El análisis por haz de iones ("IBA") es una familia importante de técnicas analíticas modernas que implican el uso de haces de iones MeV para sondear la composición y obtener perfiles de profundidad elemental en la capa de sólidos cercana a la superficie. Todos los métodos IBA son altamente sensibles y permiten la detección de elementos en el rango de sub-monocapa. La resolución de profundidad suele estar en el rango de unos pocos nanómetros a unos diez nanómetros. Se puede lograr una resolución de profundidad atómica, pero requiere un equipo especial. La profundidad analizada oscila entre unos diez nanómetros y unos diez micrómetros. Los métodos de IBA son siempre cuantitativos con una precisión de un pequeño porcentaje. La canalización permite determinar el perfil de profundidad de daño en monocristales.
- RBS: La retrodispersión de Rutherford es sensible a los elementos pesados en una matriz ligera
- EBS: la espectrometría de retrodispersión elástica (no Rutherford) puede ser sensible incluso a elementos ligeros en una matriz pesada. El término EBS se usa cuando la partícula incidente va tan rápido que excede la " barrera de Coulomb " del núcleo objetivo, que por lo tanto no puede tratarse mediante la aproximación de Rutherford de una carga puntual . En este caso , debe resolverse la ecuación de Schrödinger para obtener la sección transversal de dispersión (consulte http://www-nds.iaea.org/sigmacalc/ ).
- ERD: la detección de retroceso elástico es sensible a elementos ligeros en una matriz pesada
- PIXE: la emisión de rayos X inducida por partículas da la traza y la composición elemental menor
- NRA: el análisis de reacciones nucleares es sensible a isótopos particulares
- Canalización: el haz de iones rápido se puede alinear con precisión con los ejes principales de los monocristales ; luego, las cadenas de átomos se "ensombrecen" entre sí y el rendimiento de la retrodispersión cae drásticamente. Cualquier átomo fuera de sus sitios de celosía dará una dispersión adicional visible. Por lo tanto, el daño al cristal es visible e incluso los defectos puntuales ( intersticiales ) pueden distinguirse de las dislocaciones .
La evaluación cuantitativa de los métodos IBA requiere el uso de software especializado de simulación y análisis de datos. SIMNRA y DataFurnace son programas populares para el análisis de RBS, ERD y NRA, mientras que GUPIX es popular para PIXE. Una revisión del software IBA [1] fue seguida por una intercomparación de varios códigos dedicados a RBS, ERD y NRA, organizada por el Organismo Internacional de Energía Atómica . [2]
IBA es un área de investigación activa. La última gran conferencia sobre microhaces nucleares en Debrecen (Hungría) se publicó en NIMB 267 (12-13).
Descripción general
El análisis por haz de iones funciona sobre la base de que las interacciones ión-átomo se producen mediante la introducción de iones en la muestra que se está probando. Las interacciones importantes dan como resultado la emisión de productos que permiten recopilar información sobre el número, el tipo, la distribución y la disposición estructural de los átomos. Para utilizar estas interacciones para determinar la composición de la muestra, se debe seleccionar una técnica junto con las condiciones de irradiación y el sistema de detección que aislará mejor la radiación de interés proporcionando la sensibilidad y los límites de detección deseados. El diseño básico de un aparato de haz de iones es un acelerador que produce un haz de iones que se alimenta a través de un tubo de transporte de haz evacuado a un dispositivo de manipulación de haces. Este dispositivo aísla las especies de iones y la carga de interés que luego se transportan a través de un tubo de transporte de haz evacuado a la cámara objetivo. Esta cámara es donde el haz de iones refinado entrará en contacto con la muestra y, por lo tanto, se pueden observar las interacciones resultantes. La configuración del aparato de haz de iones se puede cambiar y hacer más compleja con la incorporación de componentes adicionales. Las técnicas para el análisis por haz de iones están diseñadas para propósitos específicos. En el cuadro 1 se muestran algunas técnicas y fuentes de iones. En el cuadro 2 se muestran los tipos de detectores y las disposiciones para las técnicas de haz de iones.
Fuente de iones | Actual | Haces de iones | Técnica | |
---|---|---|---|---|
Energía baja | Frecuencia de radio | 1 mA | H, él, N, O | LEIS |
Duoplasmatron | 10 mA | H, él, N, O | ||
Colutrón | ||||
Encierro | 5 mA | C, N, Ne, Kr | ||
Chisporroteo de cesio | Más sólido | SIMS | ||
Hombre libre | 10 mA | Más sólido | ||
Impacto de electrones | ||||
LMIS | Ga, In, Au, Bi | |||
Energia alta | Iones positivos | |||
Frecuencia de radio | 1 mA | H, él, N, O | RBS, PIXE, NRA | |
Duoplamatron | 10 mA | H, él, N, O | ||
Iones negativos | ||||
Duoplasmatron (extracción fuera del eje) | 100 mA | HO | RBS, PIXE, NRA | |
Encierro | 2 mA | H, 2 H | ||
Fuente de vaporizador | La mayoría | |||
RF con intercambio de carga | 100 mA | H, él, N, O |
Producto | Detector | Configuración | Aspiradora | |
---|---|---|---|---|
LEIS | Iones dispersos | Channeltron | Vacío, movible ventajoso La medición de energía requiere Analizador electrostático / magnético | 10 nPa |
SIMS | Iones secundarios | Channeltron | Vacío, geometría fija Resolución de masa baja con ESA, QMA Alta resolución de masa con analizador de campo sectorial | <1 mPa |
SIPS | Fotones ópticos | Espectrofotómetro | Externo a la cámara, geometría fija, alta resolución de longitud de onda. | <1 mPa |
PIXE | Rayos X | Si (Li) YO G | Vacío o externo. Filtros de ventana delgada. Refrigeración de N líquido | <1 mPa |
RBS | Iones | Barrera de surf | Vacío, geometría móvil Arreglo pequeño y simple | |
RBS-C | Iones | Barrera de surf | <100 mPa | |
ERA | Iones | Barrera de surf | Geometría de ángulo de mirada para una resolución de profundidad mejorada | |
NRA | Iones | Barrera de surf | ||
PIGME | Rayos gamma | Ge (Li) NaI | Externo con ventana, criostato Alta resolución, baja eficiencia Mala resolución, alta eficiencia | <100 mPa |
NRA | Neutrones | BF 3 Vidrio de Li Centelleador | Externa, baja eficiencia Solo detección Amplia resolución al desplegarse |
Aplicaciones
El análisis por haz de iones se ha utilizado en una serie de aplicaciones variables, que van desde usos biomédicos hasta el estudio de artefactos antiguos. La popularidad de esta técnica se debe a los datos confidenciales que se pueden recopilar sin una distorsión significativa del sistema en el que se está estudiando. El éxito incomparable obtenido en el uso del análisis por haz de iones ha sido prácticamente indiscutible durante los últimos treinta años hasta hace muy poco con las nuevas tecnologías en desarrollo. Incluso entonces, el uso del análisis por haz de iones no se ha desvanecido y se están encontrando más aplicaciones que aprovechan sus capacidades de detección superiores. En una era en la que las tecnologías más antiguas pueden volverse obsoletas en un instante, el análisis de haz de iones se ha mantenido como un pilar y solo parece estar creciendo a medida que los investigadores encuentran un mayor uso de la técnica.
Análisis elemental biomédico
Las nanopartículas de oro se han utilizado recientemente como base para un recuento de especies atómicas, especialmente al estudiar el contenido de las células cancerosas. [4] El análisis por haz de iones es una excelente manera de contar la cantidad de especies atómicas por célula. Los científicos han encontrado una forma eficaz de hacer que los datos cuantitativos precisos estén disponibles mediante el análisis de haz de iones junto con la espectrometría de retrodispersión elástica (EBS). [4] Los investigadores de un estudio de nanopartículas de oro pudieron encontrar un éxito mucho mayor utilizando el análisis de haz de iones en comparación con otras técnicas analíticas, como PIXE o XRF. [4] Este éxito se debe al hecho de que la señal EBS puede medir directamente la información de profundidad utilizando análisis de haz de iones, mientras que esto no se puede hacer con los otros dos métodos. Las propiedades únicas del análisis por haz de iones hacen un gran uso en una nueva línea de terapia contra el cáncer.
Estudios de patrimonio cultural
El análisis por haz de iones también tiene una aplicación única en el uso del estudio de artefactos arqueológicos, también conocido como arqueometría. [5] Durante las últimas tres décadas, este ha sido el método preferido para estudiar artefactos conservando su contenido. Lo que muchos han encontrado útil en el uso de esta técnica es su oferta de excelente rendimiento analítico y carácter no invasivo. Más específicamente, esta técnica ofrece un rendimiento incomparable en términos de sensibilidad y precisión. Recientemente, sin embargo, ha habido fuentes en competencia con fines de arqueometría que utilizan métodos basados en rayos X como XRF. No obstante, la fuente más preferida y precisa es el análisis por haz de iones, que aún no tiene parangón en su análisis de elementos ligeros y aplicaciones de imágenes químicas en 3D (es decir, obras de arte y artefactos arqueológicos). [5] [6]
Análisis forense
Una tercera aplicación del análisis por haz de iones se encuentra en los estudios forenses, particularmente con la caracterización de residuos de disparos. La caracterización actual se realiza en base a los metales pesados que se encuentran en las balas, sin embargo, los cambios de fabricación están volviendo obsoletos estos análisis. Se cree que la introducción de técnicas como el análisis por haz de iones aliviará este problema. Los investigadores están estudiando actualmente el uso del análisis de haz de iones junto con un microscopio electrónico de barrido y un espectrómetro de rayos X de dispersión de energía (SEM-EDS). [7] La esperanza es que esta configuración detecte la composición de sustancias químicas nuevas y antiguas que los análisis más antiguos no pudieron detectar de manera eficiente en el pasado. [7] La mayor cantidad de señal analítica utilizada y la iluminación más sensible que se encuentra en el análisis de haz de iones es una gran promesa para el campo de la ciencia forense.
IBA iterativo
Las técnicas analíticas basadas en haces de iones representan un poderoso conjunto de herramientas para el análisis de composición elemental no destructivo, sin estándares, con resolución en profundidad y de alta precisión en el régimen de profundidad desde varios nm hasta unos pocos μm. [8] Cambiando el tipo de ion incidente, la geometría del experimento, la energía de las partículas o adquiriendo diferentes productos que se originan en la interacción ion-sólido, se puede extraer información complementaria. Sin embargo, el análisis a menudo se ve desafiado en términos de resolución de masa, cuando varios elementos comparativamente pesados están presentes en la muestra, o en términos de sensibilidad, cuando las especies ligeras están presentes en matrices pesadas. Por lo tanto, normalmente solo una combinación de varias técnicas basadas en haces de iones superará las limitaciones de cada método individual y proporcionará información complementaria sobre la muestra. [3] [4]
La combinación de varias técnicas de IBA ( RBS , EBS, PIXE , ERD ) en un análisis iterativo y autoconsistente demuestra mejorar la precisión de la información que se puede obtener de cada medición independiente. [9] [10]
Software y simulación
Desde la década de 1960, los datos recopilados a través del análisis de haz de iones se han analizado a través de una multitud de programas de simulación por computadora. Los investigadores que utilizan con frecuencia el análisis por haz de iones junto con su trabajo requieren que este software sea preciso y apropiado para describir el proceso analítico que están observando. [11] Las aplicaciones de estos programas de software van desde el análisis de datos hasta simulaciones teóricas y modelos basados en supuestos sobre los datos atómicos, las propiedades matemáticas y físicas que detallan el proceso en cuestión. A medida que el propósito y la implementación del análisis por haz de iones ha cambiado a lo largo de los años, también lo ha hecho el software y los códigos utilizados para modelarlo. Dichos cambios se detallan a través de las cinco clases por las que se clasifica el software actualizado. [12] [13]
Clase A
Incluye todos los programas desarrollados a finales de los sesenta y principios de los setenta. Esta clase de software resolvió problemas específicos en los datos; niy no proporcionó todo el potencial para analizar un espectro de un caso general completo. El programa pionero destacado fue IBA, desarrollado por Ziegler y Baglin en 1971. En ese momento, los modelos computacionales solo abordaban el análisis asociado con las técnicas de retrodispersión del análisis de haz de iones y realizaban cálculos basados en un análisis de placa. Una variedad de otros programas surgieron durante este tiempo, como RBSFIT, aunque debido a la falta de conocimiento profundo sobre el análisis de haz de iones, se hizo cada vez más difícil desarrollar programas tan precisos.
Clase B
Una nueva ola de programas buscó resolver este problema de precisión en esta próxima clase de software. Desarrollados durante la década de 1980, programas como SQEAKIE y BEAM EXPERT brindaron la oportunidad de resolver el caso general completo mediante el empleo de códigos para realizar análisis directos. Este enfoque directo despliega el espectro producido sin suposiciones sobre la muestra. En su lugar, calcula a través de señales de espectro separadas y resuelve un conjunto de ecuaciones lineales para cada capa. Sin embargo, todavía surgen problemas y se realizan ajustes para reducir el ruido en las mediciones y el margen de incertidumbre.
Clase C
En un viaje de regreso al punto de partida, esta tercera clase de programas, creada en la década de 1990, toma algunos principios de la Clase A para explicar el caso general, sin embargo, ahora mediante el uso de métodos indirectos. RUMP y SENRAS, por ejemplo, utilizan un modelo asumido de la muestra y simulan un espectro teórico comparativo, que proporciona propiedades tales como retención de estructura fina y cálculos de incertidumbre. Además de la mejora en las herramientas de análisis de software, vino la capacidad de analizar otras técnicas además de la retrodispersión; es decir, ERDA y NRA.
Clase D
Al salir de la era de la Clase C y principios de la década de 2000, el software y los programas de simulación para el análisis de haz de iones estaban abordando una variedad de técnicas de recopilación de datos y problemas de análisis de datos. Siguiendo con los avances tecnológicos del mundo, se hicieron ajustes para mejorar los programas en un estado de códigos más generalizados, evaluación del espectro y determinación estructural. Los programas producidos como SIMNRA ahora dan cuenta de las interacciones más complejas con el haz y la muestra; también proporciona una base de datos conocida de datos de dispersión.
Clase-E
Esta clase desarrollada más recientemente, que tiene características similares a la anterior, hace uso de principios primarios en las técnicas computacionales de Monte Carlo. [14] Esta clase aplica cálculos de dinámica molecular que pueden analizar interacciones físicas de alta y baja energía que tienen lugar en el análisis de haz de iones. Una característica clave y popular que acompaña a estas técnicas es la posibilidad de que los cálculos se incorporen en tiempo real con el experimento de análisis de haz de iones en sí.
Notas al pie
- ^ Rauhala y col . (2006)
- ^ Barradas y col . (2007)
- ^ a b c WILLIAMS, JS; BIRD, JR (1 de enero de 1989). 1 - Conceptos y principios del análisis de haces de iones . San Diego: Prensa académica. págs. 3–102. doi : 10.1016 / b978-0-08-091689-7.50006-9 . ISBN 9780120997404.
- ^ a b c d Jeynes, J. Charles (26 de septiembre de 2013). "Medición y modelado de la variación de célula a célula en la absorción de nanopartículas de oro" . Analista . 138 (23): 7070–4. Código Bibliográfico : 2013Ana ... 138.7070J . doi : 10.1039 / c3an01406a . PMID 24102065 .
- ^ a b Dran, Jean-Claude (24 de noviembre de 2013). "Análisis del haz de iones en los estudios del patrimonio cultural: hitos y perspectivas". Aplicaciones multidisciplinares de la física nuclear con haces de iones . Actas de la conferencia AIP. 1530 (1): 11-24. Código bibliográfico : 2013AIPC.1530 ... 11D . doi : 10.1063 / 1.4812900 .
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- ^ Moro, MV; Holeňák, R .; Zendejas Medina, L .; Jansson, U .; Primetzhofer, D. (septiembre de 2019). "Perfilado de profundidad de alta resolución precisa de películas de aleación de metales de transición pulverizadas con magnetrón que contienen especies ligeras: un enfoque de múltiples métodos". Películas sólidas delgadas . 686 : 137416. arXiv : 1812.10340 . Código Bib : 2019TSF ... 686m7416M . doi : 10.1016 / j.tsf.2019.137416 . S2CID 119415711 .
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- ^ Schiettekatte, F (2008). "Fast Monte Carlo para simulaciones de análisis de haz de iones". Instrumentos y métodos nucleares en Investigaciones Físicas B . 266 (8): 1880. Código Bibliográfico : 2008NIMPB.266.1880S . doi : 10.1016 / j.nimb.2007.11.075 .
Referencias
- Rauhala E .; Barradas, NP; Fazinic S .; Mayer M .; Szilágyi E .; Thompson M. (2006). "Estado del software de análisis y simulación de datos de IBA" . Instrumentos y métodos nucleares en Investigaciones Físicas B . 244 (2): 436–456. Código Bibliográfico : 2006NIMPB.244..436R . doi : 10.1016 / j.nimb.2005.10.024 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-0027-0B1E-C .
- Barradas, NP; Arstila, K .; Battistig, G .; Bianconi M .; Dytlewski N .; Jeynes C .; Kótai E .; Lulli G .; Mayer M .; Rauhala E .; Szilágyi E .; Thompson M. (2007). "Intercomparación del software de análisis de haz de iones de la Agencia Internacional de Energía Atómica" . Instrumentos y métodos nucleares en Investigaciones Físicas B . 262 (2): 281-303. Código Bibliográfico : 2007NIMPB.262..281B . doi : 10.1016 / j.nimb.2007.05.018 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-0027-0732-B .
enlaces externos
- Conferencia internacional sobre análisis de haces de iones (conferencia científica bienal dedicada a la IBA): 2007 , 2009 , 2011 , 2013 , 2015 , 2017 ).
- Conferencia europea sobre aceleradores en investigación y tecnología aplicadas ECAART (conferencia científica europea trienal): 2007 , 2010 , 2013 , 2016 .
- Conferencia internacional sobre emisión de rayos X inducida por partículas (conferencia científica de Trienniel dedicada a PIXE): 2007 , 2010 , 2013 , 2015 .
- "Instrumentos y métodos nucleares" : la revista científica internacional revisada por pares dedicada principalmente a los desarrollos y aplicaciones de la IBA.
- Programa SIMNRA para la simulación y análisis de espectros RBS, EBS, ERD, NRA y MEIS
- Programa MultiSIMNRA para la simulación y análisis (ajuste autoconsistente) de múltiples espectros RBS, EBS, ERD y NRA usando SIMNRA
- Programa DataFurnace para la simulación y análisis (ajuste autoconsistente) de múltiples espectros PIXE, RBS, EBS, ERD, NRA, PIGE, NRP, NDP
- NDF versión libre de NDF (el motor de cálculo subyacente DataFurnace) para la simulación de los espectros de IBA
- Programa GUPIX para la simulación y análisis de espectros PIXE
- Software para análisis PIXE Intercomparación de paquetes de software de espectrometría PIXE