scholarly journals Cross-section studies of deuteron reactions and application in light element ion beam analysis techniques

2020 ◽  
Author(s):  
Ελένη Ντέμου
Keyword(s):  
Ion Beam ◽  
Light Element ◽  
Nuclear Data ◽  
Nuclear Reaction Analysis ◽  
Elastic Recoil ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
R Matrix ◽  
Detection Analysis ◽  
Beam Analysis ◽  
Nuclear Data Library

Οι αναλυτικές τεχνικές με δέσμες ιόντων (Ion Beam Analysis (IBA) techniques) χρησιμοποιούνται ευρέως για την ανάλυση στοιχείων ή/και ισοτόπων στα επιφανειακά στρώματα στερεών. Η ευρεία χρήση τέτοιων μεθόδων έγκειται στο γεγονός ότι είναι -σχεδόν- μη καταστροφικές για τα υπό ανάλυση δείγματα. H εφαρμογή τους περιλαμβάνει την ανίχνευση των σωματιδίων ή της ακτινοβολίας που προκύπτει μετά την αλληλεπίδραση των σωματιδίων της δέσμης με τα άτομα ή τους πυρήνες των επιφανειακών στρωμάτων του στόχου και καταλήγει στον ποσοτικό προσδιορισμό και στην κατά βάθος ανάλυση στοιχείων σε ένα δείγμα. Για να εφαρμοσθούν ιοντικές τεχνικές ανάλυσης και να εξαχθούν τα αντίστοιχα συμπεράσματα είναι απαραίτητη η εκ των προτέρων γνώση των αντίστοιχων τιμών της διαφορικής ενεργού διατομής. Ωστόσο, ο αναλυτικός υπολογισμός τέτοιων τιμών, στην ενεργειακή περιοχή των MeV, είναι αδύνατος εφόσον η φυσική που περιλαμβάνεται στην αλληλεπίδραση δέσμης-στόχου είναι μόνο μερικώς γνωστή. Επομένως, η εφαρμογή αυτών των αναλυτικών τεχνικών βασίζεται στην ύπαρξη των αντίστοιχων πειραματικών δεδομένων στην βιβλιογραφία. Τα ελαφρά στοιχεία χρησιμοποιούνται ευρέως στην βιομηχανία. Είναι καίριας σημασίας στον τομέα της ανάλυσης υλικών λόγω της ύπαρξης τους στα κεραμικά, στα γυαλιά και στα πολυμερή ενώ συχνά προστίθενται σε μεταλλικά κράματα με σκοπό να βελτιώσουν συγκεκριμένες ιδιότητες όπως είναι η σκληρότητα και η δυσκαμψία υλικών αλλά και η αντοχή τους στην φθορά και η θερμική αντίσταση. Συνεπώς, ο ακριβής ποσοτικός προσδιορισμός της κατά βάθος κατανομής των ελαφρών στοιχείων, τα οποία βρίσκονται σε μια πληθώρα διαφορετικών μητρών, έχει τεράστια σημασία για την σύγχρονη έρευνα και τεχνολογία. Τέτοια αποτελέσματα μπορούν να εξαχθούν με την εφαρμογή πυρηνικών αναλυτικών τεχνικών και πιο συγκεκριμένα μέσω της μεθόδου ανίχνευσης του ελαστικά ανακρουόμενου πυρήνα (ERDA - Elastic Recoil Detection Analysis) για λεπτά επιφανειακά στρώματα και μέσω της μεθόδου πυρηνικών αντιδράσεων (NRA - Nuclear Reaction Analysis) λόγω της παραγωγής απομονωμένων κορυφών (περιλαμβάνονται υψηλές τιμές Q) με αμελητέο υπόβαθρο. Παράλληλα, η χρήση της δέσμης δευτερίων παρουσιάζει το πολύ μεγάλο πλεονέκτημα της καλύτερης διακριτικής ικανότητας βάθους σε σύγκριση με μια δέσμη πρωτονίων και παράλληλα της ταυτόχρονης διέγερσης σχεδόν όλων των ελαφρών στοιχείων/ισοτόπων που συνυπάρχουν σε ένα δείγμα. Η εφαρμογή της τεχνικής d-NRA θα μπορούσε να ενισχυθεί με την ανάλυση των ελαστικών κορυφών που παράγονται ταυτόχρονα στο φάσματα με χρήση της ίδια πειραματικής διάταξης και συνθηκών. Η γενικευμένη εφαρμογή της τεχνικής EBS περιορίζεται κυρίως από τη μεγάλη βιβλιογραφική έλλειψη αξιόπιστων και ολοκληρωμένων δεδομένων ενεργών διατομών σε διάφορες γωνίες και ενέργειες κατάλληλες για την εφαρμογή ιοντικών τεχνικών ανάλυσης. Η συμβολή της παρούσας διατριβής στο πεδίο των ιοντικών τεχνικών ανάλυσης αποτελείται από δύο μέρη. Το πρώτο μέρος είναι μια συνολική μέτρηση των τιμών της διαφορικής ενεργού διατομής της ελαστικής σκέδασης δευτερίων σε πολλά σημαντικά σταθερά ελαφρά ισότοπα και στοιχεία, όπως είναι 6Li, 7Li, 9Be, 14N, natO, 23Na και natSi, σε ενέργειες και γωνίες κατάλληλες για αναλυτικούς σκοπούς. Σε συγκεκριμένες περιπτώσεις (natO, 23Na, natSi) ελέγχθηκε και η αξιοπιστία των εξαγόμενων πειραματικών δεδομένων (benchmarking) με χρήση παχέων στόχων γνωστής και ακριβής στοιχειομετρίας. Όλες οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο του Ινστιτούτου Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής του Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. «Δημόκριτος» χρησιμοποιώντας τον επιταχυντή 5.5 MV Tandem. Τα περισσότερα δεδομένα έχουν ήδη παραχωρηθεί στην IBANDL (Ion Beam Analysis Nuclear Data Library) υπό την αιγίδα της Διεθνούς Επιτροπής Ατομικής Ενέργειας, ώστε να αξιοποιηθούν από τη διεθνή επιστημονική κοινότητα τόσο σε προβλήματα βασικής έρευνας όσο και σε τεχνολογικές εφαρμογές ανάλυσης υλικών. Το δεύτερο μέρος της παρούσας διατριβής έγκειται στην συμπλήρωση των πειραματικών δεδομένων της ελαστικής σκέδασης δευτερίων σε φυσικό οξυγόνο με θεωρητικούς υπολογισμούς με σκοπό την επέκταση της υπάρχουσας φαινομενολογικής μελέτης (evaluation) σε υψηλότερες ενέργειες δευτερίων. Το οξυγόνο επιλέχθηκε καθώς αποτελεί το πιο σημαντικό στοιχείο, μεταξύ των μελετώμενων, από άποψη εφαρμογών. Η θεωρητική μελέτη πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της θεωρίας R-matrix, η οποία αποτελεί την καταλληλότερη θεωρητική προσέγγιση για τον υπολογισμό διαφορικών ενεργών διατομών ελαστικών σκεδάσεων συντονισμού. Η θεωρία R-matrix λαμβάνει υπόψιν της την αλληλεπίδραση του προσπίπτοντος ιόντος με τον πυρήνα συνολικά και οι παράμετροι του συγκεκριμένου θεωρητικού μοντέλου προσδιορίζονται με βάση τις πειραματικά προσδιορισμένες τιμές της διαφορικής ενεργού διατομής. Η παρούσα εργασία είναι δομημένη σε 2 αντίστοιχες ενότητες και συμπληρώνεται από το απαραίτητο θεωρητικό πλαίσιο και τις προοπτικές αυτής της μελέτης.

scholarly journals A New High-Throughput Focused MeV Ion-Beam Analysis Setup

Instruments ◽  
2021 ◽  
Vol 5 (1) ◽  
pp. 10
Author(s):  
Sören Möller ◽  
Daniel Höschen ◽  
Sina Kurth ◽  
Gerwin Esser ◽  
Albert Hiller ◽  
...  
Keyword(s):  
Gamma Ray ◽  
Rutherford Backscattering Spectrometry ◽  
Ion Beam ◽  
Complete Analysis ◽  
Nuclear Reaction Analysis ◽  
Beam Optics ◽  
Single Measurement ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
Beam Analysis ◽  
Technical Solutions

The analysis of material composition by ion-beam analysis (IBA) is becoming a standard method, similar to electron microscopy. A pool of IBA methods exists, from which the combination of particle-induced-X-ray emission (PIXE), particle induced gamma-ray analysis (PIGE), nuclear-reaction-analysis (NRA), and Rutherford-backscattering-spectrometry (RBS) provides the most complete analysis over the whole periodic table in a single measurement. Yet, for a highly resolved and accurate IBA analysis, a sophisticated technical setup is required integrating the detectors, beam optics, and sample arrangement. A new end-station developed and installed in Forschungszentrum Jülich provides these capabilities in combination with high sample throughput and result accuracy. Mechanical tolerances limit the device accuracy to 3% for RBS. Continuous pumping enables 5*10−8 mbar base pressure with vibration amplitudes < 0.1 µm. The beam optics achieves a demagnification of 24–34, suitable for µ-beam analysis. An in-vacuum manipulator enables scanning 50 × 50 mm² sample areas with 10 nm accuracy. The setup features the above-mentioned IBA detectors, enabling a broad range of analysis applications such as the operando analysis of batteries or the post-mortem analysis of plasma-exposed samples with up to 3000 discrete points per day. Custom apertures and energy resolutions down to 11 keV enable separation of Fe and Cr in RBS. This work presents the technical solutions together with the quantification of these challenges and their success in the form of a technical reference.

THE NEW LOW ENERGY ION BEAM ANALYSIS FACILITY AT MAPUTO UNIVERSITY

1995 ◽  
Vol 05 (04) ◽  
pp. 249-253
Author(s):  
R.J. UTUI ◽  
N.P.O. HOMMAN ◽  
K.G. MALMQVIST
Keyword(s):  
Ion Beam ◽  
Low Energy ◽  
Proton Accelerator ◽  
Nuclear Reaction Analysis ◽  
Beam Diagnostics ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
X Ray ◽  
Beam Analysis ◽  
Set Up ◽  
Eduardo Mondlane University

A new Ion Beam Analysis (IBA) facility which was recently installed in the Department of Physics of the Eduardo Mondlane University of Maputo, Mozambique, is described. The set up is based on a low energy (500 keV) Van de Graaff proton accelerator and is intended to be used in particle induced X-ray emission (PIXE), Rutherford Backscattering (RBS) and nuclear reaction analysis (NRA). Preliminary experiments on beam diagnostics were performed successfully and the followed procedure is described.

Characterization of SiC Thin Film Obtained by Magnetron Reactive Sputtering: IBA, IR and Raman Studies

2005 ◽  
Vol 483-485 ◽  
pp. 287-290
Author(s):  
H. Colder ◽  
M. Morales ◽  
Richard Rizk ◽  
I. Vickridge
Keyword(s):  
Nuclear Reaction ◽  
Hydrogen Content ◽  
Rutherford Backscattering Spectrometry ◽  
Ion Beam ◽  
Nuclear Reaction Analysis ◽  
Elastic Recoil ◽  
Crystalline Fraction ◽  
Elastic Recoil Detection ◽  
Beam Analysis

Co-sputtering of silicon and carbon in a hydrogenated plasma (20%Ar-80%H2) at temperatures, Ts, varying from 200°C to 600°C has been used to grow SiC thin films. We report on the influence of Ts on the crystallization, the ratio Si/C and the hydrogen content of the grown films. Film composition is determined by ion beam analysis via Rutherford backscattering spectrometry, nuclear reaction analysis via the 12C(d,p0)13C nuclear reaction and elastic recoil detection analysi(ERDA) for hydrogen content. Infrared absorption (IR) has been used to determine the crystalline fraction of the films and the concentration of the hydrogen bonded to Si or to C. Complementary to IR, bonding configuration has been also characterized by Raman spectroscopy. As Ts is increased, the crystalline fraction increases and the hydrogen content decreases, as observed by both ERDA and IR. It also appears that some films contain a few Si excess, probably located at the nanograin boundaries.

Ion Beam Techniques for Low K Materials Characterization

1998 ◽  
Vol 511 ◽  
Author(s):  
H. Bakhru ◽  
A. Kumar ◽  
T. Kaplan ◽  
M. Delarosa ◽  
J. Fortin ◽  
...  
Keyword(s):  
Rutherford Backscattering Spectrometry ◽  
Ion Beam ◽  
Nuclear Reaction Analysis ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
Analytical Technique ◽  
Analysis Techniques ◽  
Teflon Af ◽  
Beam Analysis ◽  
Low K

ABSTRACTIon beam analysis techniques have become very useful for characterization of low k materials. Studies on several ion beam analysis techniques will be discussed. Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) provides a very powerful analytical technique for the thickness and porosity measurements on porous Si0 2 films. Nuclear Reaction Analysis (NRA) techniques for hydrogen and fluorine profiling are very useful to characterize fluorinated polymer and fluorinated oxide films. Examples of low k materials including Si02:F, Parylene-AF and Teflon-AF will be discussed. Fluorine diffusion in to metals and various interface effects between metal and low k materials will be presented.

Characterization of Plasma Immersion Deposited Multilayer Coatings by Ion Beam Techniques Combined with Energy Filtered Transmission Electron Microscopy

2005 ◽  
Vol 908 ◽  
Author(s):  
Florian Schwarz ◽  
Joerg K. N. Lindner ◽  
Maik Häeberlen ◽  
Goetz Thorwarth ◽  
Claus Hammerl ◽  
...  
Keyword(s):  
Electron Microscopy ◽  
Ion Beam ◽  
Hard Coatings ◽  
Elemental Distribution ◽  
Elastic Recoil ◽  
Elastic Recoil Detection ◽  
Detection Analysis ◽  
Transmission Electron ◽  
Beam Analysis

AbstractMultilayered and nanostructured coatings of amorphous carbon (DLC), silicon composite multilayers and nanocluster containing films today have great potential for applications as hard coatings, wear reduction layers and as diffusion barriers in biomaterials. Plasma immersion ion implantation and deposition (PIII&D) is a powerful technique to synthesize such films. The quantitative nanoscale analysis of the elemental distribution in such multielemental films and thin film stacks however is demanding.In this paper it is shown how the high spatial resolution capabilities of energy filtered trans-mission electron microscopy (EFTEM) chemical analysis can be combined with accurate and standard-less concentration determination of ion beam analysis (IBA) techniques like Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS) and Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA) to achieve absolute and accurate multielement concentration profiles in complicated nanomaterials.

scholarly journals Status of Ion Beam Modification and Analysis of Materials at STU MTF

2018 ◽  
Vol 26 (43) ◽  
pp. 9-16
Author(s):  
Jozef Dobrovodský ◽  
Dušan Vaňa ◽  
Matúš Beňo ◽  
Anna Závacká ◽  
Martin Muška ◽  
...  
Keyword(s):  
Materials Science ◽  
Rutherford Backscattering Spectrometry ◽  
Ion Beam ◽  
Nuclear Reaction Analysis ◽  
First Year ◽  
Elastic Recoil ◽  
Ion Beam Modification ◽  
University Of Technology ◽  
Ion Accelerator ◽  
Beam Analysis

Abstract The new Ion Beam Centre (IBC) equipped with 6 MV tandem ion accelerator and 500 kV ion implanter systems was built at the Slovak University of Technology, Faculty of Materials Science and Technology (STU MTF). The facility provides Ion Beam Modification of Materials (IBMM) and Ion Beam Analysis (IBA), which includes Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS), Particle Induced X-ray Analysis (PIXE), Elastic Recoil Spectrometry (ERDA) and Nuclear Reaction Analysis (NRA). Presented are selected experimental procedures carried out in the IBC during the first year of operation. They present examples of a typical IBA performed, such as thin film characterisation in nm to tens of µm range, elemental depth profiles and sensitivity to the light elements enhancement by non-Rutherford cross-section regime application along with the crystalline sample channelling spectra and boron content measurement.

Extended Damage Depth Determinations in AR- and H-Implanted Silica Glass

1993 ◽  
Vol 316 ◽  
Author(s):  
G.W. Arnold ◽  
G. Battaglin ◽  
P. Mazzoldi
Keyword(s):  
Silica Glass ◽  
Ion Beam ◽  
Fused Silica ◽  
Rutherford Backscattering ◽  
High Fluence ◽  
Elastic Recoil ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
Elastic Recoil Detection ◽  
Beam Analysis ◽  
Damage Depth

ABSTRACTDamage depths for Ar-implanted fused silica have been examined by Rutherford backscattering (RBS) and elastic recoil detection (ERD) ion-beam analysis. H incursion (6 at. %) from ambient atmospheres to twice TRIM values was found for damage depths which intersected the surface. H implants were used to decorate Ar damage for deeper Ar implants. The incursion of H for high-fluence implants is important for optoelectronic applications.

APPLICATIONS OF ION BEAM ANALYSIS TO THE ELEMENTAL AND ISOTOPIC CHARACTERISATION OF ADVANCED MATERIALS

2001 ◽  
Vol 15 (28n29) ◽  
pp. 1271-1280
Author(s):  
I. C. VICKRIDGE
Keyword(s):  
Materials Science ◽  
Condensed Matter ◽  
Ion Beam ◽  
Depth Profiling ◽  
Advanced Materials ◽  
Nuclear Reaction Analysis ◽  
Condensed Matter Physics ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
Isotopic Tracing ◽  
Beam Analysis

The accelerator laboratory of the Groupe de Physique des Solides, Paris, has pioneered a number of IBA techniques and applications over the last few decades. In particular, in the 1960's and 1970's, Nuclear Reaction analysis (NRA) including nuclear resonance depth profiling, isotopic tracing combined with NRA, and channelling techniques were developed under the leadership of G. Amsel. In this paper I will present a selection of recent applications from this laboratory of NRA, isotopic tracing with stable isotopes, and ion channelling, intended to illustrate the present status of these techniques in condensed matter physics and materials science, and to act as a backdrop for a discussion of future directions for development of Ion Beam Analysis in condensed matter physics and advanced materials research.

CHARACTERIZATION OF ZnO FILMS BY ION BEAM ANALYSIS

2006 ◽  
Vol 20 (25n27) ◽  
pp. 4655-4660 ◽  
Author(s):  
JOHN KENNEDY ◽  
ANDREAS MARKWITZ ◽  
ZHENGWEI LI ◽  
WEI GAO
Keyword(s):  
Rutherford Backscattering Spectrometry ◽  
Ion Beam ◽  
Rf Magnetron Sputtering ◽  
Substrate Material ◽  
Thickness Variation ◽  
Zno Films ◽  
Hall Probe ◽  
Elastic Recoil ◽  
Ion Beam Analysis ◽  
Beam Analysis

Ion Beam Analysis (IBA) techniques such as Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) and Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA) were used to determine the composition, uniformity, impurity and elemental depth profiles of Zn , O and H in ZnO films deposited on silicon, quartz, glass and glassy carbon using radio frequency (RF) magnetron sputtering. For the films deposited under the same condition, it was observed that the variation of Zn/O ratios is independent of substrate material and depends on the film thickness. ERDA revealed that the hydrogen impurities were incorporated into the films. Higher hydrogen concentrations were found for the films deposited on glass and quartz compared to Si . The composition and thickness variation in relationship with three different substrates were explored with XRD, SEM, AFM, PL and Hall probe measurements. It was found that ZnO films (250-300 nm) deposited on Si have, the optical and electrical properties which make them suitable candidate for following p-type doping studies using ion implantation and annealing techniques.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document