イオンビーム分析

イオンビーム分析(IBA) は、 MeVイオンビームを使用して固体の表面近くの層の組成を調べ、元素の深さプロファイルを取得する、重要な最新分析技術ファミリーです。IBA は MeV エネルギー範囲に限定されません。FIBや二次イオン質量分析などの技術を使用して低エネルギー (<Kev) で操作することも、LHCなどの機器を使用して高エネルギー (>GeV) で操作することもできます。すべての IBA 方法は高感度で、サブモノレイヤー範囲の元素を検出できます。深さ分解能は通常、数ナノメートルから数十ナノメートルの範囲です。原子レベルの深さ分解能を実現することもできますが、特別な装置が必要です。分析される深さは、数十ナノメートルから数十マイクロメートルの範囲です。IBA 方法は常に定量的で、精度は数パーセントです。チャネリングにより、単結晶の損傷の深さプロファイルを決定できます。

• RBS:ラザフォード後方散乱は、軽いマトリックス内の重元素に敏感です。この技術は、物質の元素組成と深さプロファイリングを決定するために使用されます。
• EBS : 弾性（非ラザフォード）後方散乱分光法は、重いマトリックス内の軽い元素に対しても感度があります。EBS という用語は、入射粒子が非常に高速で移動し、ターゲット核の「クーロン障壁」を超えている場合に使用されます。そのため、点電荷のラザフォード近似では処理できません。この場合、散乱断面積を取得するには、シュレーディンガー方程式を解く必要があります（http://www-nds.iaea.org/sigmacalc/ Archived 2013-07-28 at the Wayback Machineを参照）。
• ERD:弾性反動検出は重いマトリックス中の軽い元素に敏感である
• PIXE:粒子誘起X線放射により微量元素組成がわかる
• NRA:核反応分析は特定の同位体に敏感である
• チャネリング: 高速イオンビームは単結晶の主軸と正確に整列できます。すると、原子の列が互いに「影」を落とし、後方散乱収量が劇的に減少します。格子位置から外れた原子は、目に見える余分な散乱を引き起こします。したがって、結晶への損傷が目に見えるようになり、点欠陥 (格子間原子) を転位と区別することもできます。
• IBIL: イオンビーム誘起発光は、高エネルギーイオンビームがターゲットに衝突し、ネイティブ原子を励起し、外殻遷移の結果として可視光が放出されるときに発生します。^[1]

IBA法の定量的評価には、専用のシミュレーションおよびデータ分析ソフトウェアを使用する必要があります。SIMNRAとDataFurnaceはRBS、ERD、NRAの分析によく使われるプログラムで、GUPIXはPIXEによく使われています。IBAソフトウェアのレビュー^{[2]に続いて、}国際原子力機関が主催したRBS、ERD、NRA専用のいくつかのコードの相互比較が行われました。^[3]

IBA は活発な研究が行われている分野です。デブレツェン (ハンガリー) で開催された最近の主要な核マイクロビーム会議の論文は、NIMB 267(12–13) に掲載されました。

イオンビーム分析は、イオンを試験対象サンプルに導入することでイオン-原子相互作用が生じるという原理で機能します。主要な相互作用により、原子の数、種類、分布、構造配置に関する情報を収集できる生成物が放出されます。これらの相互作用を利用してサンプルの組成を決定するには、目的の放射線を最もよく分離して、必要な感度と検出限界を提供する照射条件と検出システムとともに、手法を選択する必要があります。イオンビーム装置の基本的なレイアウトは、イオンビームを生成する加速器で、このイオンビームは真空ビーム輸送チューブを介してビーム処理装置に送られます。この装置は、目的のイオン種と電荷を分離し、真空ビーム輸送チューブを介してターゲットチャンバーに輸送します。このチャンバーは、精製されたイオンビームがサンプルと接触する場所であり、その結果生じる相互作用を観察できます。イオンビーム装置の構成は、追加のコンポーネントを組み込むことで変更したり、より複雑にしたりできます。イオンビーム分析の手法は、特定の目的に合わせて設計されています。いくつかの技術とイオン源を表 1 に示します。イオンビーム技術の検出器の種類と配置を表 2 に示します。

イオンビーム分析は、生物医学的用途から古代の遺物の研究まで、さまざまな用途に使用されています。この技術が人気なのは、研究対象のシステムに大きな歪みを与えることなく、機密データを収集できるためです。イオンビーム分析の使用で得られた比類のない成功は、ごく最近まで新しい技術が開発されるまで、過去 30 年間、事実上誰にも負けませんでした。その後も、イオンビーム分析の使用は衰えず、その優れた検出機能を活用する用途が増えています。古い技術が一瞬にして時代遅れになる可能性がある時代において、イオンビーム分析は依然として主流であり、研究者がこの技術の用途を拡大するにつれて、成長しているように見えます。

金ナノ粒子は最近、特に癌細胞の含有量の研究において、原子種の数を測定するための基礎として使用されています。^[5]イオンビーム分析は、細胞あたりの原子種の量を数える優れた方法です。科学者は、弾性後方散乱分光法（EBS）と組み合わせてイオンビーム分析を使用することで、正確な定量データを利用できる効果的な方法を発見しました。^[5]金ナノ粒子研究の研究者は、PIXEやXRFなどの他の分析技術と比較して、イオンビーム分析を使用することではるかに大きな成功を収めることができました。^[5]この成功は、EBS信号がイオンビーム分析を使用して深度情報を直接測定できるという事実によるものですが、これは他の2つの方法では行うことができません。イオンビーム分析のユニークな特性は、新しい癌治療ラインで大いに役立ちます。

イオンビーム分析は、考古学的遺物の研究、つまり考古学的測定法としても知られる研究にも非常にユニークな用途がある。^[6]過去 30 年間、これは遺物の内容を保全しながら研究するための非常に好まれた方法であった。多くの人がこの技術の使用で有用であると感じたのは、優れた分析性能と非侵襲性を提供することである。より具体的には、この技術は感度と精度の点で比類のない性能を提供する。しかし、最近では、考古学的測定法の目的で XRF などの X 線ベースの方法を使用する競合するソースが存在する。それでも、最も好まれ、正確なソースはイオンビーム分析であり、軽元素の分析と化学 3D イメージング アプリケーション (つまり、芸術作品や考古学的遺物) では依然として比類のないものである。^{[6] [7]}

イオンビーム分析の3つ目の用途は法医学研究、特に銃弾残留物の特性評価です。現在の特性評価は弾丸に含まれる重金属に基づいて行われますが、製造方法の変化により、これらの分析は徐々に時代遅れになりつつあります。イオンビーム分析などの技術の導入により、この問題は軽減されると考えられています。研究者は現在、走査型電子顕微鏡とエネルギー分散型X線分光計（SEM-EDS）と組み合わせたイオンビーム分析の使用を研究しています。^[8]この設定により、従来の分析では効率的に検出できなかった新旧の化学物質の組成を検出できるようになることが期待されています。^[8]イオンビーム分析で使用される分析信号の量が多く、照明の感度が高いため、法医学の分野に大きな期待が寄せられています。

リチウムなどの軽元素を空間的に分解して検出することは、XRFやSEM-EDSなど、対象原子の電子殻に基づくほとんどの技術にとって依然として困難です。リチウムおよびリチウムイオン電池の場合、リチウムの化学量論とその空間分布の定量化は、放電および劣化のメカニズムを理解する上で重要です。イオンビームの焦点合わせと複数の方法の組み合わせにより、イオンビーム分析は、μmスケールで局所的な充電状態（SoC）を測定する独自の可能性を提供します。^[9]

イオンビームベースの分析技術は、数nmから数μmの深さ領域で、非破壊、標準不要、深さ分解、高精度の元素組成分析を行うための強力なツールセットです。^[10]入射イオンの種類、実験のジオメトリ、粒子エネルギーを変更したり、イオンと固体の相互作用から生じるさまざまな生成物を取得したりすることで、補完的な情報を抽出できます。ただし、分析は、サンプルに比較的重い元素が複数存在する場合の質量分解能、または重いマトリックスに軽い種が存在する場合の感度のいずれかの点で課題となることがよくあります。したがって、2つ以上のイオンビームベースの技術を組み合わせることで、個々の方法の制限を克服し、サンプルに関する補完的な情報を提供できます。^{[4] [5]}

反復的かつ自己矛盾のない分析により、それぞれの独立した測定から得られる情報の精度も向上します。^{[11] [12] [13]}

1960年代に遡って、イオンビーム分析によって収集されたデータは、多数のコンピュータシミュレーションプログラムによって分析されてきました。イオンビーム分析を研究と併せて頻繁に使用する研究者は、このソフトウェアが、観察している分析プロセスを記述するのに正確で適切であることを求めています。^[14]これらのソフトウェアプログラムの用途は、データ分析から、問題のプロセスを詳述する原子データ、数学、および物理学的特性に関する仮定に基づく理論シミュレーションおよびモデリングまで多岐にわたります。イオンビーム分析の目的と実装は長年にわたって変化しており、それをモデル化するために使用されるソフトウェアとコードも変化しています。このような変化は、更新されたソフトウェアが分類される5つのクラスを通じて詳細に説明されています。^{[15] [16]}

1960 年代後半から 1970 年代前半に開発されたすべてのプログラムが含まれます。このクラスのソフトウェアは、データ内の特定の問題を解決しましたが、一般的なケース全体のスペクトルを分析する完全な可能性は提供していませんでした。著名な先駆的なプログラムは、1971 年に Ziegler と Baglin によって開発された IBA です。当時の計算モデルは、イオンビーム分析の後方散乱技術に関連する分析のみに対処し、スラブ分析に基づいて計算を実行していました。この時期には、RBSFIT など、さまざまなプログラムが登場しましたが、イオンビーム分析に関する詳細な知識が不足していたため、正確なプログラムを開発することがますます困難になりました。

新しい波のプログラムが、この次のクラスのソフトウェアでこの精度の問題を解決しようとしました。1980 年代に開発された SQEAKIE や BEAM EXPERT などのプログラムは、直接分析を実行するコードを使用することで、一般的なケース全体を解決する機会を提供しました。この直接的なアプローチでは、サンプルについて何も仮定せずに生成されたスペクトルを展開します。代わりに、分離されたスペクトル信号を計算し、各レイヤーの一連の線形方程式を解きます。ただし、それでも問題は発生し、測定のノイズと不確実性の余地を減らすために調整が行われます。

振り出しに戻って、1990 年代に作成されたこの 3 番目のクラスのプログラムは、一般的なケースを説明するためにクラス A からいくつかの原則を採用していますが、間接的な方法を使用しています。たとえば、RUMP と SENRAS は、サンプルの想定モデルを使用して、微細構造の保持や不確実性の計算などの特性を備えた比較理論スペクトルをシミュレートします。ソフトウェア分析ツールの改善に加えて、後方散乱以外の他の技術 (ERDA と NRA) を分​​析できるようになりました。

クラス C 時代を終えて 2000 年代初頭にかけて、イオン ビーム分析用のソフトウェアとシミュレーション プログラムは、さまざまなデータ収集技術とデータ分析の問題に取り組んでいました。世界の技術の進歩に伴い、プログラムが調整され、より一般化されたコード、スペクトル評価、構造決定の状態に強化されました。SIMNRA などのプログラムは現在、ビームとサンプルとのより複雑な相互作用を考慮しており、散乱データの既知のデータベースも提供しています。

この最近開発されたクラスは、以前のクラスと同様の特徴を持ち、モンテカルロ計算技術の基本原理を利用しています。^[17]このクラスでは、イオンビーム分析で発生する低エネルギーと高エネルギーの両方の物理的相互作用を分析できる分子動力学計算を適用します。このような技術に伴う重要かつ人気のある機能は、計算をイオンビーム分析実験自体にリアルタイムで組み込むことができることです。

• [1] Huddle, James R.; Grant, Patrick G.; Ludington, Alexander R.; Foster, Robert L. (2007 年 8 月)。「イオンビーム誘起発光」。核物理学研究における計測と方法セクション B: ビームと物質および原子との相互作用。261 (1–2): 475–476。Bibcode :2007NIMPB.261..475H。doi :10.1016/j.nimb.2007.04.025 。
• Rauhala E.; Barradas, NP; Fazinic S.; Mayer M.; Szilágyi E.; Thompson M. (2006). 「IBA データ分析およびシミュレーション ソフトウェアの現状」。Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B。244 (2): 436–456。Bibcode :2006NIMPB.244..436R。doi : 10.1016/j.nimb.2005.10.024。hdl : 11858 /00-001M-0000-0027-0B1E-C。
• Barradas, NP; Arstila, K.; Battistig, G.; Bianconi M.; Dytlewski N.; Jeynes C.; Kótai E.; Lulli G.; Mayer M.; Rauhala E.; Szilágyi E.; Thompson M. (2007). 「国際原子力機関のイオンビーム解析ソフトウェアの相互比較」。核物理学研究における計測および方法 B。262 (2): 281–303。Bibcode :2007NIMPB.262..281B。doi : 10.1016 /j.nimb.2007.05.018。hdl : 11858/ 00-001M -0000-0027-0732-B。
• Möller, Sören (2020)、「加速器技術 - 科学、医学、産業への応用」、「粒子加速と検出」、Springer Nature、doi :10.1007/978-3-030-62308-1、ISBN 978-3-030-62307-4、S2CID  229610872

• イオンビーム分析に関する国際会議（IBA に特化した 2 年ごとの科学会議：2007 年、2009 年、2011 年、2013 年、2015 年、2017 年）。
• 応用研究技術における加速器に関する欧州会議 ECAART (3 年ごとの欧州科学会議): 2007 年、2010 年、2013 年、2016 年。
• 粒子誘起X線放出に関する国際会議（PIXEに特化したトリニエル科学会議）：2007年、2010年、2013年、2015年。
• 「核実験装置と方法」：主にIBAの開発と応用に特化した国際的な査読付き科学雑誌
• RBS、EBS、ERD、NRA、MEISスペクトルのシミュレーションと分析のためのSIMNRAプログラム
• SIMNRA を使用した複数の RBS、EBS、ERD、および NRA スペクトルのシミュレーションと分析 (自己無撞着フィッティング) を行う MultiSIMNRA プログラム
• 複数の PIXE、RBS、EBS、ERD、NRA、PIGE、NRP、NDP スペクトルのシミュレーションと分析 (自己無撞着フィッティング) を行う DataFurnace プログラム
• IBAスペクトルのシミュレーション用のNDF（DataFurnaceの基礎となる計算エンジン）の無料版
• PIXEスペクトルのシミュレーションと分析のためのGUPIXプログラム
• PIXE分析用ソフトウェア PIXE分光分析ソフトウェアパッケージの相互比較
• アーヘンイオンビーム イオンビーム分析およびμビームアプリケーション用のハードウェアとソフトウェア