Ядерно-физический способ определения гелия

 

ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕЛИЯ, основанный на облучении исследуемого о6 разца ускоренными тяжелыми ионами с изменяющейся в процессе облучения энергией и регистрации энергетических спектров ядер отдачи гелия, отличающийся тем, что, с целью увеличения глубины анализируемого слоя и чувствительности определения, образец облучают ионами кислорода О, последовательно увеличивая их энергию с шагом 300-500 кэБ в диапазоне 12-50 МэВ, а ядра отдачи гелия регистрируют в диапазоне углов 0+5. S

СОКИ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУ БЛИН (191 (П) (Я)4 01 N 2

ОПИОАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ю

° Ю

\Ф

ЪМ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ :(21) 3669279/24-25 (22) 02.11.83 (46) 30.11.87. Бюл. 11 44 (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом институте им. С.М. Кирова (72) В.Н. Шадрин, О.П. Белянин, В.Н. Сулема и Ю.П. Черданцев (53) 543.5(088.8) (56) (,"ohen В.L. et. a1. Nondestructiче ana1ysis for trace amounts of

Нуйгдgen.-Journ. Appl. Phys.,÷. 43, У 1, 1972, р. 19-25

Гусев М.И. и др. Влияние температуры на поведение имплантируемого гелия в сплаве Ti-Ч-Al. Атомная энергия, т.;. 52, вып. 3, 1982, с. 195-197. (54)(57) ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ СПОСОБ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕЛИЯ, основанный на облучении исследуемого образца ускоренными тяжелыми ионами с изменяющейся в процессе облучения энергией и регистрации энергетических спектров ядер отдачи гелия, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения глубины анализируемого слоя и чувствительности определения, образец облучают ионами кислорода

О, последовательно увеличивая их энергию с шагом 300-500 кэВ в диапазоне 12-50 МэВ, а ядра отдачи гелия O регистрируют в диапазоне углов 0+5

1 11608

Изобретение относится к области ядерно-физических методов анализа и может быть использовано для получения количественной информации о

5 распределении ядер примеси гелия а (Не) по толщине пленок произвольного состава.

Известен способ определения профиля концентрации гелия, основанный на облучении образца потоком заряженных частиц и регистрации ядер отдачи определенного элемента в заданном угловом диапазоне.

Недостатком данного способа является малая глубина анализируемого слоя.

Наиболее близким техническим решением является способ определения гелия, основанный.на облучении исследуемого образца ускоренными тяжелыми ионами с изменяющейся в процессе облучения энергией и регистрации энергетических спектров ядер отдачи гелия. 25

В качестве заряженных частиц используются ионы азота " N с энергией

16 МэВ. Образец расположен под углом 20 относительно оси пучка ионов.

Ядра отдачи регистрируют под углом

40".

К недостаткам способа можно отнести малую глубину анализа и относительно низкую селективность, а значит — чувствительность анализа.

Целью изобретения является увели35 чение глубины анализируемого слоя и чувствитепьности определения.

Поставленная цель достигается тем, что в ядерно-физическом способе оп40 ределения гелия, заключающемся в облучении и=следуемого образца ускоренными тяжелыми ионами с изменяющейся в процессе облучения энергией и регистрации энергетических спектров

45 ядер отдачи гелия, облучение осуществляют ионами кислорода 60, последовательно увеличивая их энергию с шагом 300-500 кэВ в диапазоне 1250 МэВ,, а ядра отдачи гелия регистрируют в угле 0+5 .

Изобретение поясняется описанием и чертежами, на фиг. 1 — функция возбуждения упругого ьс — 0 рассеяния; на фиг. 2 — схема устройства, осуществляющего данный способ, где: ускоренный пучок 1 ионов кислорода, мишень 2, поглотитель 3, 4,Å-E телескоп 4 полупроводниковых детекторов;

23 2 на фиг. 3,4,5 — энергетические спектры ядер отдачи.

Известно, что упругое рассеяние является наиболее вероятным процессом в ядерных взаимодействиях при низких и средних энергиях, поэтому способ ядерного анализа, основанный на упругом рассеянии, должен обладать наилучшей чувствительностью. С другой стороны, наличие в функции возбуждения некоторых реакций узких изолированных резонансов позволило создать на их основе способы, обладающие высокой селективностью и разрешением по глубине. B предлагаемом способе используется узкий изолированный резонанс в функции возбуждения упругого д. — О рассеяния, и это обстояf6 тельство позволило в предлагаемом способе объединить достоинства резонансных способов с высокой чувствительностью, свойственной способам, основанным на упругом рассеянии.

Именно поэтому в качестве ионов анализирующего пучка был выбран кислород.

Из результатов экспериментального исследования упругого рассеяния альфа-частиц на ядрах кислорода следует, что величина сечения в резонансе сильно зависит от угла рассеяния альфа-частицы. На задних углах (углах, близких к 180 ) сечение максимально, при уменьшении угла рассеяния сечение резко падает и уже при

140 (в системе центра инерции) резонанса не наблюдается. Пересчет на основе известных кинематических соотношений показывает, что сечение вылета ядер отдачи гелия при рассеянии 4 HE ("6 O,î ) О максимально в угловом диапазоне примерно в 10, расположенном около нуля градусов относительно направления падения ионов пучка. Это обстоятельство является решающим при выборе угла регистрации вылетающих из мишени ядер отдачи гелия. Малые углы регистрации ядер отдачи способствуют также увеличению толщины анализируемой пленки.

Предложенный способ осуществляется следующим образом (фиг. 2).

Из ускорителя пучок 1 ионов кислорода 60 направляют на мишень 2, профиль концентрации (ПК) гелия в которой подлежит определению. Ядра отдачи гелия, выбиваемые из мишени 2 ионами пучка 1 в результате упругого

1160823 соударения, регистрируют системой регистрации, состоящей из поглотителя 3 и дЕ-Е телескопа 4 полупроводниковых детекторов. Поглотитель представляет собой однородную по толщине пленку, предназначенную для поглощения упруго рассеянных на ядрах матрицы ионов кислорода, и толщина его выбирается такой, чтобы сумма путей, проходимых ионом кислорода после рассеяния в мишени и поглотителе, была несколько больше его пробега. ЬЕ-Е телескоп позволяет выделить парциальный спектр ядер отдачи гелия на фоне зарегистрированных ядер отдачи .других легких примесей (например водорода), а форма -энергетического спектра ядер гелия, в силу .резонансного характера рассеяния, позволяет их отделить от альфа-частиц из фоновых реакций, имеющих сплошной спектр.

При измерении профиля концентрации гелия выполняют серию измерений энергетических спектров ядер отдачи гелия, первое из которых производят при энергии ионов пучка, равной резонансной (Е =12,188 МэВ). При этой энергии получают информацию о содержании примеси гелия на поверхности мишени, обращенной к пучку. Увеличи- вая затем энергию пучка на величину

AE производят измерение содержания гелия в приповерхностном слое ах (минимальное значением Е определяется разрешением по.глубине Ь t):

x,+ð ае„„„= (— )бх, X„. где — — удельные потери энергии пх ионов кислорода в мишени.

Численная оценка дает: для алюминия .аЕ=ЗОО кэВ, для никеля LE=350 кэВ., Последующие увеличения энергии с шагом hE позволяют определять содержа-, ние примеси в слоях, все более удаленных от передней поверхности мишени. Наконец, при энергии ионов, равной t

Е=Е,+ J (— ) dx, dE о

I где Š— энергия резонанса и t — - толР щина пленки, производят последнее измерение содержания примеси гелия на поверхности мишени, обращенной к детектору. (При толщине пленки алюминия, .равной 20 мкм, Е=42 МэВ).

10

Реализация способа осуществляется следующим образом. В целях подтверждения работоспособности предлагаемого способа были произведены измерения энергетических спектров ядер отдачи водорода и гелия (фиг. 3) с

16 использованием пучка ионов О энергии 13 ИэВ, выведенного на циклотроне У-120. Водородная часть спектров оставлена,для сравнения чувствительности разных способов. В качестве мишени была использована платиновая фольга толщиной 3 мкм, в которую предварительно.был эаимплантирован гелий с энергией 30 кэВ и дозой т

5 10 см . Поглотителем служила, фольга из апюминия толщиной 10 мкм, а энергетический спектр регистриро-.

20 вался поверхностно-барьерным кремниевым детектором (ППД). В энергетическом спектре, изображенном на этом рисунке, обращает на себя внимание отсутствие фона — регистрируются только полезные события.

Представленный энергетический спектр убеждает в отсутствии фона и, как следствие, высокой чувствительности способа.

Э

Для сравнения произведены исследования этой же мишени методом резерфордовского .обратного рассеяния (РОР) и методом ядер отдачи. Спектр POP представлен на фиг..4. Он получен с использованием пучка протонов с энергией 1,8 ИэВ, выведенного на электростатическом генераторе (ЗСГ-2,5).

Здесь ясно видно, как мала амплитуда полезного сигнала и как велик фон, 4О На фиг. 5 представлен энергетический спектр, полученный методом ядер отдачи с использованием пучка ионов

M энергией 12 МэВ. Здесь ситуация тоже бесфоновая, но, сравнивая дан4 ный энергетический спектр со спект» ром, представленным на фиг. 3, видно, что отношение амплитуд спектров от гелия и поверхностного водорода больше для энергетического спектра, представленного на фиг. 3. Зто означает, 50 что при одном и том же числе падающих на мишень ионов анализирующего пучка выход ядер отдачи гелия в предлагаемом способе выше, чем в методе ядер отдачи, а следовательно, выше и чувствительность. Из этого -же. сравнения следует,.что и глубина анализа в предлагаемом способе больше.

1160823

Физ.2

1È

1160823

О7 //акр РИ мащю

ВЬЕМ.4

N(EI

Составитель А. Андреев

Редактор Н. Сильнягина Техред М.Моргентал

Корректор И.. Муска

Заказ 5912 Тираж 776

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4