离子束分析核反应分析课件.ppt

1、核科学技术学院核科学技术学院定义定义 利用核反应测定样品表层的含量及深度分布的一种分析方法。用带电粒子、中子和射线都可以引起核反应，在核反应分析中通常利用加速器产生的具有一定能量的离子束轰击样品，离子同样品中待分析的核发生核反应，测量反应过程中瞬发放出的反应产物(出射粒子)，就可以实现元素定量分析。分类分类 核反应作为一种分析手段，可分为三类：(i)带电粒子活化分析(CPAA-Charged Particle Activation Analysis)，即粒子束用作产生特定的反射性原子核，通过探测放射性核的衰变，来给出材料组分的分析。(ii)瞬发辐射分析(PRA)，用固定能量轰击靶时测量特征反应

2、产物，来给出材料组分的分析。(iii)共振反应分析(RRA-Resonance Reaction Analysis)，复合核共振截面能量位移和展宽可提供元素在物质中的深度分布信息。综述综述原理原理在原子核反应中，当入射粒子的种类和能量确定后，核反应产生的出射粒子的能量同样品中引起反应的核（靶核）性质有关。用高分辨率探测器，结合粒子鉴别技术，分析出射粒子能谱，根据出射粒子峰的能量和强度，可识别靶核的种类并确定其含量。核反应能谱又同入射粒子和出射粒子在样品中的电离能量损失有关。在样品不同深度处发生反应，产生的出射粒子有不同的能量；而出射粒子的强度同该深度处靶核的含量有关。对于核共振反应，改变入射粒

3、子能量，反应将发生在样品的不同深度，共振反应产额同该处的靶核含量成正比。因此，分析核反应能谱或共振核反应产额曲线可以得到元素的深度分布。综述综述实验方法核反应分析实验中常采用能量在 0.55MeV的p+、d+、4He+等带电粒子。一般用金硅面垒型探测器探测核反应产生的带电粒子,用Nal(Tl)晶体或Ge(Li)探测器探测射线。分析系统同电子计算机连接，可以实现数据自动处理。分析方法分绝对法和相对法。绝对法是根据核反应产额同截面、靶元素含量、入射离子数目、探测立体角等的关系，利用已知的核反应截面计算。相对法是比较在相同实验条件下待测样品和标准样品的产额或能谱实现的。综述综述特点特点核反应分析不仅

4、可作元素的定量分析，而且可测量样品表面或近表面处元素的深度分布。入射带电粒子束可以聚焦，用聚焦后的微束扫描能够进行微区分析。利用重离子核反应对同位素灵敏,可有极高选择性,也是目前分析氢元素在样品中分布的有效方法。选择好的实验条件可以实现两种以上元素的同时分析。分析的绝对灵敏度一般为 10-710-8g，高的可达10-10g；相对灵敏度一般在百万分之几,高的可达百万分之几。分析深度一般在几微米到几十微米，深度分辨率在10100nm，可达2nm。综述综述应用应用主要用于表面或近表面分析，了解样品的元素成分和杂质分布随深度的变化。自1962年利用氧-18示踪研究阳极上氧化铝中氧的转移情况以后，核反应

5、分析技术越来越广泛地应用于各个领域。目前，主要在固体物理中研究扩散现象、薄膜生长机理、表面微量沾污、离子掺杂等，在冶金学中研究金属改性、腐殖现象、表面杂质含量等；在材料科学和半导体工业中对氧化现象、腐殖现象的研究，离子注入器件的分析等；此外，在地质、考古、天体物理及生物医学等方面也越来越多地得到应用。综述综述综述综述 用带电粒子引起的核反应来进行材料的分析用带电粒子引起的核反应来进行材料的分析工作，起始于上世纪五十年代后期，目前已发展工作，起始于上世纪五十年代后期，目前已发展成为一种较为成熟的材料分析手段。特别对于轻成为一种较为成熟的材料分析手段。特别对于轻元素，不仅能给出元素含量，而且能给出

6、元素的元素，不仅能给出元素含量，而且能给出元素的深度分布。深度分布。入射粒子和靶和发生核反应的条件是两者的入射粒子和靶和发生核反应的条件是两者的相对动能必须满足：相对动能必须满足：）费米（相互作用半径，单位为fm)(44.121rMeVrZZE 带电粒子引起的核反应的反应式可写为：带电粒子引起的核反应的反应式可写为：反应前后总电荷值和能量守恒，反应规律遵反应前后总电荷值和能量守恒，反应规律遵从微观量子力学的运动规律，一般情况下发射粒从微观量子力学的运动规律，一般情况下发射粒子为子为光子、中子、质子和光子、中子、质子和粒子。粒子。剩余核靶原子核、发射粒子和分别代表入射粒子、其中：XxXxQXxX

7、x核反应分析原理核反应分析原理1.核反应中的能量关系：核反应中的能量关系：Q方程方程22/1222/1coscosQAAAEAAAAAAAAAAExAAExXXxxXxxxXxXxXxxx核反应分析原理核反应分析原理 阈能阈能该方程可由能量守恒和动量守恒得出，详细推导请参见该方程可由能量守恒和动量守恒得出，详细推导请参见原子核物理教材原子核物理教材P197和和P200。00QEQQmmmExXXxx任意值2.核反应的产额核反应的产额：入射粒子在靶中引起的核反应数与入射粒子数之入射粒子在靶中引起的核反应数与入射粒子数之比。即一个入射粒子在靶中引起核反应的几率称为核反应比。即一个入射粒子在靶中引起

8、核反应的几率称为核反应的产额的产额 截面大产额高。他们的不同之处在截面大产额高。他们的不同之处在于，截面仅仅与反应本身有关，而与靶的状态无关，即于，截面仅仅与反应本身有关，而与靶的状态无关，即靶核的多少，截面都相同。产额除了与截面有关外，还靶核的多少，截面都相同。产额除了与截面有关外，还与靶核的多少及物理状态有关。在核反应分析方法中，与靶核的多少及物理状态有关。在核反应分析方法中，为了能定量的测量，产额是一个很重要的量。为了能定量的测量，产额是一个很重要的量。核反应分析原理核反应分析原理2.核反应的产额核反应的产额：a)加速器束流的品质有一定的能量分布加速器束流的品质有一定的能量分布g(E0,

9、Ei)，代表具有能量在代表具有能量在Ei到到Ei+dEi之间的粒子数占总之间的粒子数占总数的份额，也就是粒子具有能量为数的份额，也就是粒子具有能量为Ei的几率。的几率。产额与能量的关系：受到两种条件的制约。产额与能量的关系：受到两种条件的制约。b)粒子穿透一定的深度后会产生一定的能量歧离粒子穿透一定的深度后会产生一定的能量歧离f(Ei,E,x)，表示表示能量为能量为Ei的粒子在进入深度为的粒子在进入深度为x处时，由于能损，使其能量变为处时，由于能损，使其能量变为E到到E+dE之间的几率。之间的几率。E0dEg所以，深度所以，深度x处，待测元素含量为处，待测元素含量为C(x)的反应产额为：的反应

10、产额为：00000)(),(),()()(dxdEdEExEEfEEgxCKEYiiiK是与待测核素有关的常数，上式称为反应产额公式。是与待测核素有关的常数，上式称为反应产额公式。核反应分析原理核反应分析原理3.核反应截面核反应截面：反应截面与能量的关系反应截面与能量的关系(B-W公式）：公式）：ERR 应几率粒子分宽度，决定于反为性散射几率粒子分宽度，决定于弹为x:x:412/22xxxxRRREEE详细推导请参见原子核物理教材详细推导请参见原子核物理教材P229-P232。核反应分析原理核反应分析原理4.深度分布深度分布：对于共振反应，在共振能量对于共振反应，在共振能量ER附近，改变入射能

11、量附近，改变入射能量E0。测量测量反应产额随反应产额随E0的关系，可以给出深度分布的信息的关系，可以给出深度分布的信息：如果如果 E0=ER 则只在表面处发生共振反应则只在表面处发生共振反应如果如果 E0ER 则离子能量在靶物质中慢化到共振能量则离子能量在靶物质中慢化到共振能量ER时，时，发生共振反应，因此，产额曲线的形状就反映发生共振反应，因此，产额曲线的形状就反映 出深度分布的信息出深度分布的信息核反应分析原理核反应分析原理 入射粒子入射粒子 a E0到探测器到探测器（a）道数道数（b）xE2(x)E1(x)bE3(x)Y(E3)dE3122核反应能谱分析法确定深度分布示意图核反应能谱分析

12、法确定深度分布示意图 样品样品A(a,b)B4.深度分布深度分布：5.含量的测定含量的测定：绝对测量：绝对测量：利用产额公式，并求出或测量出入射粒子的利用产额公式，并求出或测量出入射粒子的 总数、探测器的立体角、反应截面和探测效率等量。因此，总数、探测器的立体角、反应截面和探测效率等量。因此，绝对测量结果精度不高，而且计算繁琐（三重积分）。绝对测量结果精度不高，而且计算繁琐（三重积分）。含量测定方法可分为绝对测定和相对测定两种含量测定方法可分为绝对测定和相对测定两种 相对测量：相对测量：利用已知元素含量和均匀分布的标样，如果待利用已知元素含量和均匀分布的标样，如果待测样品的含量也是均匀分布的，

13、则产额积分中的两项积分测样品的含量也是均匀分布的，则产额积分中的两项积分就可以省略，即：就可以省略，即：00000)()()()()(ERdEESEKCdxExCKEY核反应分析原理核反应分析原理5.含量的测定含量的测定：对于共振反应：对于共振反应：S(E)=S(ER)=Const，即只在一小薄层内即只在一小薄层内00002/)(2)()()(0EEERRREEEREEarctgESKCdEEESKCEY 式中已对截面项进行了积分，截面公式采用前面的式中已对截面项进行了积分，截面公式采用前面的Breit-Wigner公式。公式。相对测量方法，误差主要来源于样品的制备，其他的系统误相对测量方法，

14、误差主要来源于样品的制备，其他的系统误差和测量误差都可以减小到最小。因此建议精确测量时采用差和测量误差都可以减小到最小。因此建议精确测量时采用相对法。相对法。核反应分析原理核反应分析原理实验技术和设备实验技术和设备4.获取的谱线实例（如图）获取的谱线实例（如图）X轴对应于靶的深度，轴对应于靶的深度，Y轴对应轴对应于反应产额的强度，即出射的反于反应产额的强度，即出射的反应物质如应物质如射线和带电粒子的强射线和带电粒子的强度。度。实验技术和设备实验技术和设备实验技术和设备实验技术和设备实验技术和设备实验技术和设备实验技术和设备实验技术和设备NRA分析的应用实例分析的应用实例NRA分析的应用实例分析的应用实例NRA分析的应用实例分析的应用实例