Numéro
Rev. Phys. Appl. (Paris)
Volume 11, Numéro 1, janvier 1976
Page(s) 31 - 45
DOI https://doi.org/10.1051/rphysap:0197600110103100
Rev. Phys. Appl. (Paris) 11, 31-45 (1976)
DOI: 10.1051/rphysap:0197600110103100

X-ray production by ion bombardment

W. Hink

Physikalisches Institut der Universität Würzburg, D-87 Würzburg, R. F. A.


Abstract
The available experimental and theoretical results on ion induced X-rays are briefly surveyed. From experimental data it may be concluded that the mechanism for inner shell excitation by heavy ion-atom collisions is different from that for proton-atom collisions. The latter are described successfully in Plane Wave Born Approximation (PWBA) and in classical Binary Encounter Approximation (BEA), leading to a general agreement with experiment except in the region below about 100 keV, where experimental data begin to fall short of the theoretical approaches. In the case of heavy ion-atom collisions it is supposed that during the collisions resulting from the interpenetration of the atomic shells of the colliding particles a quasi-molecule is formed and inner shell electrons are promoted to higher shells leaving inner shell vacancies after the separation of projectile and target atom, which are filled under emission of X-rays or Auger-electrons alternatively. The important distinction of heavy ion-atom as compared to proton-atom collisions such as much higher cross-sections for comparable velocities of the projectiles, apparent energy shift and line broadening in the X-ray spectra, dependence of fluorescence yield on the energy of the impinging ion are discussed in connection with recent results. As ion-induced X-rays offer in certain cases some extreme advantages over electron and photon methods namely high yield, selectivity and in any case high peak-to-background ratios, examples of the use of ion induced X-rays as an analytical tool are given such as elemental tracing and implanted ion detection.


Résumé
On donne une brève revue des résultats expérimentaux et théoriques sur les rayons X produits par bombardement ionique. On peut conclure des données expérimentales que le mécanisme d'excitation des couches internes des atomes est différent pour des collisions d'ions lourds et de protons. Ces dernières sont décrites de façon satisfaisante dans l'approximation de Born avec des ondes planes et dans l'approximation classique des rencontres binaires. L'accord avec l'expérience est satisfaisant sauf en-dessous de 100 keV. Pendant les collisions entre ions lourds et atomes, on suppose que l'interprétation des couches internes de l'ion et de l'atome produit une quasi-molécule et que des électrons des couches internes sont amenés dans les couches supérieures en laissant des trous dans les couches internes après la séparation du projectile et de l'atome cible. Ces trous peuvent être remplis avec émission de rayons X ou d'électrons Auger. On compare, à la lumière des résultats récents, le cas des ions lourds à celui des protons. On peut noter des sections efficaces beaucoup plus grandes pour des vitesses comparables des projectiles, des décalages en énergie et des élargissement de raies dans le spectre de rayons X, des lois de variation du rendement de fluorescence avec l'énergie de l'ion différentes. Pour l'excitation de rayons X, les ions lourds offrent dans certains cas des avantages considérables sur les photons ou les électrons : rendement élevé, sélectivité et toujours rapports pic sur bruit de fond élevés. On donne avec quelques détails, des exemples d'utilisation des rayons X produits par des ions lourds en l'analyse, traçage d'éléments et détection d'ions implantés.

PACS
0785F - X- and gamma-ray sources, mirrors, gratings, and detectors.
3450F - Electronic excitation and ionization of atoms (including beam-foil excitation and ionization).

Key words
X ray emission -- Radiation sources -- Ion-atom collisions -- Inner-shell excitation -- Heavy ions -- Experimental study -- Theoretical study -- Inner-shell ionization -- Instrumentation -- Cross section (collision) -- Protons -- Alpha particles