3.9. Анализ распределения водорода и дейтерия по глубине

Спектрометрия атомов отдачи, вылетающих вперед (разд. 2.9), является методом неразрушающего анализа распределения легких элементов по глубине в твердых телах. Для геометрии эксперимента, изображенной на рис. 3.12, а, этот метод позволяет определить распределения концентраций водорода и дейтерия в твердых телах до глубин порядка нескольких микрометров при помощи ионных цучков с энергией в несколько мегаэлектронвольт. Метод отдачи вперед аналогичен методу обратного рассеяния, только вместо энергии рассеянного иона гелия измеряются энергии ядер отдачи Н или . Водород легче гелия, и поэтому обе частицы после столкновения вылетают вперед. Перед детектором размещается фольга из майлара толщиной мкм, задерживающая поток рассеянных ионов гелия и пропускающая ионы водорода. Тормозная способность ионов Н существенно меньше, чем ионов Не (рис. 3.2); поэтому ион Н с энергией 1,6 МэВ теряет проходя через пленку, в которой ион с энергией 3 МэВ полностью останавливается. Поглотитель из майлара вносит дополнительный разброс энергий, который в сочетании с разрешающей способностью детектора приводит к пределу разрешения, равному около для поверхности образца.

Распределения по глубине определяются потерями энергии налетающих ионов Не вдоль траектории входа и потерями ионов отдачи Н или вдоль траектории выхода. Диффузия дейтерия в полистироле определяется по спектрам, аналогичным изображенному на рис. 3.12, б. В этом случае ион регистрируемый в детекторе с энергией 1,4 МэВ, возникает как ион отдачи в результате столкновения на глубине около 4000 А от поверхности. Спектрометрия атомов отдачи, вылетающих вперед, позволяет определять коэффициенты диффузии для водорода и дейтерия в диапазоне

Рис. 3.12. а — геометрия эксперимента для анализа распределения Н и по глубине твердого тела методом спектрометрии атомов отдачи, вылетающих вперед. 1 — пучок ионов с энергией МэВ; 2 — полистирол; 3 — (дейтерий); 4 — ядра отдачи Н и с энергией ; 5 — рассеянные вперед ионы — поглотитель из майлара толщиной 10 мкм; 7 — анализатор энергий. б — спектры отдачи атомов дейтерия в полистироле до (1) и после (2) диффузии [13]. Первоначально образец представлял собой двухслойную пленку: слой дейтеро-содержащего полистирола толщиной 120 А, нанесенный на пленку из полистирола с большим молекулярным весом Диффузия дейтерия в полистирол осуществлялась при температуре в течение одного часа. 3 — энергия атомов отдачи и с поверхности образца; 4 — энергия атомов отдачи с поверхности образца.

значений , который с трудом поддается изучению традиционными методами.

В качестве примера измерения глубины рассмотрим алюминиевую пленку толщиной 4000 А, по обе стороны которой нанесены слои углеводорода (вместо слоев , изображенных на рис. 3.6). Выберем симметричную геометрию рассеяния, при которой образец расположен под углом а к пучку, а

детектор под углом 2а, так что длина пути в веществе до задней поверхности пленки, соответствующая толщине имеет одно и то же значение как для налетающего иона Не, так и для вылетающего протона. Атомы водорода, выбиваемые с передней поверхности, имеют энергию где для угла отдачи [см. выражение (2.7), К — кинематический фактор отдачи]. Атомы водорода, выбиваемые с задней поверхности на будут иметь энергию , равную

где — потери энергии ионов гелия на траектории входа и — потери энергии ионов водорода на траектории выхода:

и

причем вычисляется для энергии — для энергии которую для упрощения можно заменить на .

Разность энергий частиц, выбиваемых с передней и с задней поверхностей, равна

где отношение тормозных способностей составляет около 1/6. В случае алюминиевой пленки толщиной 4000 А разность энергий атомов Н, выбиваемых с передней и с задней поверхностей, равна примерно для энергии 2 МэВ налетающих ионов Не. Эта величина достаточно велика, чтобы считать спектрометрию отдачи вперед полезным методом исследования примеси водорода. Распределение водорода по глубине можно также получить с помощью ядерных реакций или посредством масс-спектрометрии вторичных ионов, которая рассматривается в следующей главе.