Protonenstrahlanalyse

Bei der Protonenstrahlanalyse wird das zu untersuchende Objekt an Luft mit einem gebündelten Protonen-Strahl (1H-Ionen) aus einem Beschleuniger bestrahlt. Der Strahl hat einen Durchmesser von etwa 1 mm. Ein Teil der Protonen kann an Atomen der Oberfläche reflektiert (gestreut) werden. Der andere Teil dringt in das Material ein und wird abgebremst und die Energie des Protonenstrahls auf die Atomkerne und die Elektronenhülle der Atome längs des Weges übertragen. Im Ergebnis sendet die Probe verschiedene Signale aus (Röntgenstrahlung, Gammastrahlung, an der Oberfläche gestreute Protonen), die mit geeigneten Detektoren gleichzeitig erfasst werden können. Die Messung liefert somit simultan mehrere Informationen über die chemische Beschaffenheit der Probe.

 

Particle Induced X-ray Emission (PIXE)

Beim Eindringen des Protonenstrahls in das Material wird dieser abgebremst und ein Teil seiner Energie auf die die Elektronenhülle der Atome längs des Weges übertragen. Diese senden daraufhin Röntgenstrahlung aus, die das Material verlässt und mit Hilfe eines geeigneten Detektors nachgewiesen wird. Jedes chemische Element emittiert eine für spezifische charakteristische Röntgenstrahlung. Mit deren Hilfe kann das entsprechende Element und seine Konzentration bestimmt werden. Das Verfahren erlaubt die Bestimmung von mehren Elementen gleichzeitig mit Nachweisgrenzen ab 0,01 % Gewichtsanteil.

 

Particle Induced Gamma-ray Emission (PIGE)

Beim Eindringen des Protonenstrahls in das Material wird dieser abgebremst und ein Teil seiner Energie auf die Atomkerne der Atome längs des Weges übertragen. Die Atomkerne senden daraufhin Gammastrahlung aus, die das Material verlässt und mit Hilfe eines geeigneten Detektors nachgewiesen wird. Jedes chemische Element emittiert eine für spezifische charakteristische Röntgenstrahlung. Mit deren Hilfe können das entsprechende Element und seine Konzentration bestimmt werden. Das Verfahren erlaubt die Bestimmung der Konzentrationen vor allem leichter Elemente, z.B. in Glas für das Hauptelement Silicium und die möglichen leichten Begleiter Bor, Natrium, Magnesium und Aluminium. Die hohe Energie der Gammastrahlung ermöglicht das Durchdringen dickerer Materialschichten, z.B. bis unter korrodierte Oberflächen und gibt deshalb Informationen über die ursprüngliche Glaszusammensetzung.

 

Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS)

Beim Auftreffen des Protonenstrahls auf die Probe kann ein Teil der Protonen an der Oberfläche reflektiert (gestreut) werden. Werden von den Protonen auf der Oberfläche nur Elemente eines Atoms als atomare Monolage vorgefunden, so erhalten die gestreuten Ionen ein und dieselbe Rückstreuenergie. Ihre Intensität ist ein Maß für die Konzentration der getroffenen Atome. Werden nun auch tiefer liegende Atome getroffen, dann müssen die zurück gestreuten Ionen durch das darüber liegende Material hindurch an die Oberfläche und verlieren dabei Energie. Dieser Energieverlust ist ein Maß für die Tiefe, in der der Zusammenstoß stattgefunden hat. Die Rutherford Backscattering Spectrometry liefert also Informationen über die Konzentrationsverteilung der Elemente an der Oberfläche und in oberflächennahen dünnen Schichten.