Rutherford-Rückstreu-Analysen mit Protonen

84 Pages·1980·2.7 MB·German

by  Dr. rer. nat. Hans Mommsen

FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTF ALEN
Nr. 2999 / Fachgruppe Physik/Chemie/Biologie
Herausgegeben vom Minister für Wissenschaft und Forschung
Dr. rer. nato Hans Mommsen
Prof. Dr. rer. nato Theo Mayer-Kuckuk
Dipl. -Phys. Wilhelm Sarter
Dipl. -Phys. Peter Schürkes
Dipl. -Phys. Albrecht Weller
Institut für Strahlen- und Kernphysik
der Universität Bonn
Rutherford-Rückstreu -Analysen
mit Protonen
Westdeutscher Verlag 1980
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Rutherford-RUckstreu-Analysen mit Protonen /
Hans Mommsen ••• - Opladen : Westdeutscher
Verlag, 1980.
(Forschungsberichte des Landes Nordrhein
Westfalen ; Nr. 2999 : Fachgruppe Physik,
Chemie, Biologie)
NE: Mommsen, Hans [Mitverf.]
ISBN 978-3-531-02999-3 ISBN 978-3-322-88124-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-88124-3
© 1980 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
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Inhalt
Vorwort
Zusammenfassung 3
I. Einleitung 4
II. Rutherford-Rückstreuung 7
1. Theoretische Grundlagen 7
2. Erklärung der Rückstreuspektren 14
3. Lineare Näherung für dünne Targets 18
4. Höhe des Energiespektrums 19
III. Experimenteller Aufbau 23
1. Allgemeine Bedingungen, Strahl und Streukammer 23
2. Meßelektronik 28
3. Elektrostatischer Analysator (ESA) 30
a) Theoretische Grundlagen 30
b) Praktische Ausführung 33
c) Abschätzung der Zählrate im ESA 37
d) Energieauflösung des ESA 39
IV. Spektrensimulation per Rechenmaschine 44
1. Programmbeschreibung 44
2. Schematische Gliederung des Programms 45
3. Berücksichtigung der Detektorauflösung 47
4. Simulation inhomogener Targets 50
V. Anwendungsbeispiele und Diskussion einiger Spektren 54
1. Dickenbestimmung dünner Folien 54
2. Dickenbestimmung von Oberflächenverunreinigungen 56
3. Analyse und Tiefenprofile dünner Schichten 61
4. Quantitative Analyse homogener Gemische 69
VI. Schlußbetrachtung 74
Literaturverzeichnis 76
Bilderverzeichnis 78
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Vorwort
Die Rutherford-Rückstreu-Analyse gehÖrt heute zu den Standard-
verfahren in der Untersuchung VOn Oberflächenschichten. Ihre
Fähigkeit der Tiefenrnikroskopie mit einer Tiefenauflösung von
•
einigen 100 A wird vor allem zu Materialuntersuchungen in der
Halbleitertechnologie und der Kernenergietechnologie genutzt.
Das starke Interesse, das diese Methode gefunden hat, läßt es
wünschenswert erscheinen, diese deutschsprachige Beschreibung
zu veröffentlichen. Obwohl hier speziell die Verwendbarkeit
der Rückstreuung zu Analysezwecken bei kleinen Energien, wie
sie von Niederenergiebeschleunigern geliefert werden, unter-
sucht wird, wurde diese Arbeit so verfaßt, daß sie auch als
allgemeine Einführung in die Methode verstanden werden kann.
Ihr liegt die Diplomarbeit von Herrn A. Weller zugrunde, der
den elektrostatischen Analysator gebaut sowie das Spektrensimu
lationsprogramm geschrieben hat (Institut für Strahlen- und Kern-
physik, Bonn, 1979).
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Zusammenfassung
Die Methode der Rutherford-Rückstreuung (RBS) erlaubt es, quan
titative Analysen dünner Folien und Oberflächenanalysen mit
hoher Empfindlichkeit und guter Genauigkeit durchzuführen.
Zusätzlich wird Information über die Elementverteilung in einer
Probe in Abhängigkeit von der Tiefe unter der Oberfläche erhal
ten. Besonders diese Möglichkeit der Tiefenprofilmessung zeich
net die RBS vor anderen physikalischen Analysemethoden aus.
In dieser Arbeit wird die Einrichtung eines RBS-Meßplatzes an
einem Niederenergie-Van-de-Graaff-Beschleuniger mit Protonen
energien von 100 - 400 keV beschrieben. Der Teilchennachweis
geschieht mit einem elektrostatischen Analysator mit 1 % Ener
gieauflösung. Zur Deutung der unter Umständen komplizierten
Rückstreuspektren wird ein Simulationsprogramm verwendet, das
auf einem Kleinrechner arbeitet. Für die Hauptanwendungsgebiete
der RBS, der Dickenbestimmung dünner Folien, der quantitativen
Analyse von Oberflächenverunreinigungen und der Tiefenprofilbe
stimmung werden Beispiele an Hand erster Messungen gegeben. Sie
zeigen, daß auch billige Niederenergiebeschleuniger für RBS
Analysen mit Erfolg eingesetzt werden können.
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I. Einleitung
Die Messung der bei Rutherford-Streuung aus verschiedenen Tie
fen einer Probesubstanz zur~ckgestreuten Teilchen enthält In
formation über die Art und den Aufbau des Targets. Diese jedem
Kernphysiker seit langem bekannte Tatsache hat in den letzten
Jahren besonderes Interesse gefunden. Die Anwendung der sog.
Rutherford-Rückstreuung (engl.: Rutherford backscattering, RBS)
zu Analysezwecken und zur Vermessung von Tiefenprofilen wurde
mit Alpha-Teilchen als Projektile im Energiebereich von 1-2 MeV
ausführlich untersucht. Gute Einführungen und Beispiele ihres
Einsatzes sind in den ~eferenzen 1 - 3 zu finden. Die am besten
bekannte Analyse nach dieser Methode ist das Alpha-Streuexperi-
ment von Surveyor 5, das die erste direkte Information über die
Zusammensetzung des Mondbodens lieferte 4)
Ziel dieser Arbeit ist es, die Einsatzmöglichkeiten der RHck
streu-Analyse für Protonen mit der Energie 200 keV ~ Ep ~ 400 keV
von einem Niederenergie-Van-de-Graaff-Beschleuniger aufzuzeigen.
Solche Beschleuniger sind heute in vielen Labors vorhanden und
billig in ihrer Unterhaltung. In ihrem Energiebereich ist der
differentielle Wirkungsquerschnitt des Energieverlustes von Pro
tonen in l1aterie und damit die Tiefenauflösung der Methode am
größten. Die möglichen Einschußenergien liegen fUr die meisten
Elemente unterhalb der Schwelle für Kernresonanzreaktionen, so
daß die Rutherford'sche Streuformel unter Einschluß bekannter
Abschirm-Korrekturen des Kernfeldes Gültigkeit besitzt. Bei
hohen Energien im MeV-Bereich müßten die durch das Auftreten
dieser Resonanzen veränderten Querschnitte berücksichtigt wer
den, die oft nur unzureichend bekannt sind. Sehr kleine Energien
unter 100 keV andererseits führen durch die Projektil-Elektron-
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Wechselwirkung im Target zur Neutralisation des Strahles. Damit
sind an solchen Beschleunigern ideale Voraussetzungen fUr hoch
auflösende Rutherford-RUckstreuung gegeben.
Die Messung der rUckgestreuten Teilchen bei diesen sehr niedri
gen Energien verlangt jedoch einen speziellen experimentellen
Aufbau und einen Detektor, der so hohe Energieauflösung besitzt,
daß verschiedene Elemente auch in diesen Niederenergiespektren
noch unterschieden werden können.
Nach einer Einführung in die physikalischen Eigenschaften dieser
Methode in Kap. II schließt sich eine Beschreibung des apparati
ven Teils und des hier gewählten Teilchendetektors, eines elek
trostatischen Analysators in Kap. III an. Eine Auswertung und
Deutung der Streuspektren kann bei komplexen Targets sehr auf
wendig werden. Deshalb war es nötig, ein Spektrensimulations-
computerprogramm zu schreiben, das in Kap. IV vorgestellt wird.
Zur Verdeutlichung der Eigenschaften der Rückstreu-Analyse bei
diesen kleinen Einschußenergien werden am Schluq einige ausge-
wählte Anwendungsbeispiele gezeigt und diskutiert.
Damit wird es möglich, diese Methode als Ergänzung der hier
bereits verwendeten teilcheninduzierten Röntgenfluoreszenzana
lyse 5) zu betreiben. Der Gehalt einer Probe an sehr leichten
Elementen, wie C oder 0, der mit der Röntgenstrahlen-Methode
im allgemeinen nicht er faßt werden kann, kann so in speziellen
Fällen bestimmt werden. Weiterhin werden eventuelle Inhomoqeni-
täten oder Oberflächenverunreinigungen gesehen, deren Kenntnis
wichtig ist für eine exakte Röntgenfluoreszenzanalyse. Beiden
Methoden gemeinsam ist die Möglichkeit einer zerstörungsfreien
Mikroanalyse, wodurch sie sich als besonders geeignet für
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die Untersuchung wertvoller archäologischer Fundstücke und
Patinaschichten erweisen.
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II Rutherford-Rückstreuung
1. Theoretische Grundlagen
Die Rutherfordstreuung gehorcht der seit langem gut bekannten
Coulombkraft. Im folgenden soll nur eine kurze Zusammenfassung
der wichtigsten Formeln dieser Streuung gebracht werden, so
weit sie für MaterialunterSUChungen gebraucht werden.
Es lassen sich drei grundlegende Größen bei der Rutherford
Rückstreuung unterscheiden. Jede von ihnen enth~lt analytische
Aussagekraft
a) die Kinematik der Streuung: Die Energie des rückgestreuten
Teilchens ist mit der Masse des Targetkernes verknüpft.
Dadurch werden Massenanalysen möglich.
b) der Energieverlust der Projektile im Targetmaterial:
Durch seine Messung lassen sich Tiefenprofile angeben.
Nicht homogene oder geschichtete Targets werden erkannt.
c) der differentielle Streuquerschnitt:
Er liefert direkt ohne die Verwendung von Standardtargets
die quantitative Zusammensetzung des Targets.
a) Kinematik der Streuung
Bei der Rutherford-Streuung werden die Projektile elastisch
am Targetkern gestreut. Dieser Prozeß kann durch die klassi
schen Stoßgesetze beschrieben werden. Auf~rund von Energie
und Impulserhaltung kann folgende Beziehung leicht abgeleitet
werden:
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E kE
O
pcos~ +-Y1 - p2sin~) 2
k k{ ~.-o-)
+ p
P miM
Hierbei ist k(p,-o-) der kinematische Faktor, Eo die Energie des
einlaufenden Teilchens mit der Masse mund M die Masse des
Targetkerns , während ~ der Streuwinkel im Laborsystem ist.
Der maximale Energieübertrag tritt bei zentralem Stoß auf:
(1 - }l )2
(1 + Jl )2
-1
In Figur 1 ist k(}l,~ ) für verschiedene Jl aufgetragen. Aus
dieser Figur ersieht man, daß die beste Massenauflösung bei
großen Rückwärtswinkeln liegt. Sie ist aber in hohem Maße nicht-
linear. Um einen Eindruck der Massenauflösung zu geben, ist in
Figur 2 das Differential dk/dM für m=1 (H+) und m=4 (He+) bei
~ =1800 aufgetragen. Aus diesem Bild kann man sofort abschätzen,
wie gut die Energieauflösung eines Detektors sein muß, um benach-
barte Massen noch trennen zu können.
Aus einer detaillierteren Rechnung ergibt sich, daß man bei
einer Energieauflösung (t.E/E) des Detektors von 1 % benach-
barte Massen bis M = 20 bei Protonen und bis M = 40 bei Alpha-
teilchen noch eindeutig trennen kann.