Töltött részecske sugárzások spektroszkópiai alkalmazásai

1. Töltött részecske sugárzások spektroszkópiai alkalmazásai Saftics András Tóth-Ilkó Ákos Vegyészmérnök MSc hallgatók Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem 2014. 05. 06.

2. Áttekintés Előadás célja Töltött részecske sugárzásokat felhasználó spektroszkópiai eljárások elméleti alapjainak, alkalmazási lehetőségeinek bemutatása Vázlat • Módszerek csoportosítása • Ionsugarakat alkalmazó módszerek (IBL) • Szubatomi töltött részecskéket alkalmazó módszerek

3. Módszerek csoportosítása Csoportosítás alapja:bombázó töltött részecskék méretbeli hierarchiája • Ionnyaláb analitikai módszerek (atomi méretű részecskék) • Rutherford visszaszórási spektrometria (RBS) • Rugalmas ütközés detektálása (ERD) • Szekunder ion tömegspektrometria (SIMS) • Ionsugár indukált lumineszcencia (IBIL) • Proton indukált röntgenemissziós analízis (PIXE) • Proton vagy deuteron által indukált gamma emissziós spektroszkópia (PIGE/DIGE) • Magreakció analízis (NRA) • Szubatomi töltött részecskéket alkalmazó analitikai módszerek (szubatomi méretű részecskék) • Müonspin rezonancia spektroszkópia (µSRS) • Pozitron annihilációs spektroszkópia (PAS)

4. Ionnyaláb analitikai módszerek I. Jellemzője: minta bombázása néhány MeV energiájú ionokkal (p+, deuteron, He+) Rutherford visszaszórási spektrometria (RBS) • Szilárd anyagok felületközeli rétegeinek vizsgálata • Θ szögben rugalmasan visszaszórt részecske energiáját mérjük • Előnyök: kvantitatív elemösszetétel meghatározás, mélységi profil analízis, jó mélységi felbontás, roncsolásmentes, nehézelemekre érzékenység: ppm • Hátrányok: könnyű elemekre kevésbé érzékeny, nehéz elemeknél kis felbontás Rugalmas ütközés detektálása (ERD) • Φ szögben rugalmasan előrefelé szórt, mintából eltávolított atomokat mérjük • Könnyű elemek jól vizsgálhatók  jól kiegészíti az RBS-t

5. Ionnyaláb analitikai módszerek II. • Minta felületének bombázása primer ionokkal  felületről kilépő szekunder ionok tömeg/töltés szerinti szétválasztása tömegspektrométerben • Legérzékenyebb felületanalitikai módszer (LOD: 1 ppm-ppb) Szekunder ion tömegspektrometria (SIMS) Ionsugár indukált lumineszcencia (IBIL) • Minta besugárzása (p+ He+)  szekunder e-ok szóródása  IR/VIS/UV fotonemisszió mérése • Vegyértékelektronok gerjesztése  vegyületek kimutatására is alkalmas • Roncsolásmentes • Kőzetek, régészeti leletek, festmények vizsgálata Kankrinit ásványra jellemző spektrumtartomány

6. Ionnyaláb analitikai módszerek III. Proton indukált röntgenemissziós analízis (PIXE) • Minta besugárzása p+-al  keletkező karakterisztikus röntgensugár detektálása • C-től U-ig minden elem vizsgálható, roncsolásmentes • Régészeti leletek, gyógynövények, sejtek, szövetek vizsgálatára gyakran alkalmazzák Proton vagy deuteron indukált gammaemissziós spektroszkópia (PIGE/DIGE) • Minta besugárzása p+-al/deuteronnal  magreakció  γ-sugárzás mérése • PIXE kiegészítő mérése (oxigén, nitrogén, szén) • Elemösszetétel, izotóparány, mélységi profilanalízis Magreakció analízis (NRA) • Minta besugárzása ionokkal  minta részecskéi között magreakció  kül. energiájú részecskék elkülönítése és mérése • Mélységi profilanalízis, rácshibák kimutatása

7. Szubatomi részecskéket alkalmazó módszerek I. Müonspin rezonancia spektroszkópia (µSRS) • Pozitív pionok→müonok→ pozitronok, amelyek kilépése a müon polarizációtól függ • Müonokprecesszáló frekvenciája arányos a mágneses térrel → mágneses tér mérése • Rácshibák, kémiai gyökök • Szupravezető egykristályok mágneses tulajdonságainak mérése • Hidrogéntárolók kialakítása és vizsgálata (müónium)

8. Szubatomi részecskéket alkalmazó módszerek II. Pozitron annihilációs spektroszkópia (PAS) • Pozitron + elektron → gammasugár • Szabadtérfogat mérete, eloszlása • Szabad elektront tartalmazó rendszer + pozitron → otro-pozitrónium • Ennek az élettartama függ a az anyagban lévő üregek mennyiségétől és nagyságától • Mélységi profilvizsgálat • Néhány ps-ig a pozitron veszít az energiájából, majd annihiláció • A pozitron élettartama az üregekben nagyobb • Polielektrolit membrán, fémötvözet mikrostruktúra; diszlokációk, vakanciák

9. Összefoglalás 9 különböző spektroszkópiai eljárás: • Ionnyaláb analitikai módszerek (atomi méretű részecskék) • Rutherford visszaszórási spektrometria (RBS) • Rugalmas ütközés detektálása (ERD) • Szekunder ion tömegspektrometria (SIMS) • Ionsugár indukált lumineszcencia (IBIL) • Proton indukált röntgenemissziós analízis (PIXE) • Proton vagy deuteron által indukált gamma emissziós spektroszkópia (PIGE/DIGE) • Magreakció analízis (NRA) • Minta bombázása néhány MeV energiájú ionokkal (p+, He+, deuteron) • Elemösszetétel meghatározás, mélységi profilanalízis • Szubatomi töltött részecskéket alkalmazó analitikai módszerek (szubatomi méretű részecskék) • Müonspin rezonancia spektroszkópia (µSRS) → mágneses tulajdonságok • Pozitron annihilációs spektroszkópia (PAS) → mélységi profilanalízis

10. Köszönjük a figyelmet!