مقدمه: تکنیک RBS یکی از تکنیک های تجزیه ای می باشد که اجبار استفاده از شتاب دهنده را بنا کرده است این یک ابزار مهم برای تجزیه مواد و ایجاد یک روش قدرتمند برای رسیدن به توزیع عمقی عناصر ناخالص در ppm در نواحی سطحی کم از نمونه می باشد و بر مبنای پراکندگی را در ؟؟
می باشد.
همچنین به طور اختصار RBS هم نامیده می‌شود.
که همان Ruther ford Backscattering Spectrometry می باشد.
این روش از آنالیز بر مبنای آشکارسازی (تشخیص) ذرات باردار که به صورت الاستیک بوسیله هسته های نمونه مورد آنالیز پراکنده شده اند می باشد و می تواند بوسیله y(a,a)y نشان داد.
RBS انرژی ذرات باردار (معمولاً ) را اندازه می گیرد که از نمونه به صورت معکوس توزیع یافته (هندسه پخش ) میزان کاهش انرژی در برخورد با هسته های اتمی وابسته به عدد اتمی z هر عنصر حاضر در ماده هدف می باشد.
اگرچه اندازه گیری های RBS فقط هنگامی می تواند خیلی درست و واقع گرایانه باشد که فقط در جهت وارونه (عقب) باشد در حالیکه اندازه گیری های عملی و قابل استفاده معمولاً شامل پخش در جهت وارونه به خوبی جهت جلو (به سمت جلو) می باشد و توزیع با غیر مقطع عرضی را در فون (سطوح متقاطع غیر را در ؟؟
اگر نیروهای هسته ای مهم شوند آن در انرژی های بالای برخوردی اتفاق می افتد و زوایای پراکندگی بالا و عدد اتمی پایین از ماده هدف).
بنابراین اسم RBS در برخی موارد اسم درستی انتخاب نشده است و RBS برخی اوقات پراکندگی الاستیک ذره ای (Particle Elastic Scattering) نامیده می شود.
تکنیک RBS به صورت گسترده برای آنالیز لایه نزدیک سطح جامدات بکار می رود و برای تعیین پروفایل غلظت مهم می باشد.
عمق عناصر سنگین در مواد سبک به عنوان تابعی از انرژی آشکار می شود.
استفاده از RBS با پرتو دوترون یک سازش مفید بین RBS پروتونی و ذرات می باشد که برای لایه های ضخیم تر اغلب در هنر و باستان‌شناسی مورد استفاده قرار می گیرد (Barfoot 1986) با استفاده از PIXE ، آنالیز چند عنصری در محدوده‌ی زیادی از عناصر در نواحی عمقی ممکن است، ولی تکنیک RBS یک نقطه مثبت نسبت به تکنیک در مواردی که توزیع عمقی یک یا عناصر بیشتر مطلوب می‌باشد، دارد ) عمق آنالیز شده (میکرومتر) برای یون های He و برای پروتونها) روش های دیگر نمایش ناخالصی استفاده از واکنشهای هسته ای (NRA) می باشد که محدود به برخی عناصر سبک می شود.
سینماتیک: برای تفرق (پراکندگی) در سطح نمونه تنها مکانیزم از دست دادن انرژی مومنتم که به اتم هدف منتقل شده می باشد نسبت انرژی اتم‌های پرتاب شونده قبل و بعد از برخورد عامل سینماتیکی گفته می شود.
مقدار بیشتری جدایی بین انرژی های اجزای به طور معکوس توزیع یافته از اجزاء سبک نسبت به اجزاء سنگین وجود دارد.
بخاطر اینکه یک مقدار قابل توجه از مغتم جابجا شده از جزء برخوردی به اتم هدف سبک هنگامیکه جرم اتم هدف افزایش پیدا می کند، مغتم کمتری به اتم هدف منتقل می شود و انرژی اجزاء به طور معکوس توزیع یافته به صورت جانبی به انرژی اجزاء برخوردی نزدیک می شود.
به این معنی است که RBS برای تشخیص بین دو جزء سبک خیلی مفیدتر از تشخیص بین دو عنصر سنگین است.
RBS قدرت تفکیک جرمی خوبی برای اجزای سبک دارد اما برای اجزای و عناصر سنگین وضوح و جرمی خوبی ندارد که برای رسیدن به وضوح جرمی خوب در پایان راه حلی آورده شده است.
برای مثال زمانی که به اجزاء سبک برخورد می کند (O,N,C) یک جزء قابل توجه از انرژی برخورد کننده (پرتاب شونده) به اتم هدف منتقل می شود و انرژی ثبت شده برای رویداد توزیع یافتگی به صورت معکوس خیلی کمتر از انرژی پرتو می باشد.
معمولاً ممکن است که C ، N ، p و Si را از همدیگر مجزا کرد ولو اینکه این عناصر در جرم فقط در حدود 1amV باهم تفاوت دارند.
بهرحال هنگامیکه جرم اتمی که به آن برخورد وارد می شود (یعنی جرم اتمی جزء نمونه) افزایش یابد جزء کمتر و کمتری از انرژی جزء پر تاب شده در طول برخورد به جزء هدف منتقل می شود و انرژی اتم به طور معکوس توزیع یافته شده به صورت مجانب ؟؟
پرتو نزدیک می شود.
ممکن نیست که W را از Ta و یا Fe را از Ni مجزا قرار داد زمانیکه این عناصر در یک عمق مساوی از نمونه قرار داشته باشند ولو اینکه این عناصر سنگین همچنین در جرم نیز فقط در حدود 1amV تفاوت دارند یک موضوع وابسته مهم این است که He نمی تواند به صورت وارونه از اتم های H یا He در یک نمونه پراکنده شود.
عناصری سبک یا سبک تر از عناصر پرتاب شده در عوض می توانند در مسیر رو به جلو با انرژی قابل توجه پراکنده شوند.
بنابراین، این عناصر نمی توانند با استفاده از RBS کلاسیک کشف شوند.
اگرچه با جایگذاری یک آشکارساز بطوریکه این رویدادهای پراکندگی به سمت جلو می تواند ثبت شود، این عناصر می توانند به صورت کمی بوسیله یک اصل شبیه RBS اندازه گیری شوند.
سطوح متقاطع پراکندگی (Scattering cross sectous) تعداد نسبی اجزاء توزیع معکوس یافته از یک اتم هدف درون یک زاویه فضایی داده شده برای یک تعداد داده شده از اجزاء برخوردی مربوط به تفاوت سطوح متقاطع پراکندگی می باشد.
سطوح متقاطع پراکندگی بطور اساس متناسب با مربع عدد اتمی اتم هدف می باشد.
عکس بازده نسبی برای He توزیع معکوس یافته از این عناصر را وقتی که در سطح نمونه آشکار شوند را نشان می دهد.
نمودار نشان می دهد که RBS بیش از 100 برابر حساس می باشد (برای عناصر سنگین نسبت به عناصر سبک بدلیل سطوح متقاطع پراکنش بزرگتر عناصر سنگین.
قدرت بازدارندگی (Stopping Power) فقط یک بخش کوچک از اجزاء برخوردی دستخوش برخورد نزدیک با یک هسته اتمی می شوند و به بیرون نمونه توزیع معکوس پیدا می‌کنند.
اکثر اتم های He برخوردی (تابش) درون نمونه قرار می‌گیرند.
زمانی که اجزاء تفحص به عمق کمی در چگالی متوسط نفوذ می‌کنند، انرژی جزء پرتاب شده به دلیل اثر متقابل با الکترون کاسته می شود.
این بدان معنی است که یک جزء از یک عنصر در عمق کمی توزیع معکوس یافته، موقع اندازه گیری انرژی کمتر خواهد داشت نسبت به جزء‌ای که از عنصر مشابه به و از سوی سطح نمونه توزیع معکوس یافته است.
مقدار انرژی که جزء پرتاب شده نسبت به مسافتی که درون نمونه طی می کند از دست می دهد وابسته به جزء پرتاب شده سرعت آن عناصر در نمونه و چگالی مواد نمونه می باشد.
کاهش انرژی معمولی برای He ، 2MeV محدوده ای بین 100 تا می باشد.
این کاهش انرژی وابسته به ترکیب نمونه و چگالی که دستگاه RBS از ضخامت لایه ها تهیه می کند و یک فرآیند که نقشه برداری عمقی نامیده می شود، دارد.
اکثریت انرژی از دست رفته بوسیله مانع الکتریکی که به صورت (تقریباً) سایش (اصطکاکی) بین اجزاء کاوشگر (پرتابی) و ابرهای الکترونی از اتم های هدف می‌باشد، صورت می پذیرد.
مانع هسته ای بوسیله تعداد زیادی از برخوردهای اجمالی (زودگذر) اتفاق می افتد که این برخوردها در امتداد مسیر اتم های تابش می باشد و مانع هسته ای فقط در اجزاء با انرژی پایین در کاهش انرژی قابل توجه شرکت می کنند.
نسبت به کاهش انرژی به چگالی دوبعدی اتم برای یک ماده داده شده برابر Stopping coss section آن می باشد و اپسیلن بطور عادی در واحد eV-cm اندازه گیری می شود.
چون بیشتر کاهش انرژی بوسیله اثر متقابل با الکترونها می باشد.
ساختار الکترونیکی مواد هدف تأثیر محلی روی قدرت بازدارندگی آن دارنده اثبات نظری قدرت بازدارندگی هم پیچیده و هم نادرست است.
بنابراین قدرت بازدارندگی تجربی اغلب در محاسبات RBS استفاده می شود.
یک تساوی چند جمله ای و یک جدول از ضرایب محاسبه‌ی قدرت‌های بازدارندگی یک محدوده‌ی انرژی ها و عناصر را تأمین می کنند و بر طبق محاسبه کاهش انرژی به واحد از عمق در نمونه یکی می تواند مقاطع عرضی بازدارندگی بارها در چگالی ماده نمونه ضرب شود.
دانستیته‌های نمونه می توانند به طور قابل توجه تغییر کنند.
لازم است که دانستیته مواد نمونه را داشته باشیم تا بر طبق آن عمق ترکیب یا ضخامت لایه را بوسیله RBS حساب کنیم.
اصول کلی RBS : اصول تکنیک RBS این است که یک پرتو با انرژی 1-3 Mev از یونهای با جرم کم (معمولاً ذرات مثل یونهای یا ) با نمونه برخورد می کند و یک آشکارساز نیمه هادی (سطح مانع) ذرات پراکنده شده را آشکار می کند.
مهم نیست که از یا از به عنوان یون برخوردی در خصوص طیف استفاده شود.
حافظه وضعیت بازبرخوردی به همان سرعت برخورد یون با سطح هدف کم می شود.
بخاطر اینکه انرژی پیوندی الکترونها خیلی کم می‌باشد.
آشکارساز، جایی قرار گرفته است که ذرات پراکنده شده در را آشکار کند.
RBS انرژی ذرات به طور معکوس توزیع یافته را اندازه می گیرد که این انرژی متناسب با انرژی اولیه و جرم اتم نمونه‌ها که به آنها برخورد می کند.
به این خاطر که مقدار انرژی منتقل شده به اتم های نمونه در برخورد وابسته به نسبت جرم بین یون و اتم نمونه می باشد.
بنابراین با اندازه گیری انرژی یونهای پراکنده شده می‌توان ترکیب شیمیایی نمونه را نتیجه گیری کنیم، بعلاوه اینکه، در مورد یونهای برخوردی که به هیچ کدام از اتم های سطح از نمونه برخورد نمی کند و در عوض به اتم های در عمق بیشتر برخورد می‌کند، یونهای برخوردی با رفتن به درون جامد بتدریج انرژی خود را از دست می دهد.
این، این را نتیجه می دهد که RBS می تواند به عنوان وسیله ای است تا شمای کلی عمق ترکیبات نمونه را بدست دهد.
این به طور ویژه در آنالیز مواد فیلم های نازک به کار می رود کاهش انرژی واحد یا در واحد یا که سطح متقاطع بازدارندگی stoppiug ceross section یا کاهش انرژی بوسیله اتم به اتم پایه در واحد بدست می‌آید.
سطوح متقابل بازدارندگی به عنوان یک فصل در آخر توضیح داده می شود.
تجهیزات: 1.
ابزارآلات RBS : سه جزء اصلی از دستگاه RBS 1 منبع یونهای –He 2.
شتاب دهنده برای تبدیل آنها به ذرات پرانرژی و 3.
یک آشکارساز برای اندازه گیری انرژی یونهای به طور معکوس توزیع یافته می باشد.
مدل شتاب دهنده وضعیت اجزای دیگر را تعیین می کند.
شتاب دهنده‌های یک طرفه دارای منابع یون متغیر با ولتاژ می باشد تجزیه الکتریکی 1 مگاولت پتانسیل، بوسیله قرار دادن منبع یا پایانه (He) در یک محفظه شبیه یک تانک پر از گاز عایق معمولاً SF6 می باشد، یکی از اشکالات قرارگیری منبع یونی در تانک، سخت شدن برای تغییر و یا تعویض منبع می باشد.
شتاب دهنده‌های پشت سرهم، یک نوآوری زیرکانه می باشد.
شتاب دهنده های پشت سرهم از یک قطب مدار مثبت که در وسط (مرکز) دستگاه قرار گرفته استفاده می کنند ذرات با بار منفی درون شتاب دهنده تزریق می شوند و جذب پایانه (یا جایی پایانی) می شود که دستگاه جداکننده عنصری یک یا چند الکترون از هر ذره جدا می کند.
قطب مدار مثبت، یونهای مثبت نتیجه شده را به سمت زمین بر می گرداند بنابراین ذرات قبل و بعد از پایانه انرژی بدست می‌آورند.
پیکربندی پشت سرهم دو صفت مهم نسبت به ساختار تک مرحله ای دارد.
اول: ولتاژ نهایی کمتری نیاز است، دوم: هر دوی منبع و یونها نزدیک پتانسیل زمین عمل و خارج می شوند.
مهمترین اشکال، ناکارآمدی تولید و کاهش دادن باز جریان پرتو به حدود 100nA برای یک سیستم سری در مقابل 1mA برای شتاب دهنده یک طرفه می باشد.
خوشبختانه اغلب آزمایش های RBS می تواند فقط در حدود 100Na استفاده کند بدلیل محدودیت آشکارساز برای برپا کردن یک RBS نمونه یک شتاب دهنده‌ی سری استفاده می شود که پرتو با 2.25Mev انرژی تولید می کند که بوسیله برداشتن از در پایانه انجام می شود.
یک RBS نمونه شامل اجزای زیر می باشد که هر کدام به طور مفصل در پایان آمده اند: 1 .
منبع یونهای He با بار منفی 2 .
شتاب دهنده‌ی سری 3 .
منبع ولتاژ 4.
Chambertanll , Beamline 5.
Stripper elements 6.
Chamber Focousing 7.
Sample Chamber طیف سنجی: ذرات از شتاب دهنده می آیند و به سطح نمونه برخورد می کنند انرژی برای آن تعدادی از اجزاء که به سوی آشکارساز بر می گردد باید اندازه گیری شود.
در RBS از آشکارسازهای سطح مانع سیلیکون استفاده می شود.
چون که این وسایل ذاتاً دیود می باشند آنها را اغلب آشکارسازهای دو قطبی نیمه رسانا صدا می کنند اجزای با انرژی بالا، جفت‌های حفره الکترونی در مواد نیمه هادی تولید می کنند.
آشکارساز با یک پتانسیل الکتریکی بین سطوح جلو و عقب کار می کند (معمولاً 4kv).
در نتیجه میدان الکتریکی نسبت های حفره الکترونی یک جریان نسبت به انرژی ذرات باردار تولید می کند و متوسط انرژی مصرفی بوسیله برای تولید یک جفت حفره الکترونی تقریباً 3Ver می‌باشد این برخی اوقات انرژی یونیزه شدن آشکارساز خوانده می‌شود.
هر 1Mev ذره در حدود 2700 جفت های حفره الکترونی تولید می کنند.
نوسان یا انحراف در تعداد موج های حامل بار بر روی وضوح تصویه طیف سنجی تأثیر می گذراند.
کمترین واریانس نظری (که دنباله محاسبات پودمین می باشد) برابر حامل های بار می باشد.
انحراف معیار برابر جزء واریانس می باشد.
ضریب Fano نسبت مشاهده شده به این min واریانس تئوری است.
ضریب Fano دلالت بر منابع دیگر از پهن شدگی پیک دارد به طور نمونه: جمع آوری غیرکامل بار و تغییر در اتلاف لایه ساکن.
جمع‌آوری ناتمام بار کم می شود به وسیله خلوص نیمه هادی که جای نسبتاً کمی برای دوباره ترکیب (جفتگیری) زوج حفره الکترون تأمین می کنند.
کاهش انرژی قبل از اینکه ذرات باردار به قسمت فعال آشکارساز برسند (اتلاف لایه ساکن) به کمترین مقدار می رسد به علت اینکه این لایه نازک می باشد (در حدود 100 nm) در آشکارسازهای سطح مانع.
از این رو این ضخامت برابر با فقط 4/0 % معمولی ناچیز می باشد.
بنابراین آشکارسازهای سطح مانع سیلیکون با کیفیت بالا برای طیف سنجی ذرات تقریباً ایده آل هستند.
زمانهای ورود اجزاء به آشکارساز به صورت رندوم و با فاصله در زمانی تعیین شده و احتمال تداخل بین اندازه گیری ها وجود دارد وقتی که ورود اجزاء در زمانهای خیلی نزدیک هم می باشند.
به این پدیده Pulse Pile Up گفته می شود و یک مشکل جدی در سرعت های ورودی اجزای زیاد پیش می آید.
دو نوع Pile up وجود دارد Tail Pile up : انطباق پالسها، در مدت طولانی دنباله یا تحت پالس قبل پرتاب شود.
که منجر به کاهش وضوع تصویه می شود.
مدارهای الکترونیکی با کیفیت بالا.
Tail Pile up را به کمترین مقدار می رسانند.
دو پالس به مقدار کافی به هم نزدیک باشند که شبیه یک پالس رفتار کنند متحمل نوع دوم که Peak Pile Up می باشد شده است.
زمان مرده آشکار ساز: کمترین زمان بین ورود یونهای پشت سرهم (جابجا) می باشد اگر آنها به صورت جداگانه اندازه گیری شود.
Peak Pile up سرعت جمع آوری اطلاعات که در RBS اتفاق می‌افتد را محدود می کند.
کاربرد RBS : روش RBS کاربردهای بیشماری دارد، تعداد کمی از آنها در زیر آمده است: a ) ضخامت خالص (مطلق) فیلم ها، پوشش ها و لایه های سطح b ) ناخالصیهای سطح و توزیع ناخالصی در عمق (سطح مشترک تشخیص آلوده کننده در لایه های اکسیده ماده‌ی جذب شده و .../ سطح) c ) سینتیک نفوذ بدون فیلم های نازک (فلزات، سیلیکت ها و ...) d ) ترکیبات فلزی مواد کمپلکسی (شناسایی فازی، فیلم های آلیاژی، اکسیدها، سرامیک ها، کربن های شیشه ای و ...) e ) پروفایل های Quantitative dopant در نیمه هادی ها f ) نظارت بر کنترل فرآیند ترکیبات و کنترل مواد آلودگر.
محدودیت تکنیک RBS : یکی از محدودیت های مهم RBS حساسیت ضعیف برای عناصر سبک حاضر در مخلوط های سنگین تر می باشد محدودیت تشخیص 1-10 درصد اتمی برای ZC20 ، 0.01-1 % اتمی برای و 0.01-0.001 در ) این بخاطر مقدار نسبتاً کم مقطع عرضی به طور معکوس توزیع یافته برای عناصر سبک می باشد (که متناسب با مربع عدد اتمی عنصر می باشد ) و حقیقت انرژی ذره می‌تواند کمتر شود زمانیکه از اتم سبک با صورت معکوس توزیع یابد.
خصوصیات عناصر سبک در مخلوط ماتریکس سنگین تمایل به غرق شدن (داخل رفتن) در زمینه به نمایندگی حضور یک ماتریکس اتمی در عمق مشخص دارند.
زمانیکه توزیع یافتگی به صورت معکوس از ماتریکس سنگین غیرممکن باشد این عنصر به هیچ عنوان توسط RBS نمی تواند کشف یا آشکار شود.
مثال: فلز سیلکیون یک مثل از یک نمونه که برای آنالیز با RBS کاملاً مناسب می باشد یک فیلم فلزی سیلیکون دار می باشد.
که آنها عموماً به عنوان اتصال داخلی بین ابزارهای نیمه هادی به دلیل هدایت بهترشان نسبت به Al و Si استفاده می شوند، هدایت وابسته به نسبت سیلیکون با فلز و ضخامت فیلم می باشد دو پارامتر به آسانی با RBS تعیین می شود.
شکل اثر متقابل بین فاکتور سینماتیکی و تقاطع عرضی پراکنش را روشن می کند.
دو طیف از دو فیلم Tasi از ترکیبات متفاوت به بر روی سطح Si می آیند.
در این مثال یکی از فیلم ها 230 nm ضخامت دارد در صورتیکه دیگری 590nm ضخامت دارد.
پرتو یونی که استفاده شده یک پرتو یونی از در 2.2Mev می باشد.
در دو طیف پیک بیشترین انرژی ناشی از تانتال Ta در لایه فیلم Tasi می‌باشد پیک در انرژی کمتر مربوط به Si می باشد که در هر دو فیلم Tasi بر روی سطح و زیر لایه Si می باشد سیلیکون کمتر محتمل به اتفاق افتادن عمل پراکنشی نسبت به تانتال می باشد بدلیل تقاطع عرضی پراکنشی کمتر آن، برای نشان دادن سیگنال Si در این دو طیف به آسانی قابل تشخیص است که پیک سیلیکون در 5 ضرب شده است برای پراکنشی در سطح نمونه تنها کاهش انرژی بدلیل انتقال مومنتم به اتم هدف می باشد.
لبه پرانرژی از پیک های تانتال نزدیک 2.1Mev مطابق (برابر) با توزیع معکوس یافتگی از Ta در سطح می باشد.
لبه پرانرژی از پیک های Si نزدیک 1.3 Mev مطابق با توزیع معکوس یافتگی Si در سطح می باشد.
تکنیک های مربوط: PIXE (particle included-x-vay emissiou) HFS (Hydrogen Forward Scatteriug) HIBS (Heavy Ion Backscattering Cpectrometry) CPAA (Charged Particle Activation Ana (ysis)) تاریخچه: در سال 1909 ارنست رادرفورد ثابت کرد که ذرات شامل He با دو بار مثبت هستند، نام رادرفورد بوسیله Hans Geiger پیشنهاد شده بود (از شارگر گایگر – مولد معروف) اگرچه، به مدت 20 سال باقی ماند تا دانشجوی دوره‌ی لیسانس رادرفورد، Marsden در حقیقت و عملاً اندازه گیری را انجام داد.
Marsden مشاهده کرد که مقدار بسیاری زیادی از ذرات به صورت تمیز از فویل طلا عبور می کنند.
اما نسبت به پرتو ورودی در تمام زوایا پراکنده می شوند.
رادرفورد بوسیله این مشاهدات اقدام به پیشنهاد وجود هسته های اتمی کرد ویژگی اصل طرح پیشنهادی رادرفورد در مورد هسته های این بود که یک حجم خیلی کوچک شامل بیشترین جرم اتمی می‌باشد.
ذرات بوسیله هسته پراکنده می شوند بطوریکه توپهای بیلیارد اگر ضربه به آنها زده شود پراکنده می شوند یا پراکنده شدن توپها در بازی بولینگ.
RBS اندازه گیری انرژی این ذرات بطور معکوس توزیع یافته می‌باشد.
این انرژی وابسته به مشخصات اتم هایی دارد که ذرات را پراکنده می‌کند و زاویه پراکنده شدن و عمق نفوذ ذرات به درون نمونه قبل و بعد از پراکنده شدن دارد.
بنابراین RBS برای تجزیه عنصری، مخصوصاً در سطح بکار می‌رود.
اولین استفاده از RBS (به آن در آن زمان آزمایش پخش ذرات گفته می شد) تجزیه عنصری زمین (خاک) به عنوان قسمتی از تحقیقات نقشه برداری V در سال 1967 بود.
بیشتر آزمایش اولیه RBS توسط منابع رادیواکتیو ذرات انجام می شد.
امروزه شدت نور مدادی شکل، شبیه پرتویی از ذرات برای تولید سیگنال به طور معکوس توزیع یافته معتدل، معمولاً بوسیله شتاب دهنده ذره باردار ایجاد می شود.
مقدمه 2: RBS بر پایه برخورد بین هسته های اتم می باشد و از اسم لرد ارنست رادرفورد گرفته شده است.
در سال 1911 اولین کسی بود موضوع این که اتم‌ها دارای هسته هستند را ارائه داد.
او درگیر شمارش تعداد و انرژی یونها در پرتو بود که بعد از برخورد کرد با اتم ها در ناحیه نزدیک سطح از نمونه در جایی که پرتو هدف گیری شده است بطور معکوس توزیع یافته اند، با این اطلاعات، امکان تعیین جرم اتمی و غلظت عنصری در عمق در Substrate می‌باشد.
RBS دستگاه مناسب برای تعیین غلظت عناصر کمیاب سنگین‌تر از اجزاء اصل سطح می باشد.
حساسیت آن برای حجم های سبک و برای جبران نمونه ها در Substrate ضعیف است.
زمانیکه یک نمونه با پرتوی از ذرات با انرژی بالا بمباران می شود مقدار زیادی از ذرات وارد مرحله می شوند و نمی‌توانند فرار کنند این بخاطر این است که مقدار هسته اتم در مرتبه le-15m می باشد در حالیکه فواصل بین هسته ها در مرتبه می باشد.
یک جزء کوچک از اجزاء برخوردی دستخوش یک برخورد مستقیم با یک هسته از اتم های در حدود چند میکرون بالای سطح نمونه می شود.
این «برخورد» در حقیقت درگیری و با یک تماس مستقیم بین یون پرتاب شده و اتم هدف نیست.
به دلیل نیروی کولنی بین هسته های نزدیک هم تبادل انرژی اتفاق می افتد.
اگرچه بر هم کنش می تواند بدرستی مثل یک برخورد الاستیک با استفاده از فیزیک کلاسیک مدل شود.
انرژی اندازه گیری شده برای یک ذره به طور معکوس پراکنده شده در یک زاویه داده شد وابسته به دو فرآیند زیر می باشد: 1.
ذرات وقتی که از میان نمونه عبور می کنند چه در قبل و چه در بعد از برخورد، انرژی از دست می دهند.
2.
مقدار انرژی کاسته شده وابسته به قدرت بازدارندگی مواد (stopping power) دارد یک ذره همچنین انرژی از دست می دهد.
در نتیجه برخورد خودش (انرژی کاسته شده در اثر برخورد) وابسته به جرم اتم های پرتاب شونده و هدف دارد.
نسبت انرژی اتم های پرتاب شونده قبل و بعد از برخورد عامل سینمانیکی (Kinematic Factor) خوانده می شود.
تعداد رویدادهای توزیع یافتگی معکوس که از یک عنصر داده شده در یک نمونه اتفاق می افتد وابسته به 2 عامل می باشد: 1.
غلظت عنصر 2.
اندازه موثر هسته‌اش.
احتمالی که یک ماده ممکن است باعث یک برخورد شود: Scattering cross-section نامیده می شود.
(فاصله) نزدیک ترین گذر (مسیر)، زاویه پراکندگی، پارامتر برخورد زمانیکه پرتوهای موازی ذرات با شدت (Flux نامیده می شود) به هدف در شکلی از فویل نازک برخورد می کند.
ذرات برخوردی از مرکز پخش، پراکنده شده و اتم های هدف به حالت اول بر می گردند که در شکل 201 نشان داده شده است.
در اینجا زاویه پراکندگی بستگی به پارامتری به نام b (پارامتر برخورد) دارد که در زیر آمده است: 1 که (بار ذره برخوردی) با جرم ، سرعت و با انرژی می باشد و هسته هدف با جرم و زاویه پراکندگی می باشد.
فاصله نزدیکترین برخورد (گذر) یا قطر برخورد ذره پرتابی برابر d (برای برخورد رو در رو با هسته اتم) می باشد که: 2 2+1 b : d) فاکتور جنبش (Kinematic Factor) برای پراکندگی در سطح نمونه تنها مکانیسم کاهش انرژی جابجایی مومنتم به اتم هدف می باشد نسبت انرژی جزء برخوردی بعد از برخورد به انرژی آن قبل از برخورد به عنوان k.f نامیده می شود.
به زبان دیگر جزء انرژی که از اولیه به ذرات پراکنده شده منتقل می شود.
از قانون بقای انرژی و ممنتم تبعیت می کند که بوسیله فاکتور جنبش داده شده است.
اینجا یک اختلاف بزرگی بین انرژی ذرات پراکنده شده از عناصر سبک در مقابل عناصر سنگین می باشد به این دلیل که بخش عمده از ممنتم از ذره برخوردی به اتم هدف سبک منتقل شده است.
به همان میزان که جرم اتم هدف افزایش می‌یابد ممنتم کمتری به اتم هدف منتقل می شود و انرژی ذرات توزیع معکوس یافته به صورت مجانب نزدیک انرژی ذره برخوردی می شود.
این بدان معنی است که RBS خیلی مفید برای تشخیص بین هر ذره سبک می باشد.
در مقابل تشخیص برای عناصر سنگین، RBS وضوح تصویر جرمی خوبی برای عناصر سبک نسبت به عناصر سنگین دارد.
K = Kinematic factor توجه کنید که رابطه برای پراکندگی الاستیک شامل نسبت انرژی ذرات پراکندگی به انرژی ذرات برخوردی ، غیروابسته به انرژی برخوردی می‌باشد.
بنابراین k یک تابعی از نسبت جرمی و زاویه پراکندگی می باشد.
هنگامیکه نسبت R برای یک زاویه پراکندگی ثابت کاهش یابد k افزایش می یابد.
موارد ویژه: kof برای و kf برای عناصر هدف برخوردی در جدول 2.1 داده شده است.
تغییرات kf با جرم و زاویه پراکندگی در شکل 2.2 نشان داده شده است.
بدلیل تشخیص (شناسایی) یک عنصر ویژه در نمونه وابسته به k.f می باشد (از اینرو به انرژی توزیع معکوس یافتگی) انرژی معکوس توزیع یافتگی برابر با مقیاس جرمی.
متفرق شدن سرگردان 1 ، محدوده، کاهش انرژی، قدرت متوقف کردن زمانیکه ذرات برخوردی با ماده نفوذ می کند انرژی خود را در فعل و انفعال با اتم های نمونه از دست می دهد.
فعل و انفعال معمولاً به دو فرآیند جدا تقسیم می شود: که به نام کاهش انرژی در برخوردهای الاستیک با الکترونها می‌باشد (electronic stopping power) .
کاهش انرژی هسته در سرعت های کم (اتفاق می افتند) اما کاهش انرژی الکتریکی بیشتر در سرعت های بالا اتفاق می افتد.
در محدوده‌ی انرژی کاهش انرژی اساساً به دلیل فعل و انفعال یونها با الکترونهای مواد می باشد، مسبب تحریک ویونیزاسیون اتم های هدف می باشد، یک ذره که از یک عنصر در عمق اندکی به طور ممکن توزیع یافته، انرژی کمتری داده نسبت به ذره ای که عنصری به روی سطح نمونه به صورت معکوس توزیع یافته است.
اگر دانستیته اتمی (atoms cm-3) برای ماده هدف مشخص باشد یک کاهش انرژی در واحدهایی از kev nm-1 می تواند در آنالیز پرتو یونی مورد استفاده قرار گیرد.
کاهش انرژی در واحد طول جدید stopping power مواد هدف برای یونهای نفوذی نامیده می شود با وجود این حقیقت که یک نیروی مقاومتی بجای انرژی می باشد.
اگر دانستیته مواد مشخص نباشد دانستیته Stopping cross sections در واحد ev نسبت به در آنالیز بکار می رود.
مقدار انرژی که یک ذره برخوردی از دست می دهد.
نسبت به فاصله ای پیموده شده در نمونه وابسته به نوع ذره برخوردی، سرعت آن، عناصر در نمونه چگالی مواد نمونه می باشد.
کاهش انرژی عموماً برای Zmer He محدوده ای بین می باشد.
فرمول Bethe-bloch برای قدرت بازدارندگی به صورت زیر نوشته می‌شود.
که e بار عنصری، m جرم اتمی، عدد اتمی و سرعت ذره برخوردی باشد، عدد اتمی و جرم اتمی هدف می باشد عدد آوروگاد را برابر انرژی تحریکی باشد.
، تصحیح Shell می باشد.
تصحیح Block و تصحیح Barkas می باشد.
زمانیکه جرم برخوردی در فرمول تئوری نیامده.
قدرت بازدارندگی ماده انتظار می رود که به درستی برابر پروتونها، نوتورنها و ذرات دیگر مقدار مشابه می باشد (جایی که E انرژی ذره برخوردی، جرم پروتون و M جرم ذره برخوردی می باشد.) Fitting اطلاعات با فرمولهای تجزیه ای (Verelasand 1970 Biersaek) می شود: جاییکه، مقادیر Fitting می باشد.
s از انرژی های کم و انرژی‌های زیاد می باشد.
بوسیله ارزیابی Stopping Power (قدرت بازدارندگی) در مسیرهای درونی و خارجی، ارتباط بین عمق و انرژی می توان بدست آورد که نشان می‌دهد یک وضوح عمقی خوب نیاز است نه فقط یک آشکارساز وضوح انرژی خوب و همچنین یک انرژی خوب تعریف شده ذرات برخوردی.
تجزیه عمقی بوسیله تنوع در کاهش انرژی بر روی دو مسیر در هدف محدود شده است که به نام سرگردانی انرژی (Energy straggling) نامیده می شود و بوسیله نوسانات آماری در تعداد و نوع برخوردها اتفاق می افتد که یک ذره با انرژی متحمل می شود و وقتی که به درون ماده وارد می شود برای لایه های نازک مقدار انرژی سرگردان شده برابر با نسبت مربع کاهش انرژی است.
از این رو تجزیه عمقی با افزایش عمقی بدتر می شود.
محدوده‌ی R برای یک ذره باردار در ماده بوسیله رابط زیر داده می شود.
جائیکه S(E) Stopping Power- می باشد و انرژی اولیه ذرات باردار می‌باشد.
محدوده‌های ذرات در دو ماده متفاوت با دانسیته های و جرم‌های اتمی با رابطه زیر است: محدوده‌ی تفاوت ذرات (با سرعت اولیه برابر) برای مواد یکسان با رابط زیر بدست می آید.
Z عدد اتمی و M حجم ذرات می باشد.
اولین شیوه یکپارچه برای تئوری stopping power و ranges بوسیله (1963) Lind hard et.al درست شده بود و تئوری LSS نامیده می شود.
و بر پایه مدل های آماری از برخوردهای اتم – اتم می باشد.
اولین پیشرفت بوسیله کاربرد روش های عددی ایجاد شده (1970) Roussear.et.al .
Harteree fock را درون یک تئوری ترکیب کرد.
Stop و rang یونها در جامدات با یک متوسط صحیح باشد.
اتم های واقع گرایانه از 10% برای یونهای سنگین با انرژی متوسط و بهتر از 2% برای یونهای سبک سرعت بالا حساب شده بود که بوسیله zieg ler et.al نشان داده شده است (1985) شکل تابعی s.p آزمایشگاهی برای یونهای گزارش شده بود زمانیکه سرعت یون سنگین افزایش یابد.
الکترونهای خود را از دست می دهد و مثبت و مثبت تر می شود.
در سرعت های بالا یونها کلاً خالی از الکترون می‌شوند.
بر اساس تئوری Brandt kita gawa (1982) و (1985) Ziegler et.al یک پارامترسازی نیمه تجربی ZBL پارامترسازی را ارائه داده که برای حساب (S.P) Stopping Power الکتریکی برای هر یون در هر ماده ای می‌باشد.
در جامدات، مقایسه محاسبات بارهای موثر برخوردی یون – اتم بوسیله را (1985) Hock et.al انجام شد.
(2001) Schiwielz , Graude یک فرمول وضعیت بار بهبود یافته برای اتم های هدف گازها و جامدات ارائه دادند.
Stopping power , (1980 , 1981) Santry , Werner برخی عناصر برای یونهای He و دوترون پرتابی را حساب کردند.
برای یک مجموعه اطلاعات بزرگ S.P Schinuer و Poul 2001 یک روش تجربی برای S.P جامدات و گازها برای یونهای از تا دادند.
Stopping Cross- Setion : کاهش انرژی به عنوان متوسط کل فرآیندهای انرژی کاسته شده بوسیله یک ذره برخوردی بر روی مسیر گذشتن از اتم هدف فعال شده است: بوسیله شکل 2.3 یک چیز که به آسانی می شود تجسم ؟
اینست که ذره برخوردی وقتی که از اتم ؟؟
ماده هدف پراکنده شده (بجای اتم سطح ماده) فاکتور (Stopping Cross – Setctous) بوسیله: داده می شود، این فاکتور (S.C.S) برای برخی عناصر در انرژی کم انتخاب شده در جدول 2.2 داده شده است.
تکنیک برای تعیین جرم اتمی و غلظت جزء سازنده هدف عنصری به عنوان تابعی از عمق زیر سطح (Sobstrate) می باشد.
شکل 2-2 اصول کلی تکنیک RBS را نشان می دهد.
انرژی ذره برخوردی زاویه پراکندگی جرم برخوردی هدف k فاکتور جنبشی زمانیکه باشد کاهش انرژی پرتو برخوردی قابل اغماض در ارتباط با E است شکل 8-2 تغییر K را با در (زاویه پراکندگی برای ماده پرتابی) نشان می دهند.