離子束分析

離子束分析是用加速器產生的帶電粒子束轟擊材料，與材料原子或原子核相互作用，導致材料發射x-射線、γ-射線、粒子等次級輻射，次級輻射具有發射原子或原子核的特徵，通過次級輻射的測量，測定材料成分及其深度分佈，它們的含量與深度分佈，溝道效應能夠測定單晶材料損傷的深度分佈和原子定位。

常用離子束分析技術有核反應分析(nuclear reaction analysis，NRA)、盧瑟福背散射分析(Rutherford backscattering，RBS)、粒子激發X熒光分析(particle induced X-ray emission，PIXE)、加速器質譜分析(accelerator mass spectrometry，AMS)和溝道效應分析(channeling effect，CE)等。

離子束可以聚焦成亞微米尺度的微束。利用微束的離子束分析（離子束微探針）能夠測定樣品微區的元素成份和含量，通過掃描測量還可以測定樣品元素成份和含量的空間分佈。

加速器產生的一定能量（大於化學結合能，小於核反應閾能或共振能量）的帶電粒子入射到材料，絕大部分與電子碰撞，雖然損失一定能量，但仍沿原來入射方向行進 ^[1]  。極少部分，與靶原子核發生大角度庫侖散射，這種大角度庫侖散射稱為盧瑟福背散射。不同元素散射粒子的能量不同，通過大角度散射粒子（背散射粒子）的探測，可以鑑別元素種類和測定元素含量。入射帶電粒子在其入射路徑和散射粒子在其出射路徑上有一定能量損失，同一元素其所處的深度不同，散射粒子能量不同，通過散射粒子能譜測量可以無損地測量元素深度分佈。盧瑟福背散射可以很好地測量輕基體材料中的重元素，測量不需要標準樣品。

盧瑟福背散射分析中入射帶電粒子的質量小於待分析元素的質量。反之，入射帶電粒子質量大於待分析元素質量，前向彈性反衝探測分析（Elastic recoil detection，ERD），這種方法可以測量重基體材料中的輕元素含量極其深度分佈。

利用原子受激產生的特徵 X射線的能量和強度來進行物質成分和含量測量的方法，稱為粒子激發X熒光分析。加速器產生的帶電粒子、電子、同步輻射x-射線和放射性同位素源發射的α粒子、β粒子和γ（X）光子等轟擊樣品，將元素原子的內層電子激出，在電子原來位置留下一個空穴，原子外層電子填補這個空穴，發射特徵x-射線，各種元素的特徵X射線不同，因此從特徵X射線的能量和強度能夠鑑別元素和測定元素含量。加速器分析中一般採用質子，稱為質子激發X熒光分析。在便攜式裝置中一般採用X激發源，稱為X熒光分析。

核反應一般用A(a,b)B表示，a是入射帶電粒子，A是核反應靶（待分析元素），b是核反應出射粒子，B是核反應生成核。帶電粒子核反應分析是測量加速器產生的帶電粒子a與待分析元素A的核反應的出射粒子b的能譜。由出射粒子b鑑別元素種類，從其產額測定元素含量。核反應出射粒子能譜與入射帶電粒子a和出射粒子b在樣品中的能量損失有關，不同深度處核反應出射粒子能量不同，其強度或峯計數取決於該深度核反應截面和元素含量。從出射粒子能譜，利用能損dE/dX，可以將能譜轉換為元素含量的深度分佈。在用共振反應分析時，通過改變入射粒子的能量測定元素的深度分佈。

溝道效應是加速器產生的帶電粒子束入射到單晶中的一種特殊現象 ^[2]  。一束準直的帶電粒子束與單晶樣品原子的相互作用，當入射帶電粒子束的方向接近或平行與晶體的某一個主晶軸方向或主晶面方向時，核反應、粒子激發X熒光和盧瑟福背散射等近距相互作用事件的產額或幾率大大減少，粒子的射程明顯增加。這種粒子與單晶相互作用呈現強烈方向性的效應稱為溝道效應。利用這個效應進行的分析稱為溝道效應分析。溝道效應的測量是通過核反應、粒子激發X熒光和盧瑟福背散射產額隨入射帶電粒子與晶軸或晶面間的夾角變化進行的。溝道效應分析可以測量材料輻射損傷及其深度分佈和材料中雜質原子的精確地位。

阻塞效應是溝道效應的逆過程。晶體點陣位置上原子核發射的帶電粒子，其出射幾率強烈地依賴粒子出射方向與晶軸或晶面間夾角，在晶軸或晶面方向幾乎沒有出射粒子。

加速器質譜(AMS)分析是將常規質譜技術與加速器技術和離子探測技術相結合，而構成的一種具有超高靈敏度的質譜分析技術。加速器質譜方法可以排除常規質譜分析不能排除的各種本底，使分析靈敏度達到10～10，也就是可以從千萬億個原子中將一個要探測原子分辨出來 ^[3]  。