[发明专利]基于MeV的离子射束分析设备

说明书

本发明涉及一种用于样本的基于MeV的离子射束分析的装置，包括：真空测量腔，其带有至少一个探测器和摄像机；真空系统，其用于在真空测量腔内产生真空；离子射束管和用于聚焦离子射束的聚焦系统；以及样本转移系统，其包括带有样本保持部的样本操纵器，该样本保持部用于接纳至少一个样本。根据本发明，装置附加地包括用于将离子射束管真空密封地联接到测量腔的耦合系统，该耦合系统包括离子射束真空导引部、用于接纳探测器的器件、用于接纳摄像机的器件以及用于接纳样本转移系统的器件。

技术领域

本发明涉及借助于离子射束-显微术的材料分析领域，尤其用于样本成分的定量的和局部的分析。

背景技术

由文献已知用于测定材料样本成分的众多分析方法。在此，离子射束分析尤其适合于定性和定量的分析。

离子射束分析(IBA)包括多种方法，这些方法使用不同的具有在数个MeV数量级中的能量的粒子射束，以便检验和分析材料成分在样本表面附近(即在大约10μm深度范围内)的各个浓度。该方法在大多数情况下非破坏性地工作，且无需参照。采用该方法可以获取元素或同位素的深度剖面图，作为绝对量亦或作为浓度说明，如果将其与基于计算机的解释相组合。此外，离子射束分析与扫描方法一起能实现组分上的(元素分辨和同位素分辨的)断层摄影的μm级的精确分辨率。出于这个原因，离子射束分析的应用从绘画经过薄膜技术一直扩展到材料开发，其中，每种应用相应地对分析仪的结构提出了其特殊要求。

由于大气对离子射束的有害影响，通常在真空腔中执行检验。这些检验基于探测由于待检验的样本与离子射束的相互作用而生成的产物。其可以是二次电子、γ-射线、X射线、散射体或者核反应产物。各种不同的技术可供使用，以便利用这些产物中含有的信息。通过并行探测的不同产物的组合，可以有利地获得单义的结果^[1]。

此外，核反应分析(NRA)、卢瑟福-背散射光谱(RBS)和粒子诱导X射线发射(PIXE)(它们也称为总-IBA^[2])是对于分析工具的适宜组合，其可以实现特别小的多义性和不复杂的一体化。

例如粒子诱发的X射线发射或质子诱发的X射线发射(英文：particle induced X-ray emission或proton induced X-ray emission，PIXE)是广泛使用的离子射束分析方法。在PIXE情况下，用离子射束检验样本。当穿过样本时，离子主要由于与目标微粒的电子外壳相互作用而损失能量。这也导致微粒和内壳电子的碰撞。它们由此从原子壳中被撞出，并且结果，核子会由于特征性的X射线辐射而出现激发。这在PIXE情况下被用于确定元素浓度。该方法本身特别适用于重元素(序数Z12...20)，并且与其他X射线方法相比，具有明显较低的轫致辐射背景。由此也能够分析微量元素。

核反应分析(英文：nuclear reaction analysis，NRA)也用于检验材料成分。在NRA情况下，用大多在100keV到数个10MeV的范围中的能量的离子射束轰击样本。为了材料分析利用核反应，该核反应由于微粒射束与样本原子的相互作用而产生，并发出α-辐射、质子-辐射和/或γ-辐射。依据反应，辐射相应具有确定的、明确定义的能量。如果已与待探测的同位素相匹配地选择所使用的离子射束，则可以有利地测量样本表面层的各个同位素的浓度。

NRA适合于检验样本表面。可分析的深度随射束能量而增加，随离子序数而减小。其还在较小程度上取决于样本成分。可分析的深度通常为几微米。由于利用确定的射束能量和离子位置通常只能测量一个或几个元素，因此往往需要采用其它方法的附加分析，以便完全表征样本。

由于其同位素选择性，该方法特别适合于微量元素的检测，但也适合于借助某些示踪同位素的过程分析。它主要被利用于检测诸如氢或锂的轻元素。