Ionen als Detektive

 
Beim Beschuss mit den Ionen kommt es zu Wechselwirkungen zwischen den Atomen des Gitters und Ionen (siehe: Basisprozesse der Ionen Festkörper Wechselwirkung). Setzt man den Ionenstrahl geeignet ein, so kann man die Beschaffenheit des Materials untersuchen, ohne es zu beschädigen. Oft genutzte Verfahren sind:
• RBS (Rutherford-Rückstreuspektronomie)
• ERDA (Elastische Rückstoßatom-Spektronomie)
• PIXE (Ionen/Protonen-strahlinduzierte Röntgenemission)
• PIGE (Ionen/Protonen-strahlinduzierte Gammastrahlenemission)
• NRA (Analytik mittels Kernreaktion)

Die oben aufgelisteten Verfahren werden jetzt näher erläutert.
 
RBS: Als RBS bezeichnet man Rutherford-Back-Scattering. Bei diesem Verfahren werden leichte Ionen in das Material eingeschossen. Leichte Ionen müssen deswegen genommen werden, weil die eingeschossenen Ionen viel leichter sein müssen, als die Atome des Gitters (siehe: Stoßbeispiele). Wenn die eingeschossenen Ionen zurückkommen, kann man anhand ihres Energieverlustes feststellen, in welche Tiefe sie eingedrungen sind und wie viel Energie sie bei dem Stoß mit den Gitteratomen abgegeben haben, d.h. wie groß die Masse der Gitteratome des zu untersuchenden Materials ist (siehe: Abhängigkeit der Masse bei Stößen). Die Energie des zurückkommenden Ions ist also abhängig von der Masse der Atome und der Tiefe, in die das Ion eingedrungen ist.

ERDA: Als ERDA bezeichnet man Elastic Recoil Detection Analysis. Bei dieser Methode werden schwere Ionen (z.B. Nickel- oder Chlorionen) verwendet. Sie werden relativ flach in das zu untersuchende Material geschossen. Das schwere Ion schleudert die Atome aus dem Material heraus, so dass sie untersucht werden können. Man kann anhand der bei Stoß übertragenen Energie (siehe: Stoßbeispiele) der Atome feststellen, aus welcher Tiefe sie kommen und welche Masse sie besitzen. Daraus erkennt man, um welche Elemente es sich handelt.
NRA: Als NRA bezeichnet man die Nuclear Reaction Analysis. Bei dieser Methode werden leichte Ionen in das Material eingeschossen. Hierbei finden Kernreaktionen statt, bei denen das Ion mit dem Kern eines Atoms verschmilzt . Dabei entstehen Gamma-Strahlen und Teilchen, die aus dem Material herauskommen (siehe: Kernreaktion bei Ionenbeschuss). Diese werden dann analysiert und aus den Ergebnissen kann man Aussagen über die Beschaffenheit des Materials gewinnen. Zur Tiefe kann man ebenfalls Aussagen machen. Die Kernreaktion läuft besonders effektiv ab, wenn das einfallende Ion eine bestimmte kinetische Energie mitbringt. Außerdem können nur bestimmte Elemente mit bestimmten einfallenden Elementen eine Kernreaktion durchführen. Schießt man ein Ion mit einer bestimmten Energie in ein Atomgitter, verliert es ständig Energie. Hat es in einer gewissen Tiefe diese bestimmte kinetische Energie erreicht und ist in dieser Tiefe auch noch das jeweilige Element vorhanden, mit dem es eine Kernreaktion vollziehen kann, dann ist diese besonders gut möglich. Durch Variation der Einschussenergie kann man die Tiefe auswählen, in der das einfallende Ion die zur Kernreaktion gewünschte Energie hat. Nun misst man in Abhängigkeit der Tiefe die bei der Kernreaktion ausgesendeten Teilchen und erhält so eine Information über die in der Tiefe befindliche Stoffkonzentration.

PIXE: Als PIXE bezeichnet man Proton Induced x-ray emission. Es werden wieder leichte Ionen in das Material eingeschossen. Die leichten Ionen stoßen dabei Elektronen aus den Elektronenhüllen der Gitteratome heraus (siehe: Ionisation bei Ionenbeschuss). Die Atome mit den ungefüllten Elektronenhüllen fangen Elektronen wieder ein. Dabei entstehen Röntgenstrahlen, die für jedes Material charakteristisch sind. Diese werden untersucht und man kann dann feststellen, aus welchen Elementen das Material besteht. Bei dieser Methode ist es sehr schwierig eine Tiefeninformation zu erhalten.
PIGE: Als PIGE bezeichnet man Proton Induced Gamma Emission. Diese Methode ist ähnlich wie NRA und PIXE. Auch hier werden leichte Ionen in das Material eingeschossen. Es gibt eine Kernreaktion und es werden Gamma-Strahlen freigesetzt (siehe: Kernreaktion bei Ionenbeschuss). Bei dieser Methode untersucht man die Gammastrahlen und nicht die Teilchen aus der Kernreaktion. Auch hierbei kann man Tiefeninformationen ähnlich wie bei NRA beschrieben, gewinnen.