Prvkov a materi lov anal za
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 41

Prvková a materi álová analýza PowerPoint PPT Presentation


  • 58 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Prvková a materi álová analýza. Metody materiálové analýzy. Wikipedia: heslo „List of materials analysis methods“ vypíše seznam přibližně 80 zkratek pro materiálové metody – velká část z nich se dá považovat za „jaderné“ Nebude přehled všech metod, ale jen „reprezentativní“ výběr

Download Presentation

Prvková a materi álová analýza

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Prvkov a materi lov anal za

Prvková a materiálová analýza


Metody materi lov anal zy

Metody materiálové analýzy

  • Wikipedia: heslo „List of materials analysis methods“ vypíše seznam přibližně 80 zkratek pro materiálové metody – velká část z nich se dá považovat za „jaderné“

  • Nebude přehled všech metod, ale jen „reprezentativní“ výběr

  • Podobné principy, experimentální realizace

  • Jednotlivé metody se navzájem doplňují (prostorové rozlišení, nejnižší dokazatelné množství - NDM)


Z kladn uspo d n

Základní uspořádání


Particle induced x ray emission pixe

Detekuje se RTG záření, které vzniká při ionizaci atomů nabitými částicemi

Energie záření roste monotonně se Z,  Z2

Lze použít pro prvky se Z > 5 (práh detekce RTG)

Particle-Induced X-ray Emission (PIXE)


Prvkov a materi lov anal za

  • Obvykle se využívají protony s energií 2-4 MeV

  • Účinný průřez dosahuje poměrně vysokých hodnot 102 - 104 b


Particle induced x ray emission pixe1

Hloubkový dosah je typicky kolem 5 m

Hloubkové rozlišení je nízké (m)

NDK je asi 0.1 – 1 g/g

Lze detekovat příměsi na úrovni 10-15 g

Detekční limit pro typické měření

Čárkované čáry jsou za předpokladu nízkého pozadí

Particle-Induced X-ray Emission (PIXE)


P klady

Spektrum z analýzy středověkého bronzového nástroje (Ep = 1.7 MeV, Si(Li) detector s rozlišením 184 eV/5.9 keV)

Příklady


P klady1

Příklady


P klady2

Kapalný vzorek obsahující Cr, Co, Cu, Zn a Br v koncentraci asi 50 g/g

Měřeno Si(Li) detectorem s rozlišením 175 eV/5.9 keV

XRF – fluorescenční metoda (gamma-induced X-ray emission)

Příklady


P klady pozn mky galilea galilei

Příklady – poznámky Galilea Galilei


P klady pozn mky galilea galilei1

Příklady – poznámky Galilea Galilei


P klady pozn mky galilea galilei2

Příklady – poznámky Galilea Galilei


Rutherford back scattering rbs

Analyzuje se pružný rozptyl nabitých částic na velké úhly

Detekce pomocí polovodičových detektorů, případně magnetických, či elektrostatických spektrometrů (asi 10x lepší energetické rozlišení, ale časově náročné)

Energie E vypovídá o hloubce t a hmotnosti M2 příměsi

Rutherford back-scattering (RBS)

Kinematický faktor K udává energii předanou při srážce

M1

M2

K pro rozptyl na 170o


Prvkov a materi lov anal za

Energie E vypovídá o hloubce t a hmotnosti M2 příměsi

Přesnost určení hloubky závisí na zvoleném úhlu - jsou dva protichůdné jevy

Konečné rozlišení detektoru (energetické, prostorové) – preferuje spíše velké úhly

Fluktuace v brždění – preferuje malou prošlou vzdálenost = malé úhly

Existuje asi jakýsi optimální úhel (70-80o)

RBS

M1

M2


Rutherford back scattering rbs1

Diferenciální účinný průřez

Pro atomy těžších prvků jsou 102 - 104 b

NDM je asi 10-10g

Rutherford back-scattering (RBS)

Relative yields for He backscattering from selected elements at an incident He energy of 2 MeV. The energies for He backscattering from these elements when present at the surface of a sample are also displayed. The graph indicates that RBS is over 100 times more sensitive for heavy elements than for light elements, due to the larger scattering cross sections of the heavier elements.

Přítomnost těžkých prvků ve vzorku obsahujícímlehké prvky lze dokázat na úrovni asi 1 g/g, v případě analýzy lehkého prvku ve vzorku těžkých prvků je to asi 102 - 103g/g


P klady anal za povrchu

Spektrum a-částic s E = 2 MeV rozptýlených na vzorku Si obsahujícím povrchové příměsy C(80), O(42), Cr(0.5), Fe(2.9), W(0.6) (obsah v 1015 at.cm-2)

Vhodné pro mnohoprvkovou analýzu

Pro prvky těžší než substrát mají rozptýlené částice energii větší než spojité spektrum ze substrátu

Příklady – analýza povrchu


P klady porovn n pixe a rbs

Spektrum z analýzy středověkého bronzového nástroje metodou PIXE(Ep = 1.7 MeV, Si(Li) detector s rozlišením 184 eV/5.9 keV)

Analýza identického vzorku metodou RBS

Příklady – porovnání PIXE a RBS


Hloubkov profily metodou rbs

Hloubkové rozlišení na Si je okolo 10 nm

Hloubkový dosah je většinou okolo 1 m

Difuze Zn v Al při 200oC

Vlevo: spektrum a částic rozptýlených na Al

Vpravo: rozpyl na Zn v různých fázích difuze, kdy atomy Zn pronikají do vzorku

Hloubkové profily metodou RBS


Kan lov n

Založeno na efektu „kanálování“ nabité částice ve směru hlavních symetrických os v monokrystalu

Kanálování


P klady hloubkov profil naru en struktury krystalu

Příklady: Hloubkový profil + narušení struktury krystalu

  • RBS (s kanálováním) na Si vzorku, do nějž byl implantován As (40 keV, 10-16 at.cm-2). Rozdílné tepelné zatížení během implementace způsobilo lokální variace ve struktuře povrchové Si vrstvy

  • Svazek a-částic dopadal v kanálovacím směru (1,1,1)

  • V případě neporušeného Si krystalu by se pozorovalo u ryzptýlených a-částic kanálovací spektrum (tečkovaně), zatímco pro zcela amorfní vzorek by bylo spektrum čárkované.

  • Na spektru v místě A byla pozorována zcela amorfizovaná vrstva Si tlustá 90 nm v důsledku implementace As, v místě B je amorfizace pouze částečná

  • Bylo možno určit i koncentrační profil implantovaného As a povrchovou kontaminaci C


Erda elastic recoil detection analysis

Used for quantitative analysis of light elements (H) in solids

H has a high diffusion coefficient in many materials and is probably the most common impurity in thin film materials; also has important effects on the chemical, physical and electrical properties of many materials.

The analysis of hydrogen is difficult or impossible for many “traditional” materials analysis methods.

The sample is irradiated with an ion beam (He, C, O…) of several MeV

Light elements (H, D…) from the sample are scattered in forward directions. From the measured energy spectrum a concentration depth profile can be calculated.

The detection of scattered ions from the incident ion beam (background) is suppressed by inserting of a foil which stops the scattered ions, but allows the passing of the recoils which have a lower stopping power (or combination with TOF – see below)

The accuracy is 10%,

limited by the uncertainties in the stopping power of the sample material, experimental s and geometrical uncertainties

Provides absolute concentration values

ERDA – elastic recoil detection analysis


Erda p klad

Příklad - těžká voda difundovala do polymeru (polyimidu)

ERDA - příklad


Erda tof

měřením doby letu částice (v kombinaci s detekovanou energií) je možné provést hmotnostní rozlišení

ERDA - TOF


Nuclear reaction method nrm

Využívá specifické jaderné reakce pro jednoznačnou izotopickou identifikaci

u PIXE a RBS šlo identifikovat jen prvky

Velká řada reakcí je provázena emisí okamžitého g záření (jeho emise ale není podmínkou pro využití, viz níže)

Analytický význam mají zejména rezonanční reakce

Umožňují stanovit přítomnost izotopu i jeho hloubkové rozložení

Nuclear Reaction Method (NRM)

orNuclearReactionAnalysis (NRA)


Prvkov a materi lov anal za

NRM

  • NDM výrazně kolísá v závislosti na úč. průřezu

  • Nejvyšší úč. průřezy mají nabité částice pro lehká jádra

  • Dají se měřit různé „odezvy“

    • v tabulce jsou reakce, v nichž vznikají (a měří se) fotony

    • lze měřit přímo nabité částice – viz příklady níže


P klady3

900 keV d na vzorku Si s povrchovou vrstvou SiO2

spektrum na Si je spojité, na 0 a C diskrétní

ze spektra 16O(d,a) lze určit tloušťku SiO2 s rozlišením 20-40 nm; pro reakci 16O(d,p) pouze 200 nm

Hloubkový koncentrační profil Ne implantovaného do Ta určený pomocí 20Ne(p,g)21Na s Er = 1169 keV a Gr = 16 keV

Na vodorovné ose je energie p

Příklady


P klady nrm kan lov n

Příklady – NRM + kanálování

  • Stanovení d implantovaného do Mo

  • Vzorek bombardován 3He s E = 700 keV v kanálovacím směru (1,0,0)

  • d detekováno v reakci 2H(3He,a)1H, Mo pomocí RBS

  • Úhel  je natočení svazku vůči ose (1,0,0)

  • Úhlová závislost pro d je typická pro atomy nacházející se v mezimřížkových pozicích


Neutronov a ktiva n anal za

Neutronová aktivační analýza

  • po ozařování n vzniká nestabilní isotop, který se rozpadá emisí a, či b a následnou emisí g

  • po určité době se proměřígspektrum emitované vzorkem a stanoví se tak prvkovésložení vzorku(kvalitativní i kvantitativní)

  • možnost detekce velkého množství prvků najednou

  • citlivost:hmotnostních 10-9

  • používáse zejména pro analýzu aerosolu, popílku, hornin, uhlí, rud, kovů a dalších materiálů


Neutron depth profiling ndp

Využívá se jaderných reakcí vyvolaných termálními n, při nichž jsou emitovány nabité částice

Detekovaná energie částic udává hloubkový profil

Neutron Depth Profiling (NDP)

1Ci= 3.7 × 1010Bq

Ci (curie)

  • non SI unit

  • roughly the activity of 1 gram of 226Ra


Ndp p klad

NDP - příklad

Energy profile of particles emitted by the 10B(n, )7Li and 14N(n, p)14C reactions


Velmi chladn neutrony difrakce

Neutrons appear to behave either as particles or as waves or as microscopic magnetic dipoles

n possess a magnetic dipole moment which makes them sensitive to magnetic fields generated by unpaired e in materials

In addition, the scattering power of a neutron off an atomic nucleus depends on the orientation of the neutron and the spin of the atomic nuclei in a sample. This makes the neutron a powerful instrument for detecting the nuclear spin order.

n wavelengths range from 0.1 Å to 1000 Å (thermal n ~ 2Å)

can be applied to study crystalline solids, gasses, liquids or amorphous materials

Pozorují se difrakční jevy způsobené interakcí n s atomovými jádry nebo magnetickými momenty nespárovaných e-

(Velmi) chladné neutrony - difrakce


Difrakce

Hlavní využití reaktorů (www.ill.eu) či přímo http://www.ill.eu/?id=11437a spalačních n zdrojů (http://europeanspallationsource.se/,http://neutrons.ornl.gov/facilities/SNS/)je dnes pro fyziku pevných látek (produkci pomalých n)

Existuje obrovské množství různých metod

small angle neutron scattering (SANS)

Grazing-incidence small-angle neutron scattering (GISANS)

Často lze místo n lze použít i RTG záření (SAXS, GISAXS,…) – difrakce RTG je hlavně na elektronovém obalu, zatímco n i s jádry – nesou jinou informaci

Interakce magnetického momentu n je s elektrony – je potřeba form factor,…

Difrakce


Srovn n n kter ch metod

Závislost hodnot NDK na atomovém čísle

CPAA – charged particle activation analysis

Srovnání některých metod


Prvkov a materi lov anal za

KONEC


Prvkov a materi lov anal za

Příklady hmotnostního rozlišení pro různé projektily

Přítomnost těžkých prvků ve vzorku obsahujícím lehké prvky lze dokázat na úrovni asi 1 g/g, v případě analýzy lehkého prvku ve vzorku těžkých prvků je to asi 102 - 103g/g

Předaná energie závisí na hmotnosti rozptylujícího atomu (čím nižší hmotnost, tím větší předaná energie) – lze provádět hmotnostní analýzu s rozlišením daným rozlišením spektrometru

The illustration shows relative yields for He backscattering from selected elements at an incident He energy of 2 MeV. The energies for He backscattering from these elements when present at the surface of a sample are also displayed. The graph indicates that RBS is over 100 times more sensitive for heavy elements than for light elements, due to the larger scattering cross sections of the heavier elements.


Why use neutrons

When beams of neutrons are used to probe small samples of materials they have the power to reveal what cannot be seen using other types of radiation.  Neutrons appear to behave either as particles or as waves or as microscopic magnetic dipoles. It is these specific properties which enable them to yield information which is often impossible to obtain using other techniques.

Electrically Neutral – neutrons are non-destructive and can penetrate deep into matter. This makes them an ideal probe for biological materials and samples under extreme conditions of pressure, temperature, magnetic field or within chemical reaction vessels.Microscopically Magnetic – they possess a magnetic dipole moment which makes them sensitive to magnetic fields generated by unpaired electrons in materials.  Precise information on the magnetic behaviour of materials at atomic level can be collected.  In addition, the scattering power of a neutron off an atomic nucleus depends on the orientation of the neutron and the spin of the atomic nuclei in a sample. This makes the neutron a powerful instrument for detecting the nuclear spin order.

Ångstrom wavelengths – neutron wavelengths range from 0.1 Å to 1000 Å, making them an ideal probe of atomic and molecular structures, be they single atomic species or complex biopolymers.

Energies of millielectronvolts – their energies are of the same magnitude as the diffusive motion in solids and liquids, the coherent waves in single crystals (phonons and magnons), and the vibrational modes in molecules.  It is easy to detect any exchange of energy between a sample of between 1microeV (even 1 neV with spin-echo) and 1eV and an incoming neutron.Randomly sensitive – with neutrons the variation in scattering power from one nucleus to another within a sample varies in a quasi-random manner.  This means that lighter atoms are visible despite the presence of heavier atoms, and neighbouring atoms may be distinguished from each other.  In addition, contrast can be varied in certain samples using isotopic substitution (for example D for H, or one nickel isotope for another); specific structural features can thus be highlighted.  The neutron is particularly sensitive to hydrogen atoms; it is therefore a powerful probe of hydrogen storage materials, organic molecular materials, and biomolecular samples or polymers.

Why use neutrons?


What are neutrons used for

The way neutrons scatter off gases, liquids and solid matter gives us information about the structure of these materials (elastic neutron scattering). The neutron excitation of atoms gives information about the binding energy within matter (inelastic neutron scattering). Their ability to act as 'small elementary magnets' makes neutrons an ideal probe for the determination of structures and dynamics of unknown magnetic matter.Heavy nuclei can be split with neutrons. This can shed light on a number of still unknown processes in atomic fission. Neutrons can also be captured by nuclei. The process releases secondary radiation which can be used to determine the inner structure of these nuclei.We indicate below how neutrons are used in different fields of research.

Condensed-matter physics, materials science and chemistry

Examination of the structure of new materials, for example new ceramic high-temperature superconductors or magnetic materials (important for electronic and electrical applications).

Clarification of still unknown phenomena in processes such as the recharging of electric batteries.

Storing of hydrogen in metals, an important feature for the development of renewable energy sources.

Analysis of important parameters (for example elasticity) in polymers (for example plastic material).

Colloid research gives new information on such diverse subjects as the extraction of oil, cosmetics, pharmaceuticals, food industry and medicine.

Biosciences

Biological materials, naturally rich in hydrogen and other light elements, are ideal samples for analysis with neutrons.

Cell Membranes

Proteins

Virus Investigations

Photosynthesis in Plants

Nuclear and elementary particle physics

Experiments on the physical properties of the neutron and the neutrino.

Production of extremely slow neutrons down to 5 m/s (the velocity of the neutrons which leave the reactor is generally about 2200 m/s). This enables completely new experiments to be performed with such particles.

Experiments on atomic fission and the structure of nuclei.

Engineering sciences

Since neutron diffraction is non-destructive, it is ideal for the analysis of different technical phenomena in materials.

Visualisation of residual stress in materials (example: railway rails).

Hardening and corrosion phenomena in concrete.

Inhomogeneity and trace elements in materials.

What are neutrons used for?


Neutrons versus synchrotron radiation

NeutronsParticle beam (neutral subatomic particle)

Interactions with the nuclei and the magnetic moment of unpaired electrons (in the sample)

Scattered by all elements, also the light ones like the hydrogen isotopes

Deep penetration depth (bulk studies of samples)

Less intense beam measuring larger samples

Applications:Magnetic structures & excitations

Organic structures using the H-D isotope effect

Bulk studies (strains, excitations)

Low-energy spectroscopy e.g. molecular vibrations

Synchrotron radiationLight beam (electromagnetic wave)

Interactions with the electrons surrounding the nuclei (in the sample)

Mainly scattered by heavy elements

Small penetration depth (surface studies of samples)

Very intense beam measuring small or ultra-dilute samples

Applications:

Protein-crystal structures

Fast chemical reactions

Surface studies (defects, corrosion)

High-energy spectroscopy e.g. measurements of electron energy-levels

Neutrons versus Synchrotron radiation


Prvkov a materi lov anal za

The Bragg's law for diffraction tells that for having diffraction in one direction, the path difference must be an integer of the wave length. The condition to have diffraction thus reads:

Small Angle Neutron Scattering (SANS)

The equation q ⋅ r = 2Πn gives the reciprocity between q  and r  when neutrons are scattered by a sample. This reciprocity means that information on relatively large r is contained in I(q) at relatively small q. In other words: whenever the sample contains a scattering length density inhomogeneity of dimension larger than ≈ 10 Å, scattering becomes observable in the small-angle region. The scattering here does not take place from individual atoms but instead from aggregates of atoms. The range of q covered is from about 5·10-3 to 0.5 Å-1, representing a range in real space from 10 to 103 Å. Small-angle scattering provides information about the size, shape and orientation of the components of the sample.


  • Login