Реферат Добровольской (1248291), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Таким образом, после упругого рассеяния ядра отдачи вылетают под углом θ к пучку с вероятностью, определяемой сечением дифференциального рассеяния. При взаимодействии с налетающим ионом той же энергии, энергия ядер отдачи изотопов водорода и гелия при фиксированном угле регистрации будет разной. На таком разделении энергетического диапазона регистрации ядер отдачи основывается на методике одновременного анализа нескольких элементов. Наибольшая глубина анализируемого слоя при энергии налетающих частиц ~1 МэВ/нуклон достигается при углах θ = 27-30° и ψ=18-20°. Аналитические характеристики метода ядер отдачи при использовании ионов ⁴Не, ¹²С, ¹⁴N, ¹⁶O приведены в таблице 1.

Экспериментальный исследовательский комплекс для изучения динамики поведения водорода методом ядер отдачи и резерфордовского обратного рассеяния

Назначение и возможности комплекса. Для изучения динамики накопления примесей Н и Не в металлах в НИИ ядерной физики при Томском политехническом университете на базе циклотрона У120-М был создан экспериментальный стенд "Энергия". Использование стенда дает возможность изучать динамику миграции примесей Н и Не в процессе внешних воздействий. Такие исследования наиболее эффективны в случае одновременного анализа Н и Не методом ядер отдачи.

Таблица 1: Аналитически характеристики метода ядер отдач

В комплекс кроме циклотрона, являющегося базовой установкой стенда, входят два низко-энергетических источника ионов H(D) и Не. Если стенд используется в качестве имитатора воздействия высокотемпературной плазмы и продуктов термоядерного синтеза, то пучки тяжелых ионов циклотрона выполняют две функции. С одной стороны, они имитируют нейтронные потоки, с другой - тяжелые ионы являются анализирующими частицами в методе ядер отдачи (ЯО) и методе резерфордовского обратного рассеяния (POP). Установка позволяет:

• производить облучение образцов моноэнергетическим пучком ионов H(D) с энергией 1 - 50 кэВ плотностью тока до 10 мкА/см² и без нарушения вакуума определять интегральное содержание и распределение этой примеси;

• производить облучение поверхности образцов ионами Не с энергией 1-50 кэВ и исследовать его накопление и распределение;

• производить одновременное или последовательное облучение поверхности материала ионами Н и Не и одновременный анализ этих примесей;

• проводить имплантационные эксперименты для температур мишеней от -100 до +600 °С;

• получать методом POP в процессе облучения или других воздействий исследовать профиль концентраций основных элементов матрицы;

• исследовать миграцию легких примесей под действием ионов водорода, гелия, азота, углерода, кислорода с энергией -1 МэВ/нуклон;

• исследовать процессы распыления поверхности пучками ионов.

1. Источником ускоренных тяжелых ионов является циклотрон, позволяющий ускорять ионы от протонов до кислорода с энергией Е/А = 1 МэВ/нуклон. Энергетический разброс пучка составляет 0,7%, плотность тока 1-10мкА/см². На циклотроне нельзя добиться плавной регулировки энергии, поэтому на нем могут быть реализованы только методы энергетического анализа. Использование циклотрона для реализации метода ЯО оказалось удобным, поскольку энергетический разброс пучка ΔЕ_Ц входит в энергетическое разрешение метода ΔЕ в виде произведения ΔЕ=ΔЕ_цk, где k - кинематический коэффициент упругого рассеяния (k<1).

2. В комплекс входят два низкоэнергетических ионных источника с полым катодом (Пеннинга). Напряжение тока разряда источников регулируется от 300 до 500 В. Для исключения нагрева электродов внутренняя часть источников заполнена трансформаторным маслом. На крышке корпуса имеется также водяное охлаждение. Напряжение высоковольтного выпрямителя позволяет получать ионы с энергиями от 1 до 50 кэВ. Ток на выходе из источника может достигать 500 мкА. Ионопровод и источник связаны между собой подвижным вакуумным сильфоном. С помощью специального устройства можно осуществлять параллельный перенос и изменение угла наклона источника по отношению к ионопроводу.

3. Имплантацию невозможно проводить без магнитной сепарации ионного пучка, поскольку в его состав, независимо от типа рабочего газа, входят ионы всех газообразующих примесей. Кроме того, производится одновременное ускорение атомарного и молекулярного Н. Для ионной сепарации использовались электромагниты с трапециидальной формой
   полюсов. Напряженность поля для ионов Н с Е= 50 кэВ достигала 1000 эрстед при радиусе поворота пучков 30 см. Система автоматики обеспечивала стабильность поддержания тока в обмотках 0,5%.

4. Газовое оборудование комплекса представлено стендом-распределителем газов, газопроводами и баллонами с редукторами. Основу стенда-распределителя газов составляет набор игольчатых вентилей и расходомеров, позволяющих регулировать натекание необходимых газов в ионные источники. Оптимальная подача рабочего газа в источники находится в диапазоне 0,2-1 см3/мин.

5. Блок измерения температуры образцов в процессе облучения позволяет осуществлять автоматическую регулировку нити накала нагревателя. Блок измерения температуры образца состоит из рабочего элемента - термопары и набора измерительных приборов. ЭДС термопары усиливается предварительным усилителем и через эмиттерный повторитель подается на микроамперметр, шкала которого проградуирована по точкам кипения воды, плавления льда и свинца. Устройство обеспечивает обратную связь измерителя с нагревающим элементом. При превышении сигнала с термопары через промежуточное реле мощное реле отключает подогреватель.

6. Система диагностики и мониторирования пучков включает в себя блок, позволяющий определять ядро пучка в пространстве и производить совмещение в рабочем объеме трех пучков и исследуемой мишени, производить измерение дозы ионов, упавших на исследуемый объект. Измерение дозы либо токов ионов осуществляется по цепи: датчик - преобразователь тока - частота - пересчетный прибор. В измерительной цепи используются преобразователи ток – частота, предназначенные для преобразования положительного заряда частиц, упавших на датчик, в число импульсов. Для пучков ионов циклотрона используется дополнительное мониторное устройство, включающее полупроводниковый детектор, регистрирующий частиц, рассеянные на мишени, периодически перекрывающей пучок. Мишень представляет собой пленку золота на кремниевой подложке. При анализе производится суммирование числа импульсов под пиком рассеянных на золоте ионов. Для контроля стабильности содержания Au в мониторной мишени используется так называемая реперная мишень, которая представляет собой пленку тяжелого элемента на Si. В начале и конце измерений отношение площадей пиков Au/Ni должно оставаться постоянным.

7. Вакуумное оборудование комплекса. Высокий вакуум в основном рабочем объеме получается двумя вакуумными агрегатами ВА-5-4. В каналах для транспортировки ионных пучков установлены агрегаты АВП-100. В рабочем объеме получено давление 10-5 мм рт.ст.

8. Мишенное устройство располагается в центре рабочей камеры и представлено тремя основными конструкционными элементами: системой подачи жидкого азота и охлаждающим
   элементом с системой крепления и перемещения мишеней; системой крепления образца, тепловой развязкой и защитным экраном для работы с мишенями, нагретыми до температуры 600°С (эти устройства предназначены для работы только с одним-двумя образцами); мишенным устройством, позволяющим работать с большим количеством автоматически меняющихся образцов (до 30 шт.) без их нагрева или охлаждения.

Структурная схема расположения элементов установки в камере рассеяния показана на рисунке 2. Циклотронный пучок и пучки Н и Не формируются системой коллиматоров. Контроль формы пучков на мишени осуществляется видеомонитором. Угловая расходимость пучка ионов циклотрона, определяемая блоком коллиматоров, не превышала 0,1°. Полупроводниковые детекторы располагались на стойках, угол которых по отношению к пучку можно было дистанционно менять с относительной

Рисунок 2: Схема комплекса "Энергия"

точностью 0,03°. Ноль шкалы выставлялся с точностью 0,1°. Погрешность установки угла наклона мишени к пучку не превышает 0,1°. Перед детекторами, регистрирующими ЯО Н и Не, устанавливаются специальные устройства: вращающиеся диски, позволяющие без нарушения вакуума выбирать поглотители нужной толщины. С помощью того же устройства устанавливаются калибровочные α-источники (²²⁶Ra), которые служат для градуировки энергетической шкалы анализатора. Такое же устройство позволяет менять размеры коллиматора детектора, регистрирующего ионы пучка циклотрона, рассеянные на мишени, или защищать его поверхность от воздействия теплового излучения и потоков рассеянных на мишени низкоэнергетических ионов. Для измерения тока пучков при настройке на необходимую интенсивность используются цилиндры Фарадея.

В дальнейшем контроль осуществляется измерением тока на мишени. Регистрация ЯО и рассеянных ионов осуществляется с помощью кремниевых ППД, сигналы с которых подаются на зарядо-чувствительные предусилители. С выхода предусилителей сигналы подавались на усилители БУС2-47 и далее поступали на вход интегрального дискриминатора (для спектрального канала монитора) или АЦП программно-управляемого анализатора на базе ПК. Обычно в эксперименте использовали не более трех спектральных каналов. Использование программно-управляемого комплекса позволяет проводить измерения с высоким уровнем автоматизации различных операций. Например, была реализована методика исследования динамики накопления и перераспределения примеси Н в процессе воздействия ионного пучка.

Использование развитых методов ядерной физики и ускорительной техники (циклотрон У- 120М), а также наличие ионных источников, средств вычислительной техники позволили определить дифференциальные сечения рассеяния ионов, элементный состав и распределение по глубине (профили) и по поверхности внедренных атомов Н и Не и атомов матрицы, коэффициенты захвата внедренных атомов и другие физические параметры.

Метод резерфордовского обратного рассеяния для исследования системы металл-водород

Метод резерфордовского обратного рассеяния традиционно используется для анализа состава, размеров и иных параметров тонких пленок, слоистых структур и поверхностных слоев, массивных образцов. Метод наиболее эффективен при анализе тяжелых элементов. Метод основан на регистрации упруго рассеянных на большие углы от поверхности исследуемого образца легких ионов (Не⁺, Н⁺), содержащих информацию о массе рассеивающих атомов и глубине их залегания. Достоинством метода является возможность определять концентрационные профили распределения атомов без разрушения поверхности исследуемого образца. При этом, количественная интерпретация данных о рассеянии ионов достаточно проста, а анализ образцов не требует их специальной подготовки. Кинематика столкновений и сечение рассеяния, как и для метода ЯО, не зависят от химических связей, поэтому измеренные характеристики обратного рассеяния нечувствительны к электронной конфигурации и химическим связям внутри мишени. Кинематика обратного рассеяния ионов показана рисунке 3. Пучок ионов с энергией E₀ направляется на образец под углом φ₁ относительно нормали к его поверхности. На некоторой глубине х в образце ионы испытывают упругое рассеяние и изменяют направление своего движения на угол θ. Ионы, вылетающие с энергией E под углом φ2 , регистрируются детектором.

Характеристики

Список файлов лабораторной работы