Die Kernreaktionsanalyse (NRA) ist eine kernspektroskopische Methode in der Materialwissenschaft , mit der die Konzentrations -Tiefen-Verteilung bestimmter chemischer Elemente in einem dünnen Festkörperfilm ermittelt werden kann . [ 1 ]

Mechanismus der NRA

Werden feste, dünne Filmschichten chemischer Elemente mit ausgewählten Projektilkernen der kinetischen Energie E<sub>kin</sub> bestrahlt , können sie unter Resonanzbedingungen für eine genau definierte Resonanzenergie eine Kernreaktion eingehen. Das Reaktionsprodukt ist üblicherweise ein Kern in einem angeregten Zustand, der sofort zerfällt und dabei ionisierende Strahlung aussendet .

Um Tiefeninformationen zu erhalten, müssen die anfängliche kinetische Energie des Projektilkerns (die die Resonanzenergie überschreiten muss) und sein Bremsvermögen (Energieverlust pro zurückgelegter Strecke) in der Probe bekannt sein. Damit die Projektilkerne zur Kernreaktion beitragen können, müssen sie in der Probe abgebremst werden, um die Resonanzenergie zu erreichen. Jede anfängliche kinetische Energie entspricht somit einer Tiefe in der Probe, in der die Reaktion stattfindet (je höher die Energie, desto tiefer die Reaktion).

NRA-Profilierung von Wasserstoff

Eine häufig verwendete Reaktion zur Profilierung von Wasserstoff mit einem energiereichen 15N -Ionenstrahl ist beispielsweise folgende :

15 N + 1 H → 12 C + α + γ (4,43 MeV) [ 2 ]

mit einer scharfen Resonanz im Reaktionsquerschnitt bei 6,385 MeV von nur 1,8 keV. [ 3 ] Da das einfallende 15N - Ion auf seinem Weg im Material Energie verliert, muss es eine höhere Energie als die Resonanzenergie besitzen, um die Kernreaktion mit tiefer im Target liegenden Wasserstoffkernen auszulösen.

Diese Reaktion wird üblicherweise als 1 H( 15 N,αγ) 12 C geschrieben. [ 4 ] Sie ist inelastisch , da der Q-Wert nicht null ist (in diesem Fall 4,965 MeV). Rutherford-Rückstreureaktionen (RBS) sind elastisch (Q = 0), und der Wechselwirkungsquerschnitt σ wird durch die berühmte Formel von Lord Rutherford aus dem Jahr 1911 beschrieben. Aber auch nicht -Rutherford-Querschnitte (sogenannte EBS , elastische Rückstreuspektrometrie ) können Resonanzen aufweisen: Beispielsweise besitzt die Reaktion 16 O(α,α) 16 O eine starke und sehr nützliche Resonanz bei 3038,1 ± 1,3 keV. [ 5 ]

Bei der Reaktion 1H ( 15N ,αγ) 12C (bzw. der umgekehrten Reaktion 15N (p,αγ) 12C ) ist die emittierte γ-Strahlung charakteristisch für die Reaktion, und ihre Anzahl ist bei jeder einfallenden Energie proportional zur Wasserstoffkonzentration in der entsprechenden Tiefe der Probe. Aufgrund des schmalen Peaks im Wirkungsquerschnitt reagieren vorwiegend Ionen mit der Resonanzenergie. Informationen über die Wasserstoffverteilung lassen sich daher direkt durch Variation der Energie des einfallenden 15N-Strahls gewinnen .

Wasserstoff ist ein Element, das für die Rutherford-Rückstreuspektrometrie unzugänglich ist , da von H keine Teilchen zurückstreuen können (weil alle Atome schwerer als Wasserstoff sind!). Es wird jedoch häufig mittels elastischer Rückstoßdetektion analysiert .

Nicht-resonante NRA

NRA kann auch nicht-resonant eingesetzt werden (RBS ist natürlich nicht-resonant). Beispielsweise lässt sich Deuterium mithilfe eines ³He - Strahls leicht profilieren, ohne die einfallende Energie zu verändern.

3 He + D = α + p + 18,353 MeV

Die Reaktion wird üblicherweise als 2 H( 3 He,p)α geschrieben. Die Energie des detektierten schnellen Protons hängt von der Tiefe des Deuteriumatoms in der Probe ab. [ 6 ]

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ Brundle, C. Richard; Evans, Jr., Charles A.; Wilson, Shaun (1992). Encyclopedia of materials characterization: surfaces, interfaces, thin films . pp.  680– 694.
  2. ^ Ajzenberg-Selove, F. (1990-01-01). „Energieniveaus leichter Kerne A = 11−12“. Nuclear Physics A. 506 ( 1): 1–158 . Bibcode : 1990NuPhA.506....1A . doi : 10.1016/0375-9474(90)90271-M . ISSN 0375-9474 . 
  3. ^ Wilde, Markus; Fukutani, Katsuyuki (01.12.2014). „Wasserstoffnachweis nahe Oberflächen und flachen Grenzflächen mittels resonanter Kernreaktionsanalyse“ . Surface Science Reports . 69 (4): 196–295 . Bibcode : 2014SurSR..69..196W . doi : 10.1016/j.surfrep.2014.08.002 . ISSN 0167-5729 . 
  4. ^ "T1 - das Tandemlabor - Universität Uppsala, Schweden" .
  5. ^ Colaux, JL; Terwagne, G.; Jeynes, C. (2015). „Zur rückführbar genauen Spannungskalibrierung von elektrostatischen Beschleunigern“ (PDF) . Nuclear Instruments and Methods B. 349 : 173–183 . Bibcode : 2015NIMPB.349..173C . doi : 10.1016 /j.nimb.2015.02.048 .
  6. Payne , RS; Clough, AS; Murphy, P.; Mills, PJ (1989). „Anwendung der d(3He,p)4He-Reaktion zur Untersuchung der Polymerdiffusion in Polymerschmelzen“. Nuclear Instruments and Methods B. 42 ( 1): 130–134 . Bibcode : 1989NIMPB..42..130P . doi : 10.1016/0168-583X(89)90018-9 .