ラザフォード後方散乱分光

ラザフォード後方散乱分光法 (RBS) による物質分析

ラザフォード後方散乱分光法（Rutherford Backscattering Spectrometry, RBS）は、物質表面の元素組成や深さ方向の組成を分析する強力な手法です。MeVオーダーのエネルギーを持つイオンビームを試料に照射し、原子核との弾性散乱によって後方散乱されたイオンのエネルギーを測定することで、試料の構成元素とその存在量を決定します。

分析原理

RBSの原理は、高速イオンビームを試料に照射した際に発生する原子核間の弾性散乱にあります。入射したイオンは、試料中の原子核とクーロン反発を起こし、後方へ散乱されます。この散乱現象は、ラザフォードの散乱公式によって記述され、散乱イオンのエネルギーは入射イオンのエネルギー、入射角、散乱角、そして散乱イオンと原子核の質量比によって決定されます。

入射イオンとしては、一般的にヘリウムイオン（アルファ粒子）が用いられます。ヘリウムイオンは、その軽い質量と高い貫通力から、深さ方向の分析に適しています。散乱されたイオンのエネルギーを精密に測定することで、試料中の各元素の深さ方向における濃度分布を決定することができます。

装置構成

RBS装置は、イオン源、イオン加速器、コリメーター、検出器から構成されます。イオン源から発生したヘリウムイオンは、イオン加速器によって所定のエネルギーまで加速され、コリメーターによって平行なイオンビームに整形されます。このイオンビームを試料に照射し、後方散乱されたイオンを半導体検出器で検出します。検出器は、散乱イオンのエネルギーを精密に測定し、エネルギー分布を記録します。得られたエネルギー分布から、試料中の元素の種類と濃度を算出します。

RBSの特徴

RBSは、以下の特徴を持つことから、様々な分野で利用されています。

非破壊分析: 試料を破壊することなく分析できるため、貴重な試料やデバイスの分析に適しています。
深さ方向分析: イオンビームの入射深度と散乱イオンのエネルギーの関係から、深さ方向の組成情報を取得できます。
定量分析: ラザフォード散乱の断面積が理論的に計算できるため、標準試料を用いない定量分析が可能です。
短時間測定: 測定時間が比較的短いため、迅速な分析が可能です。
化学状態への非依存性: 原子核間の相互作用を検出するため、元素の化学状態の影響を受けにくい分析が可能です。

RBSの限界

RBSには、以下の限界も存在します。

軽元素の感度が低い: 軽元素（水素、ヘリウムなど）は、重元素に比べて後方散乱される確率が低いため、検出感度が低い場合があります。
* 表面感度が高い: 表面付近の情報を得るのに適している一方、試料内部の深い位置の情報を得るには限界があります。

まとめ

RBSは、その非破壊性、定量性、深さ方向分析能力、そして短時間測定といった利点を活かし、半導体材料、薄膜、表面処理、文化財分析など、幅広い分野で活用されています。軽元素の感度や深さ方向の分解能といった限界を理解した上で、適切な分析手法として選択することが重要です。

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