Введение к работе
Ядерный микроанализ - это совокупность методов исследования поверхности по мгновенному излучению, сопровождающему взаимодей-лвие ускоренных ионных пучков с ядрами элементов, находящихся вблизи поверхности образца. При помощи этих методов во многих случаях удается получать информацию о структуре и составе поверхности и гонких пленок с большей чувствительностью, с лучшим разрешением по глубине и избирательностью, чем это возможно с использованием других методов. К тому же, методы ядерного микроанализа являются, как пра-зило, неразрушающими, что позволяет применять их для исследования вшамики поведения поверхности в различных процессах, изучения уни-сальных произведений искусства и археологических образцов и даже биологических объектов in vivo. Анализу подлежат, практически, все лементы от водорода до урана, причем, постольку, поскольку анализ 5едется с использованием ядерных взаимодействий, оказывается доступ-юй и информация о изотопном составе образца, что важно, например, ]ри изучении состава метеоритов.
Методы ядерного микроанализа начали активно развиваться на базе шкопленного в ядерно-физических исследованиях опыта с конца 60-х го-юв, чему способствовало наличие значительного парка электростатиче-ких ускорителей и появление сравнительно простых и эффективных мето-[ов регистрации заряженных частиц и гамма-квантов при помощи полу-іроводниковьіх детекторов. На сегодняшний день ядерный микроанализ вляется одним из самых мощных методов исследования поверхности. Сроме непосредственно физики поверхности ядерный микроанализ широ-:о применяется при разработке новых материалов и технологий (особенно полупроводниковой промышленности), в исследованиях в области высо-отемпературной сверхпроводимости, в биологии, медицине, геологии, кологии, искусствоведении, археологии и других отраслях.
Актуальность темы диссертации определяется расширяющимся полем сследований в области физики поверхности и физики твердого тела, но-ыми технологическими задачами в различных отраслях, возникновени-м новых сфер применения ядерно-физических методов исследования верства. Все это требует усовершенствования известных и разработки но-ых методов, отличающихся повышенными аналитическими характеристи-ами. Об актуальности исследований в области разработки методов ядер-
ного микроанализа свидетельствует множество публикаций в отечественных и зарубежных научных изданиях, число которых с каждым годом возрастает.
Методы ядерного микроанализа существенно используют данные пс сечениям ядерных взаимодействий для заряженных частиц низкой (<1С МэВ) энергии. Общепризнанно, что обеспечение ядерными данными является одной из самых актуальных проблем ядерного микроанализа, решение которой насущно необходимо для успешного развития ядерно-физических методов исследования поверхности. Эта проблема была предметом обсуждения на специальных заседаниях, прошедших в рамках ряда международных конференций. По итогам 13-ой конференции по анализ} на ионных пучках (Лиссабон, Португалия, 1997) по инициативе автора был принят Меморандум, посвященный координации работ по обеспечению ядерного микроанализа ядерно-физическими константами. Работа автора в этом направлении была поддержана Международным агентством пс атомной энергии (Research Contract No. 8883, 1995-1996).
В ФЭИ работы по ядерному микроанализу начались в середине 70-х годов, когда с участием автора были проведены первые опыты по исследованию оксидных покрытий на поверхности стали. Затем, с 1976 по 1995 год, разработка и применение ядерно-физических методов анализа поверхности была основной задачей специально созданной лаборатории, в которой автором и была выполнена большая часть диссертации.
Цель диссертационной работы состояла в разработке усовершенствованных методик ядерного микроанализа и обеспечении ядерного микроанализа ядерно-физическими данными.
Научной новизной обладают практически все полученные в работе результаты. Разработаны новые модификации традиционных методов ядерного микроанализа, аналитические характеристики которых превышают мировой уровень. Разработанные методы применены к новой для ядерного микроанализа области исследования - анализу материалов ядерных знергетическііх установок. Разработан подход и впервые проведена оценка сечений упругого рассеяния протонов и ионов гелия на легких ядрах. Создана первая база ядерных данных для ядерного микроанализа.
Все представленные в диссертации разработки были инициированы потребностями практики. Автором с помощью разработанных методов были выполнены следующие работы: - анализ примесей в углеродных образцах;
5,
эг-;
анализ следовых примесей тяжелых элементов в полупроводниковых материалах;
пооперационный контроль кремниевых пластин в технологии производства интегральных микросхем;
определение скрытых слоев в полупроводниковых лазерных гетеро-_ структурах на арсениде галлия;
исследование массопереноса основных компонент конструкционных легированных сталей, неметаллических примесей внедрения, легирующих добавок и элементов жидкометаллических теплоносителей в задачах изучения коррозии материалов оболочек ТВЭЛов и стенок парогенераторов ЯЭУ;
анализ динамики роста оксидных пленок на поверхности конструкци- -онных сталей в водяных парах и изменения стехиометрии пленок в процессе окисления;
исследование роста оксидных пленок на поверхности сталей, находящихся в контакте с тяжелометаллнческим (Pb, Ві) теплоносителем.
Большая часть из перечисленных выше исследований была выполне-i на автоматизированной установке, специально разработанной для прошения массовых измерений.
Материалы, представленные в диссертации, докладывались на :есоюзном совещании-семинаре "Диагностика поверхности ионными очками". (Донецк, 1980), XXXVI совещании по ядерной спектроскопии и руктуре атомного ядра (Харьков, 1986), Совещании по микроанализу на энных пучках (Харьков, 1988), II Всесоюзной конференции Микроанализ на ионных пучках" (Сумы, 1991), Научном совете РАН по лшенению методов ядерной физики "Экспрессные и чувствительные ме->ды анализа вещества"(Москва, 1996), Международной конференции Nuclear Data for Science and Technology" (Триест, Италия, 1997), Между-іродньїх конференциях по анализу на ионных пучках IBA-13 и IBA-14 [иссабон, Португалия, 1997 и Дрезден, Германия, 1999), XI, XII и XIII овещаниях по электростатическим ускорителям (Обнинск, 1995, 1997 и >99).
Основные результаты диссертации опубликованы в открытой печати отечественных и иностранных журналах и в материалах конференций, одавляющая часть выносимых на защиту результатов опубликована без іавторов, весь оригинальный материал, включенный в диссертацию, по-гчен лично автором.
Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав заключения. Материал диссертации изложен на 192 машинописных стт. ницах, включая 66 рисунков, 12 таблиц и список литературы из 171 наи\ нования.
Автор защищает:
Новые высокочувствительные модификации традиционных метод
ядерного микроанализа:
метод полупроводниковой спектрометрии обратного упругого ра сеяния с подавлением фона наложений по времени пролета;
метод полупроводниковой спектрометрии обратного упругого ра сеяния с подавлением фона наложений при помощи АЕ-Е телескої детекторов;
метод полупроводниковой спектрометрии обратного упругого ра сеяния с использованием идентификации типа частицы;
микроанализ по гамма-ішантам из (р,7)-реакций на ядрах анализ] руемого элемента с возбуждением гамма-излучения импульсным пу ком.
Результаты исследования природы низкоэнергетического фона в спеї трах обратного рассеяния.
Экспериментальные данные по сечениям упругого рассеяния протоне на ядрах 160, ^Si, 36Fe и 90Zr и по выходам резонансных (р.у)-реакций н ядрах "Na, 27А1 и 32Сг.
Результаты исследования возможностей нерезерфордовского обратног рассеяния как высокочувствительного метода анализа поверхности.
Результаты исследования возможностей элементного анализа натри; алюминия, углерода и хрома по гамма-лучам из резонансного радиащ онного захвата и кислорода по гамма-излучению из реакции прямот нерезонансного радиационного захвата.
Результаты исследования реакторных и полупроводниковых материа лов при помощи разработанных методов.
Разработанный подход к оценке дифференциальных сечений упругой рассеяния протонов и ионов гелия и результаты оценки сечений упруго го рассеяния протонов для углерода, кислорода и кремния и для рассея ния ионов 4Не на углероде.
5-'
