УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В ПРИПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ОБРАЗЦА
DEVICE FOR DETERMINING CONTENT OF ELEMENTS IN SURFACE LAYER OF SAMPLE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для элементного (и изотопного) анализа поверхности вещества, тонких пленок, наноструктур. Под термином "поверхность" подразумевается приповерхностный слой вещества толщиной порядка 10 нм. Измерения основаны на облучении поверхности вещества изотропным потоком ультрахолодных нейтронов, проникающих в вещество на глубину не более (10 нм).
Метод нейтрон-радиационного элементного анализа вещества широко распространен и используется в различных областях науки, техники и промышленности. При облучении тепловыми или быстрыми нейтронами исследуемого образца информацию о его элементном составе можно получить, исследуя спектральный состав гамма-излучения, возникающего при захвате нейтронов с помощью германиевых полупроводниковых детекторов высокого разрешения.
Основные принципы этого метода с использованием тепловых и быстрых нейтронов изложены в многочисленных статьях и книгах (например, В.И.Гума, А.М.Демидов, В.А.Иванов, В.В.Миллер. Нейтронно-радиационный анализ. М., Энергоатомиздат, 1984). Все устройства, работающие с использованием данного метода, рассчитаны на получение информации об объемном содержании элементов в исследуемых образцах. Так, например, известно устройство, описанное в заявке США № US 20070095157 (опубл. 03.05.07, МПК G01N 1/00), предназначенное для оперативного контроля элементного содержания элементов в массах вещества и состоящее из нейтронного источника, гамма-детектора и измерительной камеры для исследуемого образца.
Задачи физики поверхности, производства тонких пленок, создания тонких наноструктур требуют методов эффективного элементного анализа поверхности вещества. Традиционный метод нейтрон-радиационного анализа с использованием тепловых нейтронов не может быть в данном случае использован, поскольку пробег тепловых и быстрых нейтронов до захвата в веществах на много порядков превосходит толщину приповерхностного слоя, где элементный анализ современными методами затруднен. Это величины масштаба 10 нм. Именно на такой глубине находятся примеси адсорбированных веществ, такого масштаба двумерные наноструктуры и тонкие пленки, наносимые на поверхность веществ в различных технологических процессах. Применение тепловых нейтронов практически не дает активации поверхностного слоя вещества или объектов такой толщины, создавая активацию подложек и окружающих образец массивных конструктивных деталей. В результате полезная информация в виде гамма-квантов от захвата нейтронов в тонких слоях просто подавляется гамма-квантами, не несущими информации об исследуемом объекте.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство, описанное в патенте Германии № DE 4143530 (опубл. 09.02.95, МПК G01N 23/222). Устройство предназначено для активационного анализа поверхности гладких плоских образцов или тонких пленок методом облучения их моноэнергетическими нейтронами, падающими под таким углом к поверхности, что выполняется условие их полного отражения. Устройство состоит из входной диафрагмы, выделяющей из нейтронного потока от источника узкий пучок, интерференционного фильтра и выходной диафрагмы. Из выходной диафрагмы сформированный моноэнергетический пучок направляется на поверхность плоского образца под углом полного отражения. Часть нейтронов падающего пучка в процессе отражения активируют ядра приповерхностного слоя вещества, которые затем испускают гамма-кванты спектрального состава, соответствующего элементному содержанию поверхности. Устройство содержит детектор гамма-квантов, позволяющий измерять спектр и, таким образом, определять элементный состав.
К основным недостаткам предложенного устройства следует отнести следующие:
1. В устройстве используют нейтроны с большой скоростью, но очень малой нормальной к поверхности компонентой скорости. За счет малости этой компоненты и происходит отражение от поверхностного слоя. Поэтому поверхность исследуемого образца должна быть параллельной и строго ориентирована под определенным углом к падающему пучку. Это резко ограничивает класс исследуемых образцов, поскольку далеко не для всех материалов можно создать плоскую поверхность большой площади (например, для сыпучих или пористых).
2. Поверхность образца должна быть зеркальной, поскольку наличие шероховатостей с размерами масштаба 10 нм и больше будет приводить к проникновению нейтрона в образец, а не отражению. Это означает, что для образца необходима процедура шлифовки или полировки высокого класса. Это не для всех образцов возможно, например тонких пленок или наноструктур. Кроме того, процедура обработки поверхности может принципиально изменить поверхностный элементный состав образца (особенно шлифование абразивами или электрополировка).
-4
-7
3. В предлагаемом устройстве каждый падающий на образец нейтрон, после отражения покидает измерительную систему. Вероятность отражения близка к 1, поскольку вероятность поглощения нейтрона в поверхностном слое для различных веществ варьируется в пределах (10-10). Это означает, что в данном устройстве в лучшем случае только один из 10 тысяч использованных нейтронов даст полезный сигнал в виде захватных гамма-квантов.
Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является расширение номенклатуры исследуемых образцов, а также повышение достоверности определения содержания элементов в образце.
Для достижения указанного результата предложено устройство для определения содержания элементов в приповерхностном слое образца, включающее источник нейтронов, вакуумированную измерительную камеру с входным нейтроноводом и расположенным в ней облучаемым образцом, детектор гамма-излучения, расположенный вне измерительной камеры, при этом источник нейтронов представляет собой источник ультрахолодных нейтронов (УХН), измерительная камера соединена с промежуточной камерой и снабжена выходным нейтроноводом, соединенным с детектором УХН, во входном нейтроноводе установлена поворотная заслонка, проходное сечение промежуточной камеры перекрыто выходным вакуумным шибером, установленным на штоке с возможностью перемещения, а облучаемый образец закреплен на штоке с возможностью перемещения из промежуточной камеры в измерительную.
При этом измерительная камера выполнена из материала с высокой граничной скоростью, например меди, или нержавеющей стали, или никеля.
Геометрические размеры измерительной камеры должны быть много больше геометрических размеров образца.
lim
Известно, что при падении нейтронов на границу раздела вакуум-вещество нейтроны встречают потенциальный барьер (или отрицательный перепад) эффективного потенциала взаимодействия E, определяемого как:
где N - число ядер в единице объема,  - средняя по составу длина когерентного рассеяния ядер, входящих в состав среды, ћ - постоянная Планка, m - масса нейтрона. Для большинства веществ длина рассеяния положительна, поэтому нейтрон, падая на поверхность такой среды, будет отражаться при любых углах падения, если его скорость
lim
где величина ν называется граничной скоростью вещества. Абсолютные значения граничных скоростей для различных веществ широко варьируются в пределах от 0 до (7-8) м/с. Нейтроны этого диапазона скоростей (ультрахолодные нейтроны или УХН) могут храниться в замкнутых сосудах, многократно отражаясь от стенок. В процессе упругого отражения УХН проникают в вещество на расстояние, равное по порядку величины длине волны, которая составляет приблизительно 100 ангстрем или 10 нм.
Находясь в веществе в процессе отражения, ультрахолодные нейтроны могут быть захвачены либо ядрами самой среды, либо примесными ядрами, находящимися в поверхностном слое толщиной 10 нм. Для легких или водородосодержащих веществ существует еще вероятность неупругого рассеяния на тепловых колебаниях решетки. Однако при этом нейтрон приобретает тепловую энергию и свободно покидает объем сосуда. Захват ультрахолодных нейтронов в процессе подбарьерного отражения предлагается использовать в предлагаемом устройстве для проведения элементного нейтрон-радиационного анализа с применением УХН.
На чертеже показана схема устройства, где
1 - входной нейтроновод
2 - поворотная заслонка
3 - измерительная камера
4 - детектор гамма-квантов
5 - выходной нейтроновод
6 - детектор ультрахолодных нейтронов
7 - образец
8 - промежуточная камера
9 - шток
10 - вакуумный шибер
11 - шток
Ультрахолодные нейтроны от источника (транспортного нейтроновода реактора, на чертеже не показан) по входному нейтроноводу 1 через поворотную заслонку 2 поступают в вауумированную измерительную камеру 3, изготовленную из материала с высокой граничной скоростью (например, меди, или нержавеющей стали, или никеля, А.И.Франк. Фундаментальные свойства нейтрона: пятьдесят лет исследований. Успехи физических наук, том 137, вып.1, 1982 г., стр.5-37). Двигаясь в измерительной камере (стрелками показано схематическое направление движения нейтронов), нейтроны облучают ее поверхность изотропным потоком, плотность которого , где n - плотность нейтронов в измерительной камере. Для простоты рассмотрения полагается, что спектр нейтронов - моноэнергетический. Измерительная камера снабжена калиброванным по эффективности детектором ультрахолодных нейтронов 6. Детектор 6 соединен с измерительной камерой через выходной нейтроновод малого сечения 5, размер которого определяется из условия, чтобы отвод нейтронов был достаточным для их регистрации детектором, но не изменял бы плотность нейтронов в измерительной камере.
k
i
k
i
i
i
k
k
i
i
Это позволяет измерять плотность потока φ нейтронов, падающих на стенку измерительной камеры. К измерительной камере примыкает промежуточная камера 8. Проходное сечение промежуточной камеры 8 перекрывается вакуумным шибером 10, установленным на подвижном штоке 11. Исследуемый образец 7 закреплен на подвижном штоке 9. Образец исследуемого вещества произвольной формы и любого качества поверхности может либо вводиться в объем измерительной камеры, где также облучается потоком нейтронов, либо выводиться из него в промежуточную камеру. Для обеспечения равномерной нейтронной плотности в измерительной камере ее геометрические размеры должны быть много больше габаритных геометрических размеров образца. Вне измерительной камеры у ее внешней стенки установлен полупроводниковый германиевый детектор гамма-излучения 4. В качестве детектора может быть использован германиевый детектор Ge(Hp) высокого разрешения. При захвате нейтрона на поверхности образца каким-то изотопом, имеющимся в поверхностном слое, из образовавшегося ядра вылетают гамма-кванты с энергетическим спектром, характерным для данного изотопа. Детектор предварительно прокалиброван по эффективности регистрации гамма-квантов ε(E), испускаемых из области расположения образца. Анализируя полный суммарный спектр захвата нейтронов в поверхностном слое, можно получить как качественную, так и количественную оценку элементного содержания на глубину до 10 нм. Так, для образца, имеющего в поверхностном слое изотоп примеси сорта k с относительной атомной концентрацией p, скорость счета гамма-квантов с типовой для данного элемента энергией E будет определяться как J(E)=φSε(E)γµ, где µ - вероятность захвата нейтрона данным элементом k, γ - выход гамма-квантов с энергией E, S - площадь образца. Из теории хранения УXH известно, что вероятность захвата может быть выражена как
где
Величина  определяется соотношением
th
th
где σ - сечение захвата элемента k для тепловых нейтронов, ν=2200 м/с - скорость тепловых нейтронов. Отсюда видно, что относительная концентрация может быть определена как
3
4
Из описания устройства видно, что в нем могут быть исследованы произвольные образцы и эффективность использования нейтронов значительно больше, чем в устройстве, где используется однократное отражение нейтронов, падающих на плоскопараллельный зеркальный образец. Выигрыш возникает за счет многократных (10-10 раз) отражений нейтрона от поверхности образца, в результате чего нейтрон с вероятностью, близкой к единице, будет захвачен в приповерхностном слое.
Устройство работает следующим образом.
Операция 1. Измерение фонового спектра гамма-квантов.
Входная заслонка 2, установленная во входном нейтроноводе 1 закрыта. Исследуемый образец 7 сначала устанавливается в промежуточную камеру 8. Вакуумный шибер 11 при этом закрыт, отсекая пространство измерительной камеры 3 от пространства промежуточной камеры 8. Входная заслонка 2 открывается и поток ультрахолодных нейтронов в виде нейтронного газа поступает в измерительную камеру, облучая поверхность ее стенок. Образующиеся при захвате в поверхностном слое стенок измерительной камеры гамма-кванты регистрируются гамма-детектором 4. Измеряемый при этом спектр гамма-квантов будет использован как фоновый.
Операция 2. Измерение спектра гамма-квантов, идущих от поверхностей исследуемого образца и измерительной камеры. Измерение плотности потока ультрахолодных нейтронов.
Входная заслонка 2 во входном нейтроноводе закрывается и поток ультрахолодных нейтронов в измерительную камеру прекращается. Открывается вакуумный шибер 11. С помощью штока 9 исследуемый образец перемещается в объем измерительного сосуда 3, а вакуумный шибер 11 снова закрывается. Открывается входная заслонка 2. При этом поступающие в сосуд ультрахолодные нейтроны облучают поверхность образца и измерительной камеры. В этом случае гамма-детектор 4 регистрирует суммарный спектр гамма-квантов, возникающих при захвате нейтронов ядрами приповерхностных слоев образца и камеры. С помощью детектора ультрахолодных нейтронов 6 определяется плотность потока φ.
Операция 3. Обработка результатов измерений.
i
i
Из суммарного спектра гамма-квантов вычитается фоновый спектр гамма -квантов, идущих от измерительной камеры. В результате получается спектр гамма-квантов, идущих от исследуемого образца. Проводится анализ и определение интенсивностей гамма-квантов с энергией E по пикам полного поглощения, обнаруженных в спектре. По характерным энергиям E определяется качественный элементный состав приповерхностного слоя, тонкой пленки или наноструктуры. Далее по экспериментально полученным интенсивностям соответствующих гамма-переходов, известным абсолютным выходам гамма-квантов с помощью соотношения (1) определяется элементный состав.
Следует отметить, что метод позволяет определять не только элементный, но и изотопный состав, что представляет особенный интерес для физики поверхностного изотопного обмена.
В качестве примера приведено определение относительной концентрации фтора F на поверхности бериллиевого образца, который подвергался травлению в растворе HF. Параметры, входящие в формулу (1), приведены ниже.
-27
h=6.63×10 эрг·с
k
i
i
-3
-1
J(E)=1·10 с E=1634 кэВ
-24
m=1.675·10 г
th
-3
-27
2
σ=9.6·10 барн=9.6·10 см
th
5
ν=2.2·10 см/с
lim
f(ν)=0.81 при ν=380 см/с и ν=689 см/с
3
-2
-1
φ=5·10 см·с
4
2
S=0.85·10 см
i
-3
ε(E)=1.8·10
i
γ=1
k
При этих параметрах p=0.06, то есть относительная атомная концентрация фтора на поверхности бериллия равна 6%.
Таким образом, предложенное устройство позволяет определить качественное и количественное содержание (относительную атомную концентрацию) элементов в приповерхностном слое образца произвольной формы, без специальной подготовки поверхности, в том числе сыпучих и пористых, что найдет применение при исследованиях поверхности вещества, тонких пленок, наноструктур.