu a citlivější osvětlení nalezené v analýze iontovým paprskem dává velký příslib v oblasti forenzní vědy.

Iterativní IBA

Analytické techniky založené na iontových svazcích představují výkonnou sadu nástrojů pro nedestruktivní, bezstandardní, hloubkově rozlišenou a vysoce přesnou analýzu elementárního složení v hloubkovém režimu od několika nm do několika μm.[8] Změnou typu dopadajícího iontu, geometrie experimentu, energie částic nebo získáním různých produktů pocházejících z interakce ion-pevná látka lze získat doplňující informace. Analýza je však často zpochybňována buď z hlediska hromadného rozlišení - pokud je ve vzorku přítomno několik srovnatelně těžkých prvků - nebo z hlediska citlivosti - pokud jsou v těžkých matricích přítomny lehké druhy. Proto obvykle pouze kombinace několika technik založených na iontovém paprsku překoná omezení každé jednotlivé metody a poskytne doplňující informace o vzorku.[3][4]

Přehled různých interakcí iont-povrch. (1) přicházející iont; (2) rozptyl; (3) -neutralizace a rozptyl; (4) - rozprašování nebo zpětný ráz; (5) -elektronová emise; (6) -fotonová emise; (7) -adsorpce; (8) - výtlak, např. z prskající události

Kombinace několika technik IBA (RBS, EBS, PIXE, ERD ) v iterativní a sebekonzistentní analýze prokazují, že zvyšují přesnost informací, které lze získat z každého nezávislého měření.[9][10]

Software a simulace

Od 60. let 20. století byla data shromážděná analýzou iontového paprsku analyzována pomocí řady počítačových simulačních programů. Vědci, kteří ve své práci často používají analýzu iontového paprsku, vyžadují, aby tento software byl přesný a vhodný pro popis analytického procesu, který pozorují.[11] Aplikace těchto softwarových programů sahají od analýzy dat po teoretické simulace a modelování založené na předpokladech o atomových datech, matematických a fyzikálních vlastnostech, které podrobně popisují daný proces. Vzhledem k tomu, že se účel a implementace analýzy iontového paprsku v průběhu let měnily, změnil se i software a kódy používané k její modelování. Tyto změny jsou podrobně popsány v pěti třídách, podle kterých je aktualizovaný software kategorizován.[12][13]

Třída A

Zahrnuje všechny programy vyvinuté na konci 60. a začátku 70. let. Tato třída softwaru vyřešila konkrétní problémy v datech; niy neposkytl plný potenciál pro analýzu spektra úplného obecného případu. Prominentním průkopnickým programem byl IBA, vyvinutý Zieglerem a Baglinem v roce 1971. V té době se výpočetní modely zabývaly pouze analýzou spojenou s technikami zpětného rozptylu analýzy iontového paprsku a provedly výpočet na základě analýzy desky. Během této doby se objevila celá řada dalších programů, například RBSFIT, i když kvůli nedostatku hlubokých znalostí o analýze iontovým paprskem bylo stále obtížnější vyvíjet takové přesné programy.

Třída B

Nová vlna programů se snažila vyřešit tento problém s přesností v této další třídě softwaru. Programy jako SQEAKIE a BEAM EXPERT, které byly vyvinuty v 80. letech, poskytly příležitost vyřešit celý obecný případ využitím kódů k provedení přímé analýzy. Tento přímý přístup rozvíjí produkované spektrum bez předpokladů o vzorku. Místo toho vypočítává prostřednictvím oddělených signálů spektra a řeší sadu lineárních rovnic pro každou vrstvu. Stále však přetrvávají problémy a jsou provedeny úpravy ke snížení hluku v měření a prostor pro nejistotu.

Třída C.

Při cestě zpět na začátek si tato třetí třída programů, vytvořená v 90. letech, osvojila několik principů ze třídy A v účetnictví pro obecný případ, nyní však pomocí nepřímých metod. Například RUMP a SENRAS používají předpokládaný model vzorku a simulují srovnávací teoretická spektra, která poskytují takové vlastnosti, jako je retence jemné struktury a výpočty nejistoty. Kromě vylepšení softwarových analytických nástrojů přišla schopnost analyzovat kromě zpětného rozptylu i další techniky; tj. ERDA a NRA.

Třída D

Po ukončení éry třídy C a počátkem roku 2000 se softwarové a simulační programy pro analýzu iontového paprsku zabývaly řadou technik sběru dat a problémů s analýzou dat. V návaznosti na světový technologický pokrok byly provedeny úpravy s cílem vylepšit programy do stavu obecnějších kódů, vyhodnocení spektra a strukturálního určení. Programy vytvořené jako SIMNRA nyní představují složitější interakce s paprskem a vzorkem; také poskytnutí známé databáze dat o rozptylu.

Třída E

Tato naposledy vyvinutá třída, která má podobné vlastnosti jako ta předchozí, využívá primární principy výpočetních technik Monte Carlo.[14] Tato třída aplikuje výpočty molekulární dynamiky, které jsou schopné analyzovat jak fyzikální interakce s nízkou, tak s vysokou energií probíhající při analýze iontovým paprskem. Klíčovým a oblíbeným prvkem, který tyto techniky doprovází, je možnost začlenit výpočty v reálném čase do samotného experimentu s analýzou iontového paprsku.

Poznámky pod čarou

  1. ^ Rauhala et al. (2006)
  2. ^ Barradas et al. (2007)
  3. ^ A b C WILLIAMS, J. S .; BIRD, J. R. (01.01.1989). 1 - Koncepty a principy analýzy iontových paprsků. San Diego: Academic Press. s. 3–102. doi:10.1016 / b978-0-08-091689-7.50006-9. ISBN  9780120997404.
  4. ^ A b C d Jeynes, J. Charles (26. září 2013). „Měření a modelování variací mezi buňkami při příjmu nanočástic zlata“. Analytik. 138 (23): 7070–4. Bibcode:2013Ana ... 138,7070J. doi:10.1039 / c3an01406a. PMID  24102065.
  5. ^ A b Dran, Jean-Claude (24. listopadu 2013). „Analýza iontových paprsků ve studiích kulturního dědictví: milníky a perspektivy“. Multidisciplinární aplikace jaderné fyziky s iontovými paprsky. Sborník konferencí AIP. 1530 (1): 11–24. Bibcode:2013AIPC.1530 ... 11D. doi:10.1063/1.4812900.
  6. ^ „Aplikace analýzy iontových paprsků“. www.surrey.ac.uk. Citováno 2016-04-29.
  7. ^ A b Romolo, F.S. (2. května 2013). "Integrovaná analýza iontových paprsků (IBA) v charakterizaci zbytků střelných zbraní (GSR)". Forensic Science International. 231 (1–3): 219–228. doi:10.1016 / j.forsciint.2013.05.006. PMID  23890641.
  8. ^ Příručka moderní analýzy materiálů iontovým paprskem. Wang, Yongqiang., Nastasi, Michael Anthony, 1950- (2. vyd.). Warrendale, Pa .: Společnost pro výzkum materiálů. 2009. ISBN  978-1-60511-217-6. OCLC  672203193.CS1 maint: ostatní (odkaz)
  9. ^ Moro, M.V .; Holeňák, R .; Zendejas Medina, L .; Jansson, U .; Primetzhofer, D. (září 2019). „Přesné hloubkové profilování fólií ze slitin přechodového kovu s magnetickým naprašováním obsahující lehké druhy s vysokým rozlišením: přístup založený na více metodách“. Tenké pevné filmy. 686: 137416. arXiv:1812.10340. Bibcode:2019TSF ... 686m7416M. doi:10.1016 / j.tsf.2019.137416. S2CID  119415711.
  10. ^ Jeynes, C .; Bailey, M. J.; Bright, N.J .; Christopher, M.E .; Grime, G.W .; Jones, B.N .; Palitsin, V.V .; Webb, R.P. (leden 2012). ""Celkem IBA „- Kde jsme?“ (PDF). Jaderné přístroje a metody ve fyzikálním výzkumu Část B: Interakce paprsků s materiály a atomy. 271: 107–118. Bibcode:2012NIMPB.271..107J. doi:10.1016 / j.nimb.2011.09.020.
  11. ^ Barradas, N.P. (2007). „International Atomic Energy Agency Intercomparison of Ion Beam Analysis Software“. Jaderné přístroje a metody ve fyzikálním výzkumu B. 262 (2): 281. Bibcode:2007NIMPB.262..281B. doi:10.1016 / j.nimb.2007.05.018. hdl:11858 / 00-001M-0000-0027-0732-B.
  12. ^ Rauhala, E. (2006). „Stav softwaru pro analýzu a simulaci dat iontového paprsku“. Jaderné přístroje a metody ve fyzikálním výzkumu B. 244 (2): 436. Bibcode:2006 NIMPB.244..436R. doi:10.1016 / j.nimb.2005.10.024. hdl:11858 / 00-001M-0000-0027-0B1E-C.
  13. ^ „Fullerenové simulace - úvod“. www.surrey.ac.uk. Citováno 2016-04-29.
  14. ^ Schiettekatte, F (2008). "Rychlé Monte Carlo pro simulace analýzy iontovým paprskem". Jaderné přístroje a metody ve fyzikálním výzkumu B. 266 (8): 1880. Bibcode:2008 NIMPB.266.1880S. doi:10.1016 / j.nimb.2007.11.075.

Reference

externí odkazy

  • Mezinárodní konference o analýze iontových paprsků (dvouletá vědecká konference věnovaná IBA): 2007, 2009, 2011, 2013, 2015, 2017 ).
  • Evropská konference o urychlovačích v aplikovaném výzkumu a technologii ECAART (tříletá evropská vědecká konference): 2007, 2010, 2013, 2016.
  • Mezinárodní konference o rentgenových emisích vyvolaných částicemi (Trienniel vědecká konference věnovaná PIXE): 2007, 2010, 2013, 2015.
  • „Jaderné přístroje a metody“: Mezinárodní odborný recenzovaný vědecký časopis věnovaný převážně vývoji a aplikacím IBA
  • SIMNRA program pro simulaci a analýzu spekter RBS, EBS, ERD, NRA a MEIS
  • MultiSIMNRA program pro simulaci a analýzu (vlastní konzistentní přizpůsobení) více spekter RBS, EBS, ERD a NRA pomocí SIMNRA
  • DataFurnace program pro simulaci a analýzu (vlastní konzistentní přizpůsobení) více PIXE, RBS, EBS, ERD, NRA, PIGE, NRP, NDP spekter
  • NDF bezplatná verze NDF (výpočetní stroj, který je základem DataFurnace) pro simulaci IBA spekter
  • GUPIX program pro simulaci a analýzu spekter PIXE
  • Software pro analýzu PIXE Porovnání softwarových balíků spektrometrie PIXE