Post on 02-Oct-2021
1
Tabacniks, 2014, 2016
Manfredo H. TabacniksInstituto de Física – USP
TTéécnicas de Caracterizacnicas de Caracterizaçção de Materiais ão de Materiais IFUSP 4302504IFUSP 4302504
Feixes iônicos para modificaFeixes iônicos para modificaçção e ão e
caracterizacaracterizaçção de materiaisão de materiais
Tabacniks, 2014, 2016
• Íons e fótons na matéria
• Aceleradores de íons
• Espectroscopia de raios-X
• Exercício
roteiro
Tabacniks, 2014, 2016
HaloHalo
superfície
Elétronssecundários
• Quebras Moleculares• Recombinação dos
radicais• Liberação de gases
FreamentoFreamentoEletrônicoEletrônicoE > 1 MeV Núcleo FreamentoFreamento
NuclearNuclearE ~ keV
• Implantação dos íons
• Deslocamento de átomos da rede
Feixe iônico
Traço
Feixe de íons (MeV) na matéria (10 -14 a 10-10s)
Tabacniks, 2014, 2016
superfícieFeixe iônico
Feixe de íons (MeV) alguns valores
Alcance R
(~1 a 500 µm)
~10 nm
~500 nm
D Fink
íon implantado
2
Tabacniks, 2014, 2016
PROJÉTILIÔNICO
RADIAÇÃO DE FREAMENTO
ELÉTRON SECUNDÁRIO Ee>100eV
TRAÇO SECUNDÁRIOEp>5 keV
TRAÇOSECUNDÁRIOEp< 5keV
ÁTOMOde RECUO
Par e-íonE* ~30eV
COLUNA IONIZADA TRAÇO PRIMÁRIO
~10 nm
elétrons secundários10-100eV
Adaptado de Choppin, Liljenzin e Rydberg,
Radiochemistry and Nuclear Chemistry, 2002.
Feixe de íons (MeV) na matéria
Tabacniks, 2014, 2016
RADIAÇÃO DE FREAMENTO
ELÉTRON SECUNDÁRIO Ee>100eV
TRAÇO SECUNDÁRIOEp>5 keV
PROJÉTILIÔNICO
TRAÇOSECUNDÁRIOEp< 5keV
COLUNA IONIZADA TRAÇO PRIMÁRIO
ÁTOMOde RECUO
Par e-íonE* ~30eV
~10 nm
elétrons secundários(Delat Rays) 10-100eV
Adaptado de Choppin, Liljenzin e Rydberg,
Radiochemistry and Nuclear Chemistry, 2002.
RBS
PIXE
RADIAÇÃO DE FREAMENTO
... e seu uso para análise de materiais
NRA
FRS ou ERDA
Tabacniks, 2014, 2016
Dicionário
RBS Rutherford Backscatering SpectrometryPIXE Particle Induced X-ray EmissionNRA Nuclear Reaction AnalysisERDA Elastic Recoil Detection AnalysisFRS Forward Recoil SpectrometryIBL Ion Beam LuminescencePIGE Proton Induced Gamma ray Emission
XRF X-Ray FluorescenceXRD X-Ray Diffraction
Tabacniks, 2014, 2016
Feixeincidente(MeV/u.m.a.)
Feixetransmitido
núcleos de recuo(FRS)
raios γ(PIGE)
raios X(PIXE)
luz(IBL) íons
espalhados
íons retro-espalhados(RBS)
elétrons secundários
elétronssecundários
amostra
Análise de materiais com feixes iônicos
<10µm
3
Tabacniks, 2014, 2016
Atenuação de fótons na matéria
Atenuação de íons na matéria
∆x
xeN
N ∆−=
.
0
µ
coeficiente de atenuação
xdx
dEEE ∆
−= 0'
poder de freamento
cteE =ν
0N N
cteN =0
0vE vE
Tabacniks, 2014, 2016
Atenuação de fótons na matéria (Absorção e espalhamento)
I0(E)
Espalhamento coerenteElástico ou Thomson
Espalhamento incoerenteEEE ∆−= 0
Raios-X característicosElétrons AugerFoto-elétrons
Efeito fotoelétrico
Absorçãoµ = τ + σcoer + σincoer
Adaptado de Jenkins, Gould & Gedke. Quantitative X-ray Spectrometry. Marcel Dekker, 1981: 26
Efeito fotoelétrico
MeV1<
Tabacniks, 2014, 2016
Espalhamento para Ex = 8046 eV (Cu-Kα) em carbono
cm2/g fraçãoEsp.Incoerente 0,133 2,9 %Esp.Coerente 0,231 5,1 %Esp. Total 0,364 8,0 %Fotoelétrico 4,15 92 %Total 4,51
Jenkins, Gould & Gedke. Quantitative X-ray Spectrometry. Marcel Dekker, 1981: 26
Atenuação de fótons na matéria (Absorção e espalhamento)
E(keV)
4.12)A( =λ o
Efeito fotoelétrico, τEspalhamento coerente‘Thomson ou elástico’
Espalhamento incoerente‘Compton ou inelástico’
µ
Tabacniks, 2014, 2016
Íons na Matéria: Carga efetiva100% carga efetiva = Z íon (pelado)
Ada
pta
do d
eZ
iegl
er,
1980
Na
sta
siet
al.,
199
6
Íon neutro: vp < vK
prótons250 keV
(β ≡ v/c = 0,023)
4
Tabacniks, 2014, 2016
Perda de energia (poder de freamento)
Freamentonuclearcolisões bináriasrepulsivasem campo Coulombianoparcialmenteblindado
Freamento eletrônicoionizações e excitaçõeseletrônicas.
~2-20keV desbaste (sputtering)
~2 eV Physical Vapour Deposition PVD
NiHe→
NiAr →
1-2 MeV/u – IBASe=1 MeV/µmSn=10 keV/µm
Tabacniks, 2014, 2016
Qual a energia transferida ?
Qual a probabilidade do evento ?
??Ω
∆d
dE
σ
próxima aula
Tabacniks, 2014, 2016
Como se Como se fazfaz issoisso??
Tabacniks, 2014, 2016
Medindo a absorção de raios-X pela matéria
Tubo de raios-X
colimadores detector
monocromador
absorvedor
Leighton, Principles of Modern Physics, McGraw, 1959
Vácuo
5
Tabacniks, 2014, 2016
A experiência de Rutherford (1909) Atirando alfas em finas folhas de ouro (0,086 µm)
http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/AtomicStructure/Rutherford-Model.html
http://myweb.usf.edu/~mhight/goldfoil.html
1/20000 eventos >90o
Experiência de Rutherford
vácuo
Fonteα 210Po
caixa de chumbo Au ~0,1µm
microscópiotela cintilante
Relatado por Marsden e Geiger em 1909:~1:20000 as “refletiam” em ângulo maiorque 90o
Ernest Rutherford. Premio Nobel de química1908
Tabacniks, 2014, 2016
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Sir_Ernest_Rutherfords_laboratory,_early_20th_century._%289660575343%29.jpg
O laboratório de Rutherford (~1900)
Tabacniks, 2014, 2016
Raios cósmicos: fonte natural de partículas energéticas
1GeVE
protons, 92%
>
vácuo
Tabacniks, 2014, 2016
Acelerador Cockcroft-Walton
1931 - 300 kV
Um microscópio focado numapequena tela cintilante é operado pelopróprio Ernest Walton, 28 revelando a primeira evidência de umadesintegração artificial: 7Li(p,α)4He
GamovGamov, em 1928, , em 1928, mostramostra queque umauma
partpartíículacula alfaalfa com com baixabaixa energiaenergia podepode
tunelartunelar a a barreirabarreiracoulombianacoulombiana e e
penetrarpenetrar no no nnúúcleocleo..
Walton
6
Tabacniks, 2014, 2016 http://www-outreach.phy.cam.ac.uk/camphy/cockcroftwalton/cockcroftwalton8_1.htm Tabacniks, 2014, 2016
Um acelerador eletrostático de íons
vácuo ou gás isolante
• Estrutura em vácuopara transporte do feixe (íons ou elétrons)
vácuo
E0V
tubo acelerador
R R R R R R R RR R
K = V.q
fonte de íons
•Fonte de íons (ou de elétrons)
gerador (VDG ou CW)
V
•Fonte de alta tensão (VDG ou CW)
Tabacniks, 2014, 2016
Van de Graaff
Crckc. Walton
Linac
Bétatron
Cíclotron
Sincrocíclotron
linear
CC
pulsado
single
tandem
relativístico
Alvarez
Videröe
RFQ
cíclico
B fixo
B var.Síncrotron
Mícrotron
e - Síncrotron
wf - Síncrotron (γ> γT)
sf - Síncrotron (γ< γT)
Adaptado de E. MichaelisTabacniks, 2014, 2016
Van de Graaff
CW
Linac...
Bétatron
Cíclotron
Sincrocíclotron
Aceleradores Acelerador Pelletron tipo tandem com strippergasoso
• Tensão máxima 25MV (tandem)• 74+ Pelletrons construídos (~35 anos) 60 U < 5MV
• 300+ aceleradores VDG da HVE
www.pelletron.com
7
Tabacniks, 2014, 2016
Van de Graaff
CW
Linac...
Bétatron
Cíclotron
Sincrocíclotron
AceleradoresCockcroft-Walton (1932)• Carrega em paralelo CA e
descarrega em série• É a fonte em qualquer televisão• V x I hiperbólica: baixa
corrente em alta tensão• Ripplealto (α I/f) => f alta• Oferece tensões intermediárias.
(polarização de dinodos, fotomultiplicadoras, etc.)
Injetor de prótons do Fermilab (750 kV)
Fonte de AT do implantador de íons do IFUSP (400 kV)
Cockcroft-Walton
Tabacniks, 2014, 2016
Implantador de íons 70kV IFUSP
Fonte de íonse plataforma de 70kV
Imã analisador
Porta amostras
Fonte de altatensão tipo CW
Tabacniks, 2014, 2016
Van de Graaff
CW
Linac...
Bétatron
Cíclotron
Aceleradores
(.AVI)
Freqüênciaciclotrônicaconstante.qB
mr
v=
m
qBf
π2
1=
Limitado para cerca de 10 MeV de prótons. Acimadessa energia, é necessário considerar o incrementode massa dos prótons (γm).
SincrocíclotronSincrocíclotron O maior sincrocíclotron em operação (Gatchina, St. Petesburgo) acelera prótons até1 GeV. Pesa 10000 t. As peçaspolares têm 6 m de diâmetro.
m
qBfRF γπ2
1=
Tabacniks, 2014, 2016
Van de Graaff
CW
Linac...
Bétatron
Cíclotron
Aceleradores
Freqüênciaciclotrônicaconstante.qB
mr
v=
m
qBf
π2
1=
Variando o gapentre as peças polares (1960) foipossivel reprojetar os imãs “sector focused cyclotron”para compensar a perda de velocidade devido aoincremento de massa, aumentar a energia e manterconstante a freqüência da fonte de RF. Sincrocíclotron
O maior cíclotron focado é o de Vancouver. Gera feixe de H- com 600 MeV
D. Robin. Michigan State University (2007)
Ciclotron2.AVI
8
Tabacniks, 2014, 2016
19321 MeV 28 cm 1933
4.8 MeV69 cm 1939
19 MeV1,5m
Cíclotronsem Berkeley
1947195 MeV467 cm
Particle Explosion, Close, Marten & Sutton. Oxford Univ. Press. 1987. Tabacniks, 2014, 2016
Ciclotron de 30 MeV do IPEN, em São Paulo, para fabricação de radioisótopos: 18F para PET, 13N, 15O, 123I, 67Ga, 201Tl.
Moderno cíclotron para produção de radioisótopos
Tabacniks, 2014, 2016
Van de Graaff
Crckc. Walton
Linac
Bétatron
Cíclotron
Sincrocíclotron
linear
CC
pulsado
cíclico
B fixo
B var.Síncrotron
Mícrotron
Adaptado de E. Michaelis
Aceleradores
Tabacniks, 2014, 2016
Anéis de armazenamento (Acelerador Síncrotron)
O feixe (de elétrons ou íons) é injetado num anel com imãs e órbita fixa. A energia do feixe é aumentada (em seção aceleradora tipo cavidade ressonantede um aceleradorlinear), ao mesmo tempo em que se aumenta o campo magnético dos imãs que confinamo feixe em sua órbita.
Ac. linear 100 MeVUma das muitasestações experimentais
O estreitofeixe de luz éum efeitorelativístico.
9
Tabacniks, 2014, 2016
Luz SíncrotronBrilho de luz síncrotronfotons(0.1%BW) /mm2/s/mrad2
sol
1011 x o brilho do Sol
Tabacniks, 2014, 2016
8,6 Km
França
Suiça
CERN: Large Hadron Collider, (50 + 50) GeV
Tabacniks, 2014, 2016
Van de Graaff
Crckc. Walton
Linac
Bétatron
Cíclotron
Sincrocíclotron
linear
CC
pulsado
cíclico
B fixo
B var.Síncrotron
Mícrotron
Adaptado de E. Michaelis
Aceleradores
Tabacniks, 2014, 2016
http://www.particleadventure.org/accel_ani.html
e se linearizarmos o ciclotron ? → acelerador linear
íons podemsurfar umaondacaminhante
10
Tabacniks, 2014, 2016
Acelerador linear de elétrons, de 70MeV instalado em
1967 pelo Prof. Goldemberg no IFUSP. Doado pela U. de Stanford, funcionou até meados de 1980. No canto àesquerda vê-se o injetor de elétrons.
Tabacniks, 2014, 2016
Acelerador linear injetor do Bevatron, Lawrence - Berkeley, EUA
Particle Explosion, Close, Marten & Sutton. Oxford Univ. Press. 1987.
Tabacniks, 2014, 2016
Amaldi, U. Europhysics News, (2000) 31-6
Inventário mundial de aceleradores (2000)(+15% /ano)
Categoria Número
Impantadores de íons e modificação de superfícies 7000
Esterilização e polimerização 1500
Aceleradores em pesquisa não nuclear 1000
Radioterapia 5000
Produção de Radioisótopos 200
Terapia com Hadrons 20
Fontes Síncrotron 70
Pesquisa em FN e partículas 110
total 14900
Tabacniks, 2014, 2016
Instituto de Física da USPLaboratório Aberto de Física Nuclear
Acelerador Pelletron, tandem, V max = 8 MV
Imã para seleção de energia
Imã paraseleção de massa
Fonte de íonssputtering de Césio, para feixes de H, B, C, O, Cl, Si...
Arranjoexperimental
11
Tabacniks, 2014, 2016
Instituto de Física da USPLaboratório de Análises de Materiais por Feixes Iônicos - LAMFI
Câmara MultiusoRBS, PIXE, ERDA
Câmara PIXE paraanálises ambientais
Fontes de íons negativosAlphatross e SNICS
LAMFI: Acelerador Pelletron tandem NEC-5SDH1,7MV com stripper gasoso
Tabacniks, 2014, 2016
Laboratório para Análise de Materiais com Feixes Iônicos - LAMFI
PIXEambiental
RBS-PIXE
feixe externo
Tabacniks, 2014, 2016
NaI (γ)
GeHPRX1
RX2laser
RBS
RBS
RX1RX2
laserlaser
cam
câmara multiusoRBS + PIXE
janela Al 8 µm amostra
Feixe Externo Multi-Analítico
Tabacniks, 2014, 2016
RBS – Arranjo experimental no IFUSP
feixefeixe
alvoalvo
D1D1
D2D2
50 cm
12
Tabacniks, 2014, 2016
PIXE - Arranjo experimental no IFUSP
colimadorde feixe
Detector de raios-X
Detector de raios-X
portaamostras
D1, D2: detectoresT: amostraC: colimador de feixeF: copo de faraday.
Tabacniks, 2014, 2016
Métodos Analíticos
RBS Rutherford Backscattering SpectrometryERDA Elastic Recoil Detection Analysis
• alta sensibilidade: < 10 14 Au/cm 2
• absoluto: não necessita calibração• perfil em profundidade ( ∆x ~ 100Å)• rápido: 10-20 min• sensível à topografia (tese Dr.)
PIXE Particle Induced X ray EmissionPIGE Particle Induced Gamma ray Emission
• alta sensibilidade : ppm (ou 10 14 at/cm 2)• Z > 11 • necessita calibração• rápido : 10-20 min
medir todos os elementos databela periódica
AMS Accelerator Mass Spectrometry
• hiper alta sensibilidade: 1: 10 14
• composição isotópica• absoluto: não necessita calibração
Feixe externo para amostrasespeciais
SIMS Secondary Ion Mass Spectrometry
• feixe 16O, 20 keV, 3µm• altíssima sensibilidade: 10 12 at/cm 2
• todos elementos da tabela periódica• mapa elementar• imagem por elétrons retroespalhados• semiquantitativo• perfil em profundidade ( ∆x ~ 10 Å)