Определение относительной концентрации дейтерия, имплантированного в бериллий, на основе спектроскопии пиков упругоотраженных электронов

  • Виктор [Viktor] Петрович [P.] Афанасьев [Afanas’ev]
  • Юлия [Yuliya] Николаевна [N.] Бодиско [Bodisko]
  • Александр [Aleksandr] Сергеевич [S.] Грязев [Gryazev]
  • Павел [Pavel] Сергеевич [S.] Капля [Kaplya]
  • Мартин [Martin] Коппен [Koeppen]
Ключевые слова: метод инвариантного погружения, изотопы водорода, электронная спектроскопия

Аннотация

Относительная концентрация дейтерия, имплантированного в бериллий, определяется на основе спектроскопии пиков упругоотраженных электронов. Для последовательного поиска энергетических спектров отраженных электронов используется метод парциальных интенсивностей, основанный на решении граничной задачи для уравнения переноса методом инвариантного погружения. Восстановление дифференциальных сечений неупругого рассеяния строится на фитинг-процедуре, базирующейся на многократном решении прямой задачи, с подгоночными параметрами. Высокая эффективность фитинг-процедуры основана на построении численной процедуры решения уравнений для парциальных интенсивностей, методике, которая сочетает точность и рекордно высокое быстродействие. Получены дифференциальные сечения неупругого рассеяния как для приповерхностной области, так и для однородного массива, удаленного от поверхности. Вычисление дифференциальных сечений неупругого рассеяния выполнено как для чистого бериллия, так и для образцов бериллия, подвергшихся имплантации дейтерием. Найдены относительные концентрации дейтерия в бериллии, составляющие 0,12±0,03 (55 атомов дейтерия на квадратный ангстрем) и 0,15±0,03 (201 атом дейтерия на квадратный ангстрем). Полученные результаты указывают, что развитый метод позволил на порядок увеличить чувствительность определения относительных концентраций изотопов водорода в соединениях по сравнению с ранее существующими.

Сведения об авторах

Виктор [Viktor] Петрович [P.] Афанасьев [Afanas’ev]

доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей физики и ядерного синтеза НИУ «МЭИ», e-mail: v.af@mail.ru

Юлия [Yuliya] Николаевна [N.] Бодиско [Bodisko]

аспирант кафедры общей физики и ядерного синтеза НИУ «МЭИ», e-mail: BodiskoYN@yandex.ru

Александр [Aleksandr] Сергеевич [S.] Грязев [Gryazev]

кандидат физико-математических наук, инженер НИЛ ЭМ и РФЭ кафедры общей физики и ядерного синтеза НИУ МЭИ, e-mail: GryazevAS@gmail.com

Павел [Pavel] Сергеевич [S.] Капля [Kaplya]

кандидат физико-математических наук, Яндекс, e-mail: pavel@kaplya.com

Мартин [Martin] Коппен [Koeppen]

доктор физико-математических наук, профессор, научный сотрудник Исследовательского центра Юлиха, Германия, Берлин

Литература

1. Афанасьев В.П. Федорович С.Д., Лубенченко А.В. Измерение послойных профилей азота, имплантированного в ниобий на основе спектроскопии отраженных электронов // Письма ЖТФ. 1995. Т. 21. № 10. С. 85—88.
2. Boersch H., Wolter R., Schoenebeck H. Elastische Energieverluste Kristallgestreuter Elektronen // Zeitschrift fur Phys. 1967. V. 199. Pp. 124—134.
3. Gergely G. Elastic Peak Electron Spectroscopy for Auger Electron Spectroscopy and Electron Energy Loss Spectoscopy // Surf. Interface Anal. 1981. V. 3. Pp. 201—204.
4. Gergerly G. Elastic Backscattering of Electrons: Determination of Physical Parameters of Electron Transport Processes by Elastic Peak Electron Spectroscopy // Prog. Surf. Sci. 2002. V. 71. Pp. 31—88.
5. Vos M. Detection of Hydrogen by Electron Rutherford Backscattering // Ultramicroscopy. 2002. V. 92. Pp. 143—149.
6. Vos M. e. a. Electron and Neutron Scattering From Polymer Films at High Momentum Transfer // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B 2005. V. 227. Pp. 233—250.
7. Vos M. Experimental Observation of the Strong Influence of Crystal Orientation on Electron Rutherford Backscattering Spectra // Phys. Rev. A. 2002. V. 65. P. 12703.
8. Went M.R., Vos M. High-resolution Study of Quasi-elastic Electron Scattering from a Two-layer System // Surface Sci. 2006. V. 600. Pp. 2070—2078.
9. Афанасьев В.П., Афанасьев М.В., Лисов А.А., Лубенченко А.В. Измерение состава изотопного водорода в углеродных материалах на основе спектроскопии пиков упругорассеянных электронов // ЖТФ. 2009. Т. 79. Вып. 11. С. 106—112.
10. Riko V. e. a. Determination of the Hydrogen Content in Diamond-like Carbon and Polymeric Thin Films by Reflection Electron Energy Loss Spectroscopy // Diamond and Related Materials. 2007. V. 16 (1). Pp. 107—111.
11. Yubero F. e. a. Quantification of the H Content in Diamondlike Carbon and Polymeric Thin Films by Reflection Electron Energy Loss Spectroscopy // Appl. Phys. Lett. 2005. V. 87 (8). P. 084101.
12. Yubero F, Tokeshi K. Identification of Hydrogen and Deuterium at the Durface of Water Ice by Reflection Electron Energy Loss Spectroscopy // Appl. Phys Lett. 2009. V. 95 (8). P. 084101.
13. Sulyok A. е. a. Recoil Effect in Carbon Structures and Polymers // Vacuum. 2001. V. 63. Pp. 371—376.
14. Orosz G.T. е. a. Hydrogen and Surface Excitation in Electron Spectra of Polyethylene // Surface Sci. 2004. V. 566—568. Pp. 544—548.
15. Kostanovskiy I.A., Afanas'ev V.P., Naujoks D., Mayer M. Hydrocarbon Isotope Detection by Elastic Peak Electron Spectroscopy // J. Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 2015. V. 202. Pp. 22—25.
16. Afanasev V.P. e. a. Determination of Atomic Hydrogen in Hydrocarbons by Means of the Reflected Electron Energy Loss Spectroscopy and the X-Ray Photoelectron Spectroscopy // J. Phys.: Conf. Series. 2016. V. 748. P. 012005.
17. Werner W.S.M. Simulation and Quantitative Interpretation of Electron Spectra for Surface Analysis // Surf. Interface Anal. 2005. V. 37. Pp. 846—852.
18. Afanas’ev V.P., Naujoks D. Ruckstreuung Schneller Electronen // Z. Phys. B. Cond. Mat. 1991. V. 84. Pp. 397—402.
19. Афанасьев В.П. Капля П.С. Теория формирования энергетических спектров отраженных заряженных частиц // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2015. № 7. С. 66—71.
20. Afanas’ev V.P. e. a. Photoelectron Spectra of Finite-thickness Layers // J. Vacuum Sci.&Tech. B. 2015. V. 33. P. 03D101.
21. Salvat F., Jablonski A., Powel C.J. Dirac Partial-wave Calculation of Elastic Scattering of Electrons and Positrons by Atoms, Positive Ions and Molecules // Phys. Commun. 2005. V. 165. Pp. 157—190.
22. Powell C.J., Jablonski A. NIST Electron Inelastic-mean-free-path Database. Vers. 1.2. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, 2010.
23. Afanas’ev V.P., Kaplya P.S. Transmission Function: Effect of «Brightness-body Rotation» // J. Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techn. 2017. V. 11. No. 6. Pp. 1296—1305.
24. Werner W., Glantschnig K., Ambrosch-Draxl C. Optical Constants and Inelastic Electron-scattering Data for 17 Elemental Metals // J. Phys. Chem. Ref. Data. 2009. V. 38. Pp. 1013—1092.
25. Афанасьев В.П., Капля П.С., Лисицына Е.Д. Малоугловое приближение и модель Освальда–Каспера–Гауклера в задачах отражения электронов от твердых тел // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2016. № 3. C. 66—71.
26. Afanas`ev V.P. e.a. Influence of Multiple Elastic Scattering on the Shape of the Elastically Scattered Electron Peak // J. Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 2010. V. 177. Pp. 35—41.
27. Алимов В.Х. Использование ионных пучков для изучения накопления изотопов водорода в плазмоконтактирующих материалах установок термоядерного синтеза // Взаимодействие водорода с конструкционными материалами. Методы исследования: Сборник трудов II Междунар. школы молодых ученых и специалистов. Саров: Российский Федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, 2006. C. 105—108.
---
Для цитирования: Афанасьев В.П., Бодиско Ю.Н., Грязев А.С., Капля П.С., Коппен М. Определение относительной концентрации дейтерия, имплантированного в бериллий, на основе спектроскопии пиков упругоотраженных электронов // Вестник МЭИ. 2020. № 5. С. 89—97. DOI: 10.24160/1993-6982-2020-5-89-97.
#
1. Afanas'ev V.P. Fedorovich S.D., Lubenchenko A.V. Izmerenie Posloynykh Profiley Azota, Implantirovannogo v Niobiy na Osnove Spektroskopii Otrazhennykh Elektronov. Pis'ma ZHTF. 1995;21;10:85—88. (in Russian).
2. Boersch H., Wolter R., Schoenebeck H. Elastische Energieverluste Kristallgestreuter Elektronen.Zeitschrift fur Phys. 1967;199:124—134.
3. Gergely G. Elastic Peak Electron Spectroscopy for Auger Electron Spectroscopy and Electron Energy Loss Spectoscopy. Surf. Interface Anal. 1981;3:201—204.
4. Gergerly G. Elastic Backscattering of Electrons: Determination of Physical Parameters of Electron Transport Processes by Elastic Peak Electron Spectroscopy. Prog. Surf. Sci. 2002;71:31—88.
5. Vos M. Detection of Hydrogen by Electron Rutherford Backscattering. Ultramicroscopy. 2002;92:143—149.
6. Vos M. e. a. Electron and Neutron Scattering From Polymer Films at High Momentum Transfer. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B 2005;227:233—250.
7. Vos M. Experimental Observation of the Strong Influence of Crystal Orientation on Electron Rutherford Backscattering Spectra. Phys. Rev. A. 2002;65:12703.
8. Went M.R., Vos M. High-resolution Study of Quasi-elastic Electron Scattering from a Two-layer System. Surface Sci. 2006;600:2070—2078.
9. Afanas'ev V.P., Afanas'ev M.V., Lisov A.A., Lubenchenko A.V. Izmerenie Sostava Izotopnogo Vodoroda v Uglerodnykh Materialakh na Osnove Spektroskopii Pikov Uprugorasseyannykh Elektronov. ZHTF. 2009;79;11:106—112. (in Russian).
10. Riko V. e. a. Determination of the Hydrogen Content in Diamond-like Carbon and Polymeric Thin Films by Reflection Electron Energy Loss Spectroscopy. Diamond and Related Materials. 2007;16 (1):107—111.
11. Yubero F. e. a. Quantification of the H Content in Diamondlike Carbon and Polymeric Thin Films by Reflection Electron Energy Loss Spectroscopy. Appl. Phys. Lett. 2005;87 (8):084101.
12. Yubero F, Tokeshi K. Identification of Hydrogen and Deuterium at the Durface of Water Ice by Reflection Electron Energy Loss Spectroscopy. Appl. Phys Lett. 2009;95 (8):084101.
13. Sulyok A. e. a. Recoil Effect in Carbon Structures and Polymers. Vacuum. 2001; 63:371—376.
14. Orosz G.T. e. a. Hydrogen and Surface Excitation in Electron Spectra of Polyethylene. Surface Sci. 2004;566—568:544—548.
15. Kostanovskiy I.A., Afanas'ev V.P., Naujoks D., Mayer M. Hydrocarbon Isotope Detection by Elastic Peak Electron Spectroscopy. J. Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 2015;202:22—25.
16. Afanasev V.P. e. a. Determination of Atomic Hydrogen in Hydrocarbons by Means of the Reflected Electron Energy Loss Spectroscopy and the X-Ray Photoelectron Spectroscopy. J. Phys.: Conf. Series. 2016;748:012005.
17. Werner W.S.M. Simulation and Quantitative Interpretation of Electron Spectra for Surface Analysis. Surf. Interface Anal. 2005;37:846—852.
18. Afanas’ev V.P., Naujoks D. Ruckstreuung Schneller Electronen. Z. Phys. B. Cond. Mat. 1991;84:397—402.
19. Afanas'ev V.P. Kaplya P.S. Teoriya Formirovaniya Energeticheskikh Spektrov Otrazhennykh Zaryazhennykh Chastits. Poverkhnost'. Rentgenovskie, Sinkhrotronnye i Neytronnye Issledovaniya. 2015;7:66—71. (in Russian).
20. Afanas’ev V.P. e. a. Photoelectron Spectra of Finite-thickness Layers. J. Vacuum Sci.&Tech. B. 2015;33:03D101.
21. Salvat F., Jablonski A., Powel C.J. Dirac Partial-wave Calculation of Elastic Scattering of Electrons and Positrons by Atoms, Positive Ions and Molecules. Phys. Commun. 2005;165:157—190.
22. Powell C.J., Jablonski A. NIST Electron Inelastic-mean-free-path Database. Vers. 1.2. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, 2010.
23. Afanas’ev V.P., Kaplya P.S. Transmission Function: Effect of «Brightness-body Rotation». J. Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techn. 2017;11;6:1296—1305.
24. Werner W., Glantschnig K., Ambrosch-Draxl C. Optical Constants and Inelastic Electron-scattering Data for 17 Elemental Metals. J. Phys. Chem. Ref. Data. 2009;38:1013—1092.
25. Afanas'ev V.P., Kaplya P.S., Lisitsyna E.D. Malouglovoe Priblizhenie i Model' Osval'da–Kaspera–Gauklera v Zadachakh Otrazheniya Elektronov ot Tverdykh Tel. Poverkhnost'. Rentgenovskie, Sinkhrotronnye i Neytronnye Issledovaniya. 2016;3:66—71. (in Russian).
26. Afanas`ev V.P. e.a. Influence of Multiple Elastic Scattering on the Shape of the Elastically Scattered Electron Peak. J. Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 2010;177:35—41.
27. Alimov V.Kh. Ispol'zovanie Ionnykh Puchkov dlya Izucheniya Nakopleniya Izotopov Vodoroda v Plazmokontaktiruyushchikh Materialakh Ustanovok Termoyadernogo Sinteza. Vzaimodeystvie Vodoroda s Konstruktsionnymi Materialami. Metody Issledovaniya: Sbornik Trudov II Mezhdunar. Shkoly Molodykh Uchenykh i Spetsialistov. Sarov: Rossiyskiy Federal'nyy Yadernyy Tsentr — Vserossiyskiy Nauchno-issledovatel'skiy Institut Eksperimental'noy Fiziki, 2006:105—108. (in Russian).
---
For citation: Afanas’ev V.P., Bodisko Yu.N., Gryazev A.S., Kaplya P.S., Koeppen M. Determining the Relative Concentration of Deuterium Implanted in Beryllium Based on the Elastic Peak Electron Spectroscopy. Bulletin of MPEI. 2020;5:89—97. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2020-5-89-97.
Опубликован
2019-07-23
Раздел
Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации (05.14.03)