بخشی از مقاله
چکیده
روشهاي آنالیز با باریکه یونی، ابزاري توانمند براي شناسائی و مشخصه یابی مواد هستند. برخی از این روشها مانند روش پیکسی سابقه اي طولانی در آزمایشگاه واندوگراف دارند و برخی دیگر مانند چانلینگ یا میکروپیکسی در چند سال اخیر در این آزمایشگاه مورد استفاده قرار گرفته اند. در این مقاله پس از معرفی کوتاه این روشها، چند نمونه از کاربرد آنها در شناسائی و مشخصه یابی مواد ارائه خواهد شد.
مقدمه
پس از نصب شتابدهنده واندوگراف در سال1351 [1] ، اولین آزمایشهاي آنالیز عنصري درسالهاي4]،3،55-57 [2 با روش پیکسی انجام گرفت و کاربرد این روش در مورد مسائل خاص ایران مورد توجه ویژه قرار گرفت. در دهه 90 میلادي، در چهارچوب طرحی با آژانس بین المللی انرژي اتمی، امکانات آنالیز با باریکه یونی که پیش از آن عملا به پیکسی، و به صورت جانبی به پس پراکندگی رادرفورد و واکنشهاي هسته اي محدود بود، گسترش یافت و وسائل تجربی جدید، امکانات روزآمد و پیشرفته اي در اختیار آزمایشگاه واندوگراف قرار داد و روشهاي آنالیزهاي جدیدي را امکانپذیر ساخت. آنالیز با باریکه یونی چیست؟
باریکه یونی - پروتون، هلیوم یا دوتریوم - با انرژي 1تا MeV 4 به سطح نمونه برخورد می کند. براي عناصر سنگین، سد کولمبی بین پرتابه و هسته هدف، مانع هر واکنش هسته اي می شود: فقط فرآیندهاي پراکندگی کشسان پرتابه و هدف - پس پراکندگی رادرفورد - و اندرکنش پرتابه با الکترونهاي مدار هسته امکانپذیرند. با اندازه گیري شدت و انرژي ذرات پراکنده شده - روش - RBS * و/یا شدت و انرژي پرتوهاي ایکس گسیلی از هدف - روشPIXE # - می توان به ماهیت و توزیع عناصر موجود در هدف پی برد.
در مورد هسته هاي سبک، پرتابه می تواند با هسته هدف اندرکنش هسته اي داشته باشد: در اینصورت واکنش هسته اي رخ می دهد و ذره اي متفاوت از پرتابه در واکنش تولید می شود: اندازه گیري انرژي این ذره متفاوت - که می تواند پرتوي گاما باشد - ، معرف عنصر سبک موجود در نمونه و شدت آن بیانگر غلظت PIGE & یا. - NRA @ در موردي که عنصر موجود در هدف سبک تر از پرتابه باشد - مثلا پرتابه هلیوم و هدف هیدروژن - ، عنصر موجود در هدف در زاویه هاي جلو پراکنده می شود و با آشکارسازي این ذرات می توان به غلظت هیدروژن در نمونه پی برد - روش. - ERD $ از اکثر این روشهاي آنالیز در آزمایشگاه واندوگراف استفاده می شود.
روش پیکسی و میکروپیکسی
پیکسی یا»گسیل پرتو بر اثر تابش پروتون« روش توانمندي براي آنالیز غیرمخرب، سریع و بسعنصري نمونههاي مختلف است در . این روش آنالیز، نمونه مورد بررسی تحت تابش پروتون با انرژي 2 -3MeV قرارمیگیرد. در اثر برخورد پروتون با الکترونهاي اتمهاي هدف، پرتوهايمی x مشخصهاي گسیل شود که انرژي پرتوهاي x نوع عناصر موجود در نمونه و تعداد پرتوهاي x با انرژي معین، غلظت عناصر موجود در نمونه را مشخص میکند. با استفاده از عدسیهاي الکترومغناطیسی میتوان قطر باریکه مورد استفاده در آنالیز را به کمتر از چند میکرون رساند.
با استفاده از باریکهي میکرونی - روش میکروپیکسی - از پروتونقابلیتمیتوان تواناییها و هاي آنالیز عنصري روش پیکسی را به میزان زیادي افزایش داد.. با توجه به اندازه کوچک باریکه پروتون، با این روش آنالیز میتوان فقط یک نقطه از نمونه را آنالیز کرد. همچنین می توان سطح نمونه را توسط باریکه میکرونی پروتون جاروب - اسکن - کرد و توزیع عناصر مربوط به هر نقطه را به دست آورد. [6] به این ترتیب تصویري از توزیع هر عنصر در نمونه به دست می آید. از این روست که این دستگاه را میکروسکوپ روبشی پروتون نامیده اند. نتایج بعضی از آنالیزهاي میکروپیکسی در این سخنرانی ارائه خواهد شد.
روش پس پراکندگی رادرفورد و کانال زنی در روش پس پراکندگی رادرفورد[7] ، یون پرتابه پس از برخورد با یکی از اتمهاي هدف به صورت کشسان به عقب پراکنده می شود. آشکارساز سد سطحی این ذره پس زده را آشکار می کند و انرژي آن را اندازه می گیرد. هر چه جرم اتم هدف بیشتر باشد، انرژي ذره پس پراکنده شده بیشتر است. هرچه اتم هدف در عمق بیشتري از هدف قرار داشته باشد، انرژي ذره پراکنده شده کمتر است. به این ترتیب با تحلیل طیف به دست آمده، می توان به جرم اتمهاي هدف و نحوه توزیع آنها پی برد. این روش براي شناسائی و مشخصه یابی لایه هاي نازك بسیار مفید است.
وقتی که هدف مورد آنالیز تک بلور باشد، تعدادذرات برگشتی از نمونه به جهت نسبی ذرات فرودي و محورهاي بلوري هدف بستگی دارد. پدیده کانال زنی زمانی اتفاق می افتد که جهت باریکه فرودي موازي محورهاي بلوري باشد. در این صورت تعداد ذرات برگشتی به شدت کاهش می یابد. با این روش می توان ساختمان شبکه بلوري را مطالعه و ثابتهاي آن را تعیین کرد. همچنین می توان ناخالصی ها و ناراستی هاي شبکه را بررسی و عمق لایه هاي رونشانی شده و آمورف را مشخص کرد. در این آزمایشها از باریکه هلیوم با انرژي در حدود 2MeV استفاده می شود. گشودگی زاویه اي باریکه فرودي باید کمتر از 0/05 درجه باشد. همچنین تجهیزاتی جهت ایجاد هم راستائی باریکه فرودي نسبت به محورها و صفحات بلوري لازم است.
روشERD براي اندازه گیري هیدروژن
اندازه گیري هیدروژن در مواد به صورت غیر تخریبی دشوار است اما با روش ERD میتوان غلظت هیدروژن در نمونه را اندازه گرفتدر. این روش پرتابه - هلیوم - به صورت خراشان با سطح هدف برخورد می کند. چون اتم هیدروژن سبکتر از هلیوم است پس از برخورد به زاویه هاي جلو پراکنده می شود: بنا براین آشکارسازي آن نیز در زاویه هاي جلو انجام می شود.
نتیجه گیري
روشهاي آنالیز با باریکه یونی ابزاري بسیار توانمند و پیشرفته براي شناسائی و مشخصه یابی مواد هستند که خوشبختانه در آزمایشگاه واندوگراف سازمان انرژي اتمی ایران در دسترس همه پژوهشگران ایران می توانند باشند.
