RBS仪器:相关技术

 

通过在样品室添加辅助设备,或是改变操作程序,其他几种实验就可以搭载到RBS分析。例如,测量通过离子轰击产生的X-射线,被称为粒子激发X-射线分析(PIXE)。常见的RBS附件包括用于这些总是被产生,但是通常不会测量的X-射线的侦测器。氢正向散射(HFS)只需要增加一个金属箔,将正向散射的氢从正向散射的一次He++离子中分离出来。重离子背向散射分析(HIBS)和RBS方法相同,差别在于使用重离子取代He++。一次He++离子比常见的2.2 MeV散射有更高的能量,但是核相互作用更为复杂。尽管存在附加反应,被称为共振效应,较高的离子束能量通常会比较有用。在某些情况下,入射离子会被目标靶同位素捕获,并且立即发射不同的粒子。这些重新发射的粒子能量测量被称为核反应分析(NRA)。最后,荷电粒子活化分析(CPAA)会使用加速器产生新的放射性核素,这些放射性核素的测量与中子活化分析使用同样的仪器。

粒子激发X-射线分析(PIXE

几种激发光束会使目标元素产生能量特性的X-射线。因此,光子激发(通过X-射线)会产生X-射线荧光光谱。在SEM或者EM中的电子激发会提供能量色散或者波长色散X-射线光谱(取决于X-射线侦测器)。He++带电粒子束,或更常见的H+,可以用于PIXE光谱仪。在这三种情况下,激发光束会移除核层电子,当外壳电子变为内层电子时,会放射出特定能量的X-射线。X-射线能量独立于激发过程之外。PIXE附加设备对于RBS仪器重元素的辨别来说是有用的。这些重元素在RBS分析中的能量差异很小,但是在PIXE中有明显的差异。专门的PIXE仪器通常会使用H+,而不是He++,因为H+会提供较高的灵敏度。如果是在HeH的结合离子源,那么使用He++RBS与使用H+PIXE就可以用同样的加速器来进行。

作为分析技术,PIXE会有几种优势。它会提供类似于电子束光谱法的讯号程度,但有更好的讯号-背景比值。造成电子光谱法背景的制动辐射在PIXE中基本上是不存在,因为He++或者H+离子,甚至是PIXE能量都比电子的速度更低。相对于电子激发光谱法,PIXE的另外一个优势是,与RBS分析类似,PIXE适用于绝缘样品。最后,质子束可以穿过薄窗口,并通过空气穿透几厘米。基于这个理由,不寻常的样品,例如贵重的艺术品,不需要严格符合真空原则。PIXE适用于地质学、考古学和艺术品保护领域。

氢正向散射光谱(HFS

HFS实验采用与标准的RBS相同的基本装置。透过HFS获得氢元素浓度和深度构成的分析信息。样品要稍微倾斜,以便于He++束可以撞击到入射余角。He元素比H元素要重,因此在H中不会产生He++的背向散射。相反地,H元素(H+Ho)在被He++撞击后会以较大的能量向前散射。

由于样品中存在重元素,所以He++也会向侦测器散射。在这么低的角度散射的He++离子数量相对于正向散射H元素较大。He++讯号会覆盖H+讯号,除非在侦测器前方配置的金属箔(大约8μm)从H+中将干扰的He++分离出来。通常使用的是碳、聚酯薄膜和铝箔。在HFS分析中,金属箔会造成显著的能量损失和偏离。虽然这些效应会将HFS的深度分析分辨率限制在大约50nm,但是表面的氢元素(或者氘元素)定量有可能用5%的准确率降低0.01%的侦测极限。

重离子背向散射光谱(HIBS

这种技术使用比He++重的离子。一次重离子的撞击截面较高,并且在有效的能量没有共振效应。这些重离子束的优势是会提供轻元素样品中微量重元素的测定。基质元素都是向前散射,不会形成干扰讯号。正向散射的分析元素对于分析也是有帮助的。藉由较重的一次离子来测量分析物离子的正向散射是普遍的现象,称为弹性回跳量测(ERD)。HFSERD的一种特殊情况。

HIBSRBS的加速器和侦测器是相同的,但是要求不同的离子源。典型的重离子源会使用溅射Cs+光束撞击重元素,例如从负离子中提取的硅元素(在这个案例中是Si-)。电荷剥离器会从Si-中移除可变量量的电子,留下混合电荷数与能量的离子。在轰击样品前,一次离子束必须被分离为单一成分,通常是使用磁场。

核反应分析(NRA

带有小于2.2 MeV能量的He离子会与所有元素进行弹性回跳作用。类似撞球的碰撞,弹性回跳可以通过基本力学来描述。为了便于解释,大部分的RBS会使用小于2.2 MeV He++离子束。较高能量的He++离子会与分析物的核进行非弹性碰撞。这就意味着撞击截面对于某些(共振)能量来说更高些。在共振能量下,分析物原子核似乎会吸收和重新发射He++离子,而不只是简单地散射。这就需要使用量子力学来解释这些相互作用。

一个例子是从氧原子散射的α粒子,在3.045 MeV条件下会有共振效应。这个过程难以和弹性回跳作用区分,除非这个横截面有大出许多倍才行。虽然从较高的光束能量产生的可变截面会让分析变得更复杂,但是较高能量在特定情况下是很有帮助的,例如在薄层单一杂质中存在的氧。

在有些共振能量条件下,分析物核子会吸收一次离子,并且有不同的粒子(通常是质子、中子、α粒子或者γ射线)会被立即发射出去。在轻元素中,存在几种潜在有用的反应,例如19Fp, α16O。在这种情况下,19F核子会吸收1.25 MeV的质子,并立刻发射出8.114 MeVα粒子。α能量的测定会显示所产生的深度范围。这就是NRA分析技术。