Počátek rozvoje a širšího využití jaderných analytických metod v Ústavu jaderné fyziky AV ČR spadá do první poloviny 60. let minulého století. Jednalo se především o neutronovou aktivační analýzu a o promptní metody analýzy na svazcích neutronu a nabitých částic. Svazky urychlených iontu se využívají k modifikaci povrchových vrstev pevných látek a pro analýzu jejich složení a struktury. Tyto metody mají radu unikátních vlastností pro které nemohou být nahrazeny jinými alternativními postupy. V Ústavu jaderné fyziky AV CR (ÚJF) se pro tyto účely využíval elektrostatický urychlovač Van de Graaffova typu.

Dosavadní činnost je zaměřena zejména na sledování procesu vytváření tenkých vrstev a vrstevnatých struktur s význačnými mechanickými, elektrickými, magnetickými, optickými, chemickými a biologickými vlastnostmi a na studium fyzikálních a chemických procesu, které v nich probíhají. Pozornost se věnuje analýze vzorku životního prostředí, biologických objektu a vzorku pro lékařský výzkum. Skupina jaderných analytických metod ÚJF AV CR se systematicky podílí na studiu syntézy, struktury a vlastností progresivních materiálu pro mikroelektroniku, optiku, optoelektroniku, kryogeniku a materiálu s význačnými vlastnostmi (mikrotvrdost, chemická odolnost, biokompatibilita a pod.). Povrchové struktury a systémy připravované ve spolupráci s českými a zahraničními pracovišti různými metodami (epitaxní růst, Czochralskiho metoda, iontová implantace, plasmová deposice, chemická deposice, CVD, magnetronové naprašování, atp.) jsou v Laboratoři analýz a modifikace látek iontovými svazky Ústavu jaderné fyziky AV ČR  analyzovány metodami RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry), ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis), PIXE (Particle Induced X-ray Emission), PIGE (Particle Induced Gamma Ray Emission).

Analýzy prováděné v ÚJF jsou nepostradatelné pro vývoj nových progresivních materiálu. Pro udržení dosavadní úrovně a dalšího pokroku v oblasti modifikace látek iontovými svazky a jejich analýz nukleárními metodami byl zakoupen nový elektrostatický urychlovač typu Tandetron 4130 MC od firmy High Voltage Engineering Europa B.V.


VYUŽITÍ URYCHLOVAČE NABITÝCH ČÁSTIC V INTERDISCIPLINÁRNÍM VÝZKUMU

1/ Iontová implantace a syntéza nových materiálů.
Nový urychlovač tandemového typu, který urychluje ionty většiny prvku na energie od 102 –104 keV muže být využit pro iontovou implantaci, která je jednou z nejvýznamnějších technik používaných v materiálovém inženýrství pro modifikaci látek. Zařízení se srovnatelnými parametry v ČR zatím neexistuje. Předpokládá se využití iontové implantace pro vytváření struktur s význačnými optickými,
elektrickými a biologickými vlastnostmi. V tomto směru navážeme zejména na existující, dlouhodobý výzkum modifikace polymerních materiálů iontovou implantací.

Hloubkový profil (nahoře) a znázornění trajektorií iontu Au s energií 4 MeV implantovaných do SiO2 (dole).

Obrázek: Hloubkový profil (nahoře) a znázornění trajektorií iontu Au s energií 4 MeV implantovaných do SiO2 (dole).

2/ Iontová litografie a mikroobrábění iontovými svazky jsou v současné době rychle se rozvíjející obory zaměřené na přípravu mikroelektrických a optoelektrických komponent vysoké integrace a výrobu miniaturních mechanických zařízení s možnými aplikacemi např. v medicíně. Tuto techniku bude možné realizovat na novém urychlovači po jeho vybavení iontovou mikrosondou (viz. výše).

3/ Biologické účinky nabitých částic. Nový urychlovač umožní studovat biologické účinky nabitých částic v závislosti na jejich energii a hmotnosti. Takový výzkum má význam fundamentální pro poznání interakce nabitých částic s biologickými objekty i praktický pro optimalizaci ozařování zhoubných nádoru. V této oblasti se předpokládá spolupráce s našimi specialisty v oblasti mikrodozimetrie.

4/ Jaderné reakce pro jadernou fúzi a astrofyziku. Nový urychlovač poskytne nové možnosti pro studium jaderných reakcí významných pro realizaci řízené termonukleární reakce a pro astrofyziku.

5/ Studium radiačního poškození. Mechanismy radiačního poškození konstrukčních materiálu mají základní význam pro odhady životnosti jaderných zařízení, plánování úložišť jaderných odpadu, pro plánování nových zařízení určených pro likvidaci jaderných odpadu (projekty transmutoru jaderných odpadu) a pro projekci zařízení pro řízenou termonukleární reakci jako nového zdroje energie.

6/ Průchod nabitých částic prostředím. Energetické ztráty nabitých částic při průchodu prostředím mají zásadní význam pro jaderné analytické metody, dozimetrii a konstrukci detektoru nabitých částic. Široké spektrum a rozsah energií iontu z nového urychlovače umožní detailní studium takových procesu jako je excitace atomu a s tím spojená emise charakteristického rtg. záření, desorpce atomu při dopadu nabitých částic (sputtering), emise elektronu při interakci nabitých částic s látkami atp. Studium těchto procesu je aktuální jak z hlediska fundamentálního tak i pro rozvoj metod pro analýzu povrchových vrstev látek viz obrázek.

Procesy probíhající v pevné látce indukované procházejícími ionty

Obrázek:  Procesy probíhající v pevné látce indukované procházejícími ionty.

7/ Testování nových detekčních systémů. Předpokládá se využití nového urychlovače pro testování detektoru resp. detekčních systému nabitých částic vyvíjených pro experimenty na velkých urychlovacích v zahraničí. V tomto směru by bylo možné využít i metodu IBIC (Ion Beam Induced Current) pro zjišťování účinnosti sběru náboje a délky driftu nosičů náboje zejména v polovodičových materiálech a součástkách. Spočívá v bombardování objektu mikrosvazkem iontu nebo jednotlivými ionty a měření elektrické odezvy. Metoda má význam pro optimalizaci mikroelektronických komponent a zjišťování jejich radiační odolnosti.

8/ Jaderné analytické metody jsou účinným, v mnoha případech nepostradatelným nástrojem pro studium struktury a složení látek. Podobně jako jiné analytické metody nemohou poskytnout o zkoumaném objektu vyčerpávající informaci. Doplňující údaje musí být získány jinými, komplementárními postupy. Jednou z metod, které jsou rovněž rozvíjeny v ÚJF je neutronové hloubkové profilování (NDP), které využívá pro analýzu lehkých prvku interakce neutronu s atomovými jádry izotopu He, Li, Be, B, N a některých dalších lehkých prvku.

Příkladem použití metody NDP je studium difůze atomu Li v tantalu

Obrázek: Příkladem použití metody NDP je studium difůze atomu Li v tantalu

Zpracovala redakce Věda.cz na základě materiálu Laboratoře analýz a modifikace látek iontovými svazky Ústavu jaderné fyziky AV ČR