核反应分析NuclearReactionAnalysis(NRA)

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核分析技术-活化分析-2018z

活化分析简介——发展简史
开创阶段（1936-1948）
1938年美国化学家西博格和利文格德用加速器产生的氘束测定了纯铁中的镓，进行了第一次带电粒子活化分析。与此同时，费米等企图用中子轰击铀来制备超铀元素，发现了核裂变。 1942年建成了可提供比同位素中子源要高得多的通量的反应堆。
活化分析简介——发展简史
应用阶段（1970至今）
进入七十年代后，活化分析大规模地应用于环境科学、生物学、医学、材料科学、地球化学、考古学以及其他部门。活化分析已走出核物理和放射化学实验室而进入各个学科的分析实验室和工矿企业之中。
活化分析简介——发展简史
我国发展情况
1958年，我国第一座实验室重水反应堆建成，随即利用该堆开展了堆中子活化分析工作，以后又在14MeV活化分析、带电粒子活化分析等方面取得了一些进展。原子能工业、环境保护、地质勘探、高纯材料及生物医学等方面。 1978年，我国举行了第一次全国活化分析学术会议。
活化分析简介——发展简史
巩固阶段（1948-1959）
1948年，出现了NaI 闪烁探测器，反应堆和探测器将活化分析推进到一个新阶段。 1951年，雷第考脱等人首次用反应堆进行热中子活化分析，使活化分析成为一种当时具有最高灵敏度的分析方法。用活化分析能测定 ppm 以至ppb级，甚至含量更低的杂质元素，为当时的原子能工业、半导体材料及地球化学的发展做出了重要贡献。在痕量分析中确立了活化分析的地位。
活化分析简介
作业与思考题
1）活化、活化分析、中子活化分析、中子瞬发γ射线活化分析的概念。 2）活化分析的特点。 3）活化分析的分类。 4）活化分析的工作步骤。
中子活化分析

核反应的核素转变及产物分析

核反应的核素转变及产物分析核反应是指核素之间发生的转变过程，其中一个核素转变为另一个核素。

核反应是核能利用和核武器制造的基础，对于研究核物理和核化学也具有重要意义。

本文将介绍核反应的核素转变及产物分析。

一、核反应的基本概念核反应是指核素之间发生的转变过程，其中一个核素转变为另一个核素。

核反应可以通过撞击、俘获中子、放射性衰变等方式触发。

核反应可以分为两类：裂变和聚变。

1. 裂变：裂变是指重核（如铀、钚等）被中子轰击后分裂成两个或多个较轻的核片段的过程。

裂变反应是核能利用的基础，通过裂变反应可以释放大量的能量。

2. 聚变：聚变是指轻核（如氘、氚等）在高温高压条件下融合成较重的核的过程。

聚变反应是太阳和恒星的能量来源，也是未来核能利用的发展方向。

二、核反应的核素转变核反应的核素转变是指在核反应中，原子核的质子数和中子数发生变化。

核反应可以通过核方程式来描述，核方程式的形式为：原子核1 + 原子核2 → 新核 + 新核 + 产生的粒子/能量在核方程式中，原子核1和原子核2是反应物，新核是产物，产生的粒子/能量是反应过程中释放或吸收的粒子或能量。

核反应的核素转变可以通过核反应截面来描述，核反应截面是指单位时间内发生核反应的概率。

核反应截面与入射粒子的能量、反应物的核素、反应物的角动量等因素有关。

三、核反应产物的分析核反应产物的分析是研究核反应过程中产生的新核和产生的粒子/能量的性质和行为。

核反应产物的分析可以通过实验方法和理论计算方法来进行。

1. 实验方法：实验方法是通过实验手段来观测和测量核反应产物的性质和行为。

实验方法包括核探测技术、质谱技术、放射性测量技术等。

通过实验方法可以确定核反应的截面、产物的能量、产物的衰变方式等信息。

2. 理论计算方法：理论计算方法是通过数学模型和计算方法来预测和计算核反应产物的性质和行为。

理论计算方法包括核反应截面计算、核反应路径计算、核反应产物的能量分布计算等。

通过理论计算方法可以预测核反应的结果和产物的性质。

核分析技术-活化分析

靶核数目为 N 6.023 10
23

W为靶元素的质量，M为靶元素相对原子质量，6.023×1023 为阿伏伽德罗常数。将N值代入上式，得
W ，θ为靶核的天然丰度， M
W A t ' 6.023 10 f (1 e 0.693t / T1 / 2 )e 0.693t '/ T1 / 2 M
样品照射后，一般并不立即进行放射性测量或实验，而是让放射性样品“冷却”（即衰变）一段时间，于是在辐射结束后t’时刻的放射性活度为
A t ' A t e t ' f N (1 e 0 . 693 t / T1 / 2 ) e 0 . 693 t ' / T1 / 2
12
则 Q 931 （ mi - mp）
初始产物
=931(12.000000+1.00866522-11.0114333-2×1.00866522) =-931×0.0200985=-18.7 兆电子伏 E阈=m m Q = -(18.7) 12.000000 1.00866522 m 12.000000
根据核反应速度f N和生成核的衰变速度，可得放射性核的净生长速度
设N远大于Nt，N可视为常数，利用初始条件t=0时，Nt=0 ，则上述微分方程的解为
根据t1/2与的关系以及放射性强度At=Nt，则
A t f N (1 e 0.693 t / T1 / 2 )
产额公式
放射性核素的生长曲线
放射性核素在单位时间内的衰变数目。称为该核素的衰变常数，表示放射性核素在单位时间的衰变几率；Nt为放射性核素在t时刻的数目，在核反应过程中， Nt不是一个常数，而是变量。将上式积分，得 Nt=N0e-t N0为t=0时放射性核素的数目。由该式可求出放射性核素衰变到初始数目一半时所需的时间t1/2 1/2N0=N0e-T1/2 ln2= T1/2 T1/2=0.693/

核反应过程分析

核反应过程分析在我们生活的这个世界中，能源的获取和利用一直是人类社会发展的关键问题。

而核反应，作为一种强大而神秘的能源产生方式，一直备受关注。

那么，核反应究竟是怎样的一个过程呢？让我们一起来深入探究一下。

首先，我们要明白核反应分为两种主要类型：核聚变和核裂变。

核裂变，简单来说，就是一个重原子核分裂成两个或多个较轻原子核的过程。

就好像一个大的“物体”被拆分成了几个小的“部分”。

在这个过程中，会释放出巨大的能量。

以铀235 为例，当它吸收一个中子后，会变得不稳定，然后分裂成两个或三个碎片，同时释放出更多的中子和大量的能量。

这些释放出的中子又可以继续引发其他铀 235 原子核的裂变，从而形成链式反应。

这就是为什么在核反应堆中，我们能够持续地获得能量。

那么，这些能量到底有多大呢？举个例子，一克铀 235 完全裂变所释放的能量，相当于约 2 吨煤完全燃烧所释放的能量。

这是一个极其惊人的数字，也正是核裂变能够成为重要能源来源的原因之一。

然而，核裂变也不是毫无缺点的。

核废料的处理就是一个大问题。

由于裂变产物具有放射性，需要妥善处理和存放，以避免对环境和人类健康造成危害。

接下来，我们再看看核聚变。

核聚变是指将轻原子核结合在一起形成较重原子核的过程。

最常见的核聚变反应是氢的同位素氘和氚聚变成氦，并释放出巨大的能量。

与核裂变相比，核聚变有许多显著的优点。

首先，核聚变的燃料在地球上非常丰富，比如海水中就蕴含着大量的氘。

其次，核聚变产生的放射性废料相对较少，而且其放射性半衰期较短，对环境的影响较小。

此外，核聚变过程中不会产生像核裂变那样容易失控的链式反应，安全性相对较高。

但是，要实现可控核聚变却面临着巨大的挑战。

核聚变需要极高的温度和压力条件，目前的技术还难以实现长期稳定的可控核聚变反应。

科学家们正在努力研究，希望能够攻克这一难题，为人类带来几乎无限的清洁能源。

在核反应的过程中，原子核的变化会伴随着能量的释放或吸收。

这是因为原子核内部存在着一种叫做结合能的东西。

核化学中的原子核反应研究

核化学中的原子核反应研究在核化学领域中，研究的一个重要方向是原子核反应。

原子核反应是指原子核之间或原子核与粒子之间发生相互作用，其中能量和粒子会从一个系统转移到另一个系统。

原子核反应研究有着重要的理论意义和应用价值，它不仅关系到核反应堆、原子弹和核能的安全应用，也涉及到物质的合成、宇宙演化和生命起源等基础科学问题。

原子核反应可以分为两种类型，一种是核裂变反应，另一种是核聚变反应。

核裂变反应是指重核（一般指铀、钚等超过铁核的原子核）受到中子撞击后不稳定变化，放出带有能量的中子，并发生裂变，最后释放大量能量。

核聚变反应则是指两个轻核融合成为一个重核的反应过程，通常需要高温高压等条件才能进行。

在原子核反应研究中，有几个重要的参数需要被考虑到，如反应截面、反应速率、能谱等。

反应截面是指在给定的粒子能量下，发生原子核反应的概率。

反应速率是相对于时间单位，单位体积内反应发生的次数。

能谱是指反应产物的能量分布情况。

原子核反应的研究方法主要有两种，实验方法和理论方法。

实验方法是指对原子核反应进行物理实验，通过对反应产物的变化进行检测，来获得反应截面、能量、速率等信息。

理论方法则是通过计算机模拟等手段来预测反应过程中某些重要参数的数值。

目前，一项重要的原子核反应研究是研发优化核反应堆。

反应堆中的核反应需要平稳地进行，以获得可控的能量输出。

因此需要对反应堆中的核反应进行详细的研究，以便预测和控制反应过程中的一些重要参数，如反应速率、反应截面等，从而保证安全性和效率。

同时，在核能的开发利用中，核反应堆外还有一项重要的问题就是核废料的处理和存储。

核废料的产生是由于核反应堆运行时产生大量废料，这些废料会产生辐射，并对人类健康和环境造成严重的影响。

因此，处理和存储核废料也是核化学中的重要课题。

在处理核废料的过程中，需要考虑到不同核废料种类的特性，并采取合适的技术手段来保证废料的安全处理和储存。

除了应用方面的研究之外，原子核反应研究还有基础科学意义，它涉及到宇宙的起源和演化、物质的合成等问题。

中子活化分析技术

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2. 超精细相互作用核分析（Hyper fine effect analysis）
• 利用原子核的磁矩和电四极矩与周围电磁场之间的相互作用，分析核能级的移动和分裂，获得周围环境的信息，从而探测物质的微观结构。主要的超精细相互作用核分析包括穆斯堡尔效应（Mössbauer effect）、扰动角关联效应、核磁共振效应、正电子湮灭效应（Positron-annihilation technique， PAT）、中子衍射（Neutron diffraction）和中子散射（Neutron scattering）技术等。
中子的基本性质（The basic property of neutron） Mass ---- >Mp , Mn=1.008665012 u Charge ---- zero 实验测得中子在电场中偏转 → (-1.5 ± 2.2) ×10-20 e Half life ---- 10.69 min n → 1H + e + 反中微子 Decay energy ---- Emax = (782 ±13) keV Spin ---- 1/2
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3.活化分析
• 活化分析技术始于1936年，是检测荷能中子束或带电粒子束轰击试样所产生的瞬发辐射和缓发辐射，这种分析技术近年来还用于分子活化分析和体内活化分析中。 • 活化分析主要包括带电粒子活化、γ射线活化和中子活化三种。其中，中子活化分析灵敏度高、精度好，并可进行多个元素的同时测定。活化分析的这些特点，在环境研究中尤为凸显。例如，对于长距离大气输送问题，极区大气颗粒的化学组成和来源，以及某些特殊情况下的环境背景值测定等，当要求具有更高的灵敏度与准确度时，使用其它传统方法是难以满足要求的。活化分析技术对于固体环境样品（如大气尘埃、气溶胶、植物样品、大气悬浮物等）中的痕量元素分析也具有明显的优越性。

核反应分析Nuclear Reaction Analysis(NRA)

Lanzhou University
核反应分析
Nuclear Reaction Analysis (NRA)
主讲：Zhang Xiaodong
Department of Modern Physics in Lanzhou University
4.1.引言：引言：引言
1. RBS分析轻基体中的重元素含量，简便易行。分析轻基体中的重元素含量，分析轻基体中的重元素含量简便易行。 2. PIXE分析中重元素，灵敏且精度较高，方便易行，分析中重元素，分析中重元素灵敏且精度较高，方便易行，用途广泛。用途广泛。
为x' 粒子分宽度，决定于反应几率
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。。
4.3.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 R附近，改变入射能量 0。测量对于共振反应，在共振能量E 附近，改变入射能量E 反应产额随E 的关系，可以给出深度分布的信息：反应产额随 0的关系，可以给出深度分布的信息：如果 E0=ER 则只在表面处发生共振反应则离子能量在靶物质中慢化到共振能量ER时如果 E0>ER 则离子能量在靶物质中慢化到共振能量时，发生共振反应，因此，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
Y (E0 ) = K
∫
R0
0
C ( x )σ ( E ) dx = KC
∫
0
σ (E )
S (E )
E0
dE
4.3.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，

北京大学4.5MV静电加速器核反应分析系统

㊀第５３卷第５期原子能科学技术V o l ．５３,N o ．５㊀２０１９年５月A t o m i cE n e r g y S c i e n c e a n dT e c h n o l o g yM a y ２０１９北京大学４５M V 静电加速器核反应分析系统高㊀原,朱吉鹏,秦利青,肖㊀璇,王宇钢,颜㊀莎∗(北京大学物理学院核物理与核技术国家重点实验室,北京㊀１００８７１)摘要:为满足对聚变堆面向等离子体材料中氘氚滞留问题的研究,北京大学４５MV 静电加速器在原束线基础上新增核反应分析系统,该系统使用能量０８~３６M e V 的H ＋㊁D ＋㊁３H e ＋和４H e＋粒子束流,可对核反应微分截面和样品中元素浓度的深度分布进行测量分析.本文对核反应分析原理㊁核反应分析系统的设备布局和实验方法进行了讨论,并以D (３H e ,p)４H e 核反应为例,分析了微分截面计算和样品中氘元素浓度深度分布的数据结果,其深度分辨小于１５μm ,实验误差约为７５％.关键词:静电加速器;核反应分析;微分截面;元素浓度深度分布中图分类号:T L ５２㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:１０００Ｇ６９３１(２０１９)０５Ｇ０９０６Ｇ０７收稿日期:２０１８Ｇ０７Ｇ０９;修回日期:２０１８Ｇ１０Ｇ２１基金项目:国家磁约束核聚变专项资助项目(２０１３G B １０９００４);国家自然科学基金资助项目(１１３０５００５)作者简介:高㊀原(１９８３ ),男,山东济南人,工程师,博士,核技术及应用专业∗通信作者:颜㊀莎,E Ｇm a i l :s ya n ＠p k u ．e d u ．c n 网络出版时间:２０１９Ｇ０１Ｇ０４;网络出版地址:h t t p:ʊk n s ．c n k i ．n e t /k c m s /d e t a i l /１１．２０４４．T L ．２０１９０１０２．１４２８．００４．h t m l d o i :１０．７５３８/y z k ．２０１８．yo u x i a n ．０５０７N u c l e a rR e a c t i o nA n a l y s i s S ys t e m o f ４５M VE l e c t r o s t a t i cA c c e l e r a t o r a t P e k i n g U n i v e r s i t yG A O Y u a n ,Z HUJ i p e n g ,Q I N L i q i n g ,X I A O X u a n ,WA N G Y u g a n g,Y A NS h a ∗(S t a t eK e y L a b o r a t o r y o f N u c l e a rP h y s i c s a n dT e c h n o l o g y ,S c h o o l o f P h y s i c s ,P e k i n g U n i v e r s i t y ,B e i j i n g １００８７１,C h i n a )A b s t r a c t :㊀I no r d e r t o s a t i s f yt h e r e s e a r c ho f t h e d e u t e r i u ma n d t r i t i u mr e t e n t i o n i n p l a s Ｇm a f a c i n g c o m p o n e n t s o f f u s i o n r e a c t o r ,a n u c l e a r r e a c t i o n a n a l y s i s s y s t e m w a s d e s i gn e d a n d i n s t a l l e db a s e do nt h eo r i gi n a lb e a m l i n eo f４５MV e l e c t r o s t a t i ca c c e l e r a t o ra t P e k i n g U n i v e r s i t y ．W i t ht h i sn u c l e a rr e a c t i o na n a l y s i ss ys t e m ,H ＋,D ＋,３H e ＋a n d ４H e ＋b e a m sc a nb e p r o v ide d i nt h e i o ne n e r g y r a n ge f r o m０８M e Vt o３６M e V．T h e d i f f e r e n t i a l c r o s s s e c t i o n o f t h e n u c l e a r r e a c t i o n a n d t h e d e pt hd i s t r i b u t i o n o f t h e e l e m e n t c o n c e n t r a t i o n i n s a m p l e s c a nb e a c h i e v e db y t h i s s y s t e m．T h e p r i n c i pl eo f n u c l e a r r e a c Ｇt i o na n a l y s i s ,t h e e q u i p m e n t l a y o u t a n d t h e e x pe r i m e n tm e t h o dw e r e d i s c u s s e d ,a n d t h e d a t a a n a l y s i s r e s u l t s o fD (３H e ,p )４H e n u c l e a r r e a c t i o nw e r e s h o w n a s a p p l i c a t i o n e x a m Ｇp l e s o f t h i s s y s t e m．I n a d d i t i o n ,t h e d e p t h r e s o l u t i o n o f l e s s t h a n １５μma n d t h e e x pe r i Ｇm e n t a l e r r o r of ７５％w e r e a c h i e v e dw i t h t h i s s ys t e m．K e y w o r d s:e l e c t r o s t a t i ca c c e l e r a t o r;n u c l e a rr e a c t i o na n a l y s i s;d i f f e r e n t i a lc r o s ss e cＧt i o n;d e p t hd i s t r i b u t i o no f e l e m e n t c o n c e n t r a t i o n㊀㊀基于加速器的离子束分析技术自２０世纪６０年代至今,已在材料科学㊁考古学㊁地球与环境科学㊁生物学㊁核安全与防护㊁原子核物理㊁医学等领域具有广泛的应用[１Ｇ３].目前的离子束分析技术主要包括核反应分析(n u c l e a rr e a cＧt i o na n a l y s i s,N R A)㊁粒子诱发X荧光光谱分析(p a r t i c l e i n d u c e dXＧr a y e m i s s i o n,P I X E)㊁粒子诱发伽马射线分析(p a r t i c l e i n d u c e d g a m m aＧr a y e m i s s i o n,P I G E)㊁卢瑟福背散射谱分析(R u t h e r f o r db a c k s c a t t e r i n g s p e c t r o m e t r y,R B S)㊁弹性反冲分析(e l a s t i c r e c o i l d e t e c t i o n,E R D)㊁扫描透射离子显微镜(s c a n n i n g t r a n s m i s s i o n i o n m i c r o s c o p e,S T I M)等.其中N R A方法是利用加速器产生的带电粒子(多为轻离子)轰击待测样品发生核反应,通过探测分析核反应产生的瞬发产物(如α㊁中子和γ)获取样品内特定元素的含量和深度分布等信息.N R A方法具有核素灵敏度高㊁选择性强㊁非破坏性㊁分析迅速㊁低本底等特点,相比R B S㊁P I X E等方法,N R A 更适用于重基体中轻元素核素浓度深度分布分析.N R A方法一般使用百k e V至数M e V的入射粒子,分析深度一般在μm量级[４].近年来,随着国内外聚变堆装置相关研究的迅速发展,氘氚核燃料在面向等离子体部件(p l a s m a f a c i n g c o m p o n e n t s,P F C s)的材料中的滞留问题逐渐成为聚变堆装置面临的严峻问题之一[５].氘氚滞留一方面不利于装置稳定运行,另一方面还会造成放射性污染,此外其反应产物３H e会导致P F C s材料的氦脆等损伤.要研究这一问题就需对P F C s材料中氢同位素的含量和深度分布进行测量分析.国际上,德国马克斯普朗克等离子物理研究所的M a y e r等发展了基于加速器的N R A方法,采用多能点D(３H e,p)４H e反应对P F C s中的氘浓度深度分布进行了分析研究[６],国内目前较为缺少这方面的研究手段.基于上述研究相关的国内需求,北京大学物理学院重离子物理研究所４５MV静电加速器在原有束线基础上,设计新增了N R A系统,该系统可利用加速器提供能量范围为０８~３６M e V的H＋㊁D＋㊁３H e＋和４H e＋束流,通过多能点核反应实验进行分析,从而进行核反应微分截面和样品中元素浓度深度分布的测量.本文就该N R A系统的基本原理及设备布局进行介绍,并以D(３H e,p)４H e核反应实验为例分析实验方法和测量结果.１㊀核反应分析原理核反应分析利用一定能量的入射粒子轰击靶上元素发生核反应,通过测量反应瞬发产物的能量和产额确定靶上元素种类和含量[７].以瞬发产物为带电粒子的核反应为例,低能非相对论下的核反应可表示为:M０＋M１ңM２＋M３＋Q(１)其中:M０为入射粒子,M１为靶上粒子,M２和M３为反应出射粒子,粒子对应的质量分别为图１㊀核反应分析原理图F i g．１㊀P r i n c i p l e o f n u c l e a r r e a c t i o na n a l y s i s m０㊁m１㊁m２㊁m３;Q为反应释放或吸收的能量.核反应分析原理图如图１所示,假设入射粒子M０在深度x处的能量为E i n,则θ角度出射粒子M２在深度x处的能量E o u t可表示为:E o u t＝(AʃA２＋B)２(２)其中,A＝m０m２E i nm２＋m３c o sθ,B＝m１Q＋E i n(m３－m０)m２＋m３.当式(１)中的Q＞０时,核反应为放能反应,但入射粒子仍需克服库仑势垒;当Q＜０时,核反应为吸能反应,需入射粒子能量大于反应７０９第５期㊀㊀高㊀原等:北京大学４５MV静电加速器核反应分析系统阈值E t h .E t h ＝－Q m ０＋m １m １(３)㊀㊀反应出射粒子产额Y 可表示为:Y ＝N ０ΩσN tS (E )(４)㊀S (E )＝K c o s αi n S i n (E )＋１c o s αo u tS o u t (E )(５)其中:N ０为入射粒子数;Ω为探测器立体角;σ为核反应截面;N t 为深度x 处的元素原子面密度;S (E )为有效能损因子;αi n 和αo u t 分别为入射角和出射角;S i n (E )和S o u t (E )分别为入射粒子和出射粒子的能损因子;K ＝E o u t /E i n ,为核反应因子.设δE 为多道分析器每道的道宽,则通过探测器获得的第i 道计数为:N i ＝N ０ΩσN tS (E )δE (６)㊀㊀实际上,由多道分析器采集的能谱是元素在基体中深度分布和反应截面及入射能损的卷积,需使用S I MN R A 等软件进行解谱.在实际分析中,可使用已知浓度分布的标样(其对应物理量符号加注下标s )作为对比,从而确定待测样品元素浓度分布.N t ＝N t sN i N i s S (E )S s(E )(７)㊀㊀此外,整个测量系统的深度分辨Δx 可以定义为:Δx ＝ΔE /S (E )(８)其中,ΔE 为能量展宽,包括探测器的能量分辨率和电子学噪声㊁几何因素(探测器立体角和束斑面积)㊁入射和出射粒子在靶样品以及探测器前吸收片中的能量歧离㊁多次散射引起的能散㊁入射束能散等.深度分辨可使用R e s o l N R A软件进行计算[８Ｇ９].２㊀仪器布局及实验方法４５M V 静电加速器于１９９１年投入运行,是北京大学和原上海先锋电机厂联合研制的国产单端加速器.该设备端电压目前可达３８M V ,可加速氢氦同位素离子,束流强度最高为１０μA ,能量稳定度为ʃ１k V ,并可通过加速粒子打靶提供１９M e V 以下连续或脉冲形式的中子场,近年来主要用于进行中子核物理㊁核反应分析和材料或器件辐照等实验[１０Ｇ１１].图２为４５MV 静电加速器的布局示意图,该加速器为垂直式单端加速器,离子由安装在加速器主体高压罩内的离子源产生,通过垂直于地面的加速管(真空度为５ˑ１０－５P a)升至特定能量,经垂直束线传输后由９０ʎ和双４５ʎ分析磁铁转为水平束线,终端接４个实验靶室.高压罩内离子源为高频离子源,通过热阀与H ２㊁D ２㊁４H e ２和３H e ２４路气体罐连接,其中３H e ２气体罐压力为０１５M P a .N R A 终端靶室(真空度为５ˑ１０－４P a )位于主体大厅９０ʎ分析磁铁后,载能束流由９０ʎ分析磁铁进行偏转,通过调节磁场强度使其仅允许特定荷质比的离子通过,能量偏差约为０１％,该靶室前安装有x 方向电扫描及y 方向磁扫描装置,用于配合光阑对束斑形状进行调制.N R A 实验的束斑尺寸一般小于５m mˑ２m m ,此时样品表面流强约为１０~３０n A ,此束流参数的设定在保证数据采集效率的同时,一方面避免束斑过大引起深度分辨变差,另一方面避免束流过强引起样品辐照损伤以及探测器死时间变大.图２㊀北京大学４５MV 静电加速器布局示意图F i g．２㊀S c h e m a t i c o f ４５MVe l e c t r o s t a t i c a c c e l e r a t o r a tP e k i n g U n i v e r s i t y图３为N R A 实验终端的装置示意图,以D (３H e ,p )４H e 核反应测量为例.在半径７７m m 的圆周上,与入射方向夹角１３５ʎ处放置N R A ＧP 路金硅面垒半导体探测器(耗尽层厚度２０００μm ),探测样品处核反应出射的质子,探测器前置５０μm 厚度的M yl a r 膜实现粒子鉴别,屏蔽低能的３H e 背散射粒子和４H e 产物,并在探测器前加装３m mˑ１７m m 弧形狭缝,用以限制探测器立体角从而减少能量展宽,提高深度分辨,该狭缝对应的探测器立体角为８１m s r;与入射８０９原子能科学技术㊀㊀第５３卷方向夹角１５３ʎ处放置R B S Ｇ３H e 路金硅面垒半导体探测器(耗尽层厚度５００μm ),收集３H e 背散射粒子,用于归一化入射粒子数,探测器前加装直径１m m 的圆孔形狭缝,防止计数过高造成信号堆积,该狭缝对应探测器立体角为０１２８m s r .多面样品架用于同时安装多组待测样品,可远程控制旋转角度,样品架与旋转轴之间采用绝缘陶瓷环连接,以使其与靶室绝缘.样品架通过同轴线缆连接束流积分仪,可实时监测束流,但由于二次电子以及样品导电性的差异,束流积分仪的数值仅供监测束流状态使用.图３㊀N R A 实验终端的装置示意图及靶室内部图F i g ．３㊀S c h e m a t i c o f e x p e r i m e n t a l s e t u p f o rN R A m e a s u r e m e n t t e r m i n a l a n d i n s i d e v i e wo f t e r m i n a l c h a m b e r两路探测器通过真空B N C 接口与靶室外的前置放大器连接,并经过主放大器㊁多道采集卡由计算机采集能谱,核电子学设备均采用O R T E C 产品,其型号列于表１.考虑到信号噪声对测量的影响,设备连接中均使用绝缘法兰和隔离变压器使信号地与加速器公共接地端隔离,噪声信号可控制在１２m V 以内.整个探测系统使用２４１A m 放射源进行测试,可得N R A ＧP路和R B S Ｇ３H e 路在５４８６M e V 时的能量分辨率分别为０４２％和０３８％.计算机多道采集软件保存的能谱经S I MN R A 程序进行拟合解谱后,可获得反应截面㊁元素浓度㊁深度分布等数据[１２].表１㊀N R A 系统核电子学仪器型号列表T a b l e １㊀T y p e l i s t o f n u c l e a r e l e c t r o n i c i n s t r u m e n t a t i o nu s e d i nN R As ys t e m O R T E C 仪器名称N R A 系统核电子学仪器型号N R A ＧP 路R B S Ｇ３H e 路金硅面垒探测器B A Ｇ０２２Ｇ３００Ｇ２０００B A Ｇ０１２Ｇ１００Ｇ５００前置放大器１４２A １４２A 主放大器５７０５７２A 高压电源４２８４２８多道分析仪T R UM P ＧP C I Ｇ８K T R UM P ＧP C I Ｇ２K 多道采集软件MA E S T R O Ｇ３２MA E S T R O Ｇ３２３㊀D (３H e ,p)４H e 反应微分截面测量计算核反应微分截面是描述核反应出射粒子角分布特征的物理量,可通过N R A 系统获得特定立体角下微分截面随入射粒子能量变化的关系,从而描绘该角度下微分截面的激发曲线.４５M V 静电加速器可提供能量０８~３６M e V的３H e ＋离子束,这一能区下D (３H e ,p )４H e 的微分截面在I B A N D L 和E X F O R 数据库中的数据较少,利用上述N R A 系统对该反应的实验室坐标系下１３５ʎ处的激发曲线进行测量计算[１３].实验使用非晶氘化烃硅基薄膜样品作为标样,薄膜尺寸为１０m mˑ２０m m ,氘浓度为１４ˑ１０１８c m －２.对薄膜样品,有:σ(E )＝Y /N ０ΩN t(９)㊀㊀图４为能量２２M e V 的３H e＋粒子垂直入射标样所得１３５ʎN R A ＧP 路和１５３ʎR B S Ｇ３H e 路探测器的能谱图.图４a 中氘元素峰位于约１６００道位置,其峰面积的统计值即为D (３H e,p)４H e 反应产额,低能部分的峰为３H e Ｇ１２C 反应的基态与激发态.图４b 中４００道以下为S i 基底背散射谱,２００道左右位置为薄膜层背散射峰.式(９)中的Y 和N ０可使用S I MN R A 软件拟合N R A 能谱和R B S 谱分别得到,由于标样的氘原子面密度及探测器立体角为已知,即可根据式(９)得到对应能量下的微分截面.其中,N R A 谱中p 峰的统计误差约为２４％,束流归一化误差(包括R B S 路立体角误差㊁S I MN R A 拟合误差和R B S 路统计误差)约为１６％,N R A 路立体角归一化误差约为２７％,标样氘浓度的误差约为５％,微分截面的总测量误差约为６２％.依照以上方法可在０８~３６M e V９０９第５期㊀㊀高㊀原等:北京大学４５MV 静电加速器核反应分析系统图４㊀能量为２２M e V 的３H e＋粒子垂直入射标样的１３５ʎN R A ＧP 路(a )和１５３ʎR B S Ｇ３H e 路(b)能谱图F i g ．４㊀１３５ʎN R A ＧP (a )a n d１５３ʎR B S Ｇ３H e (b )s p e c t r a o f s t a n d a r d s a m pl e w i t h ３H e ＋v e r t i c a l i n c i d e n t e n e r g y o f ２２M e V 能量范围内间隔２００k e V 依次选取１５个能点,对标样进行能谱测量与计算,所得实验室坐标系下１３５ʎ微分截面激发曲线如图５所示,图中同时标出了A l i m o v 等[１４]和W i e l u n s k a 等[６]在实验室坐标系下１３５ʎ测得的实验数据,可看出本文所测的数据与其符合较好,由A l i m o v 等和W i e l u n s k a 等的数据可得微分截面峰值处所对应的３H e 粒子能量约为６８０k e V.图５㊀实验室坐标系下１３５ʎD (３H e ,p)４H e 的微分截面实验数据对比F i g ．５㊀C o m p a r i s o no f d i f f e r e n t i a l c r o s s s e c t i o n f o rD (３H e ,p )４H e r e a c t i o na t １３５ʎi n l a b s ys t e m ４㊀多能点N R A 方法测量氘浓度深度分布图６为使用S I MN R A 和R e s o l N R A 软件计算得到的含氘钨在不同能量３H e＋入射下N R A 系统对氘浓度的深度分辨,其中钨密度取１９２９g /c m ３.图中箭头标出了不同能量的入射离子在钨基底中降至约６８０k e V 时,即D (３H e ,p)４H e 反应截面峰值对应的３H e 能量对应的深度,各曲线的深度分辨与其最小值均较接近,说明该系统可在较深的范围内获得较好的分辨.由低能离子入射在表面处的深度分辨最佳可到约２５０n m ,由高能离子入射在射程深处的分辨均小于１５μm .因此,利用多能点N R A 方法进行氘深度分布的测量,可在需测量的近表面区域内整体保持较好的深度分辨.图６㊀S I MN R A 和R e s o l N R A 软件计算的含氘钨在不同能量３H e＋入射下N R A 系统对氘浓度的深度分辨F i g ．６㊀D e p t h r e s o l u t i o n f o r d e u t e r i u mi n t u n gs t e n u s i n g D (３H e ,p)４H e r e a c t i o na t d i f f e r e n t i n c i d e n t e n e r g y c a l c u l a t e db y SI MN R Aa n dR e s o l N R A 使用基于４５MV 加速器的N R A 系统对多晶钨的氘辐照样品进行了浓度深度分析[１５],样品由E C R 离子源引出能量为３０k e V 的氘离子进行辐照,剂量约为１４ˑ１０１９c m －２,辐照温度为５８０K .辐照样品先后由德国马克斯普朗克等离子物理研究所２ˑ３MV 串列加速器０１９原子能科学技术㊀㊀第５３卷N R A 系统(系统１,３H e ＋能量０７~４２M e V )和北京大学４５MV 静电加速器N R A 系统(系统２,３H e ＋能量０８~３６M e V )进行氘浓度深度分布分析.图７阴影区域为S R I M 模拟的注量为１４ˑ１０１９c m －２的３０k e V 氘浓度深度分布,注入离子主要分布在近表面５００n m以内[１６].通过使用S I MN R A 软件对N R A 能谱进行解谱,并由低能能谱解谱所得氘浓度逐渐向高能能谱迭代,从而获得整体分辨较好的氘浓度深度分布实验结果.其中德国马克斯普朗克等离子物理研究所实验结果与S R I M 模拟分布较接近,但存在更深处的分布,说明氘在钨基中有向内扩散趋势.由于北京大学４５MV 静电加速器的测量较德国马克斯普朗克等离子物理研究所滞后１a ,由北京大学４５MV 静电加速器的实验结果分布可看出氘在长时间放置后仍有继续向深层扩散的趋势,对于实验结果详细的讨论见文献[１５].实验中的微分截面误差约３９％,阻止本领误差约３９％,立体角误差为４６％,入射粒子拟合误差约１３％,深度分布总测量误差约７５％.图７㊀多晶钨辐照样品中氘浓度深度分布[１１]F i g ．７㊀D e pt hd i s t r i b u t i o no f d e u t e r i u mc o n c e n t r a t i o n i n i r r a d i a t e d p o l y c r y s t a l l i n e t u n g s t e n s a m pl e [１１]５㊀总结北京大学４５MV 静电加速器N R A 系统可提供H ＋㊁D ＋㊁３H e ＋和４H e＋束流,对重基体上距表面数μm 深度范围内的轻元素具有较好的分析效果,表面深度分辨约为２５０n m ,整体深度分辨好于１５μm .该系统作为离子束分析手段,可在聚变堆材料研究领域中,尤其是面向等离子体材料中氘氚滞留问题的研究中得到应用.参考文献:[１]㊀Z U C C H I A T T IA ,R E D O N D O ＧC U B E R O A．I o nb e a m a n a l y s i s :N e wt r e n d sa n dc h a l l e n g e s [J ]．N u c l e a r I n s t r u m e n t s a nd Me t h o d s i nP h ys i c sR e Ｇs e a r c hB ,２０１４,３３１:４８Ｇ５４．[２]㊀MA L MQ V I S T G K．A c c e l e r a t o r Ｇb a s e d i o nb e a ma n a l y s i s :A no v e r v i e wa n df u t u r e p r o s p e c t s [J ]．R a d i a t i o n P h y s i c s a n d C h e m i s t r y,２００４,７１:８１７Ｇ８２７．[３]㊀AM S E L G ,L A N F O R D W A．N u c l e a rr e a c t i o nt e c h n i q u e s i n m a t e r i a l sa n a l y s i s [J ]．A n n u a lR e Ｇv i e wo fN u c l e a ra n dP a r t i c l eS c i e n c e ,１９８４,３４:４３５Ｇ４６０．[４]㊀杨福家,赵国庆．离子束分析[M ]．上海:复旦大学出版社,１９８５．[５]㊀L O A R E R T．F u e lr e t e n t i o n i n t o k a m a k s [J ]．J o u r n a lo f N u c l e a r M a t e r i a l s ,２００９,３９０/３９１:２０Ｇ２８．[６]㊀W I E L U N S K A B ,MA Y E R M ,S C HWA R Z ＧS E L I N G E RT ,e t a l ．C r o s ss e c t i o nd a t a f o r t h eD (３H e ,p)４H e n u c l e a rr e a c t i o nf r o m ０．２５t o ６M e V [J ]．N u c l e a r I n s t r u m e n t sa n d M e t h o d s i n P h ys i c sR e s e a r c hB ,２０１６,３７１:４１Ｇ４５．[７]㊀F E L D MA N L C ．R u t h e r f o r db a c k s c a t t e r i n g an d n u c l e a rr e a c t i o na n a l y s i s [C ]ʊC Z A N D E MA W A ,H E R C U L E S M D．I o n s p e c t r o s c o pi e sf o r s u r f a c ea n a l ys i s (M e t h o d so fs u r f a c ec h a r a c t e r Ｇi z a t i o ns e r i e s ,V o l u m e２)．N e w Y o r k :P l e n u m P r e s s ,１９９１:３１１Ｇ３６１．[８]㊀MA Y E R M．R E S O L N R A :A n e w p r o gr a mf o r o p t i m i z i n g t h ea c h i e v a b l ed e pt hr e s o l u t i o no f i o n b e a ma n a l ys i sm e t h o d s [J ]．N u c l e a r I n s t r u m e n t s a n d M e t h o d s i nP h y s i c sR e s e a r c hB ,２００８,２６６:１８５２Ｇ１８５７．[９]㊀MA Y E R M ,G A U T H I E R E ,S U G I Y AMA K ,e t a l ．Q u a n t i t a t i v ed e p t h p r of i l i ng o fd e u t e r i u m u p t ov e r y l a r g e d e p th s [J ]．N u c l e a r I n s t r u m e n t s a n d M e t h o d si nP h y s i c sR e s e a r c hB ,２００９,２６７:５０６Ｇ５１２．[１０]L I U K e x i n ,WA N GY u g a n g,F A NT i e s h u a n ,e t a l ．F r o n t i e r a p p l i c a t i o n so f e l e c t r o s t a t i c a c c e l e r a Ｇt o r s [J ]．F r o n t i e r s o fP h y s i c s ,２０１３,８(５):５６４Ｇ５７６．[１１]高原,王建勇,杨向军,等．北京大学４．５MV 静１１９第５期㊀㊀高㊀原等:北京大学４５MV 静电加速器核反应分析系统电加速器核材料辐照系统[J]．原子核物理评论,２０１５,３２(增刊):２０Ｇ２４．G A O Y u a n,WA N GJ i a n y o n g,Y A N GX i a n g j u n,e t a l．N u c l e a r m a t e r i a li r r a d i a t i o n s y s t e m o f４．５MVe l e c t r o s t a t i ca c c e l e r a t o ra tP e k i n g U n iＧv e r s i t y[J]．N u c l e a rP h y s i c s R e v i e w,２０１５,３２(S u p p l．):２０Ｇ２４(i nC h i n e s e)．[１２]MA Y E R M．S I MN R A u s e r s g u i d e:T e c h n i c a l r e p o r t,I P P９/１１３[R]．G a r c h i n g,G e r m a n y:M a xＧP l a n c kＧI n s t i t u t eF u e lP l a s m a p h y s i k,１９９７．h t t p s://h o m e．m p c d f．m p g．d e/~m a m/．[１３]Z HU J i p e n g,X I A O X u a n,Y A N S h a,e ta l．M e a s u r e m e n to fd i f f e r e n t i a lc r o s ss e c t i o n o f D(３H e,p)４H ef r o m０．８M e Vt o３．６M e V[J]．N u c l e a r I n s t r u m e n t s a n d M e t h o d s i nP h y s i c sR eＧs e a r c hB,２０１７,４１２:８１Ｇ８５．[１４]A L I MO V V K,MA Y E R M,R O T H J．D i f f e rＧe n t i a l c r o s sＧs e c t i o nof t h eD(３H e,p)４H e n u c l e a rr e a c t i o na n dd e p t h p r o f i l i n g o fd e u t e r i u m u p t ol a r g e d e p t h s[J]．N u c l e a r I n s t r u m e n t s a n d M e t hＧo d s i nP h y s i c sR e s e a r c hB,２００５,２３４:１６９Ｇ１７５．[１５]肖璇,颜莎,朱吉鹏,等．基于北京大学４．５MV 静电加速器的氘分布多能点N R A方法[J]．北京大学学报(自然科学版),２０１６,５２(５):７６７Ｇ７７５．X I A O X u a n,Y A NS h a,Z HUJ i p e n g,e t a l．D eＧv e l o p m e n to f m u l t iＧe n e r g i e s N R A m e t h o d sf o rd e p t h p r o f i l i n g o fd e u t e r i u m b a s e d o n４．５MVe l e c t r o s t a t i c a c c e l e r a t o r i nP e k i n g U n i v e r s i t y[J]．A c t a S c i e n t i a r u m N a t u r a l i u m U n i v e r s i t a t i s P e k i nＧe n s i s,２０１６,５２(５):７６７Ｇ７７５(i nC h i n e s e)．[１６]Z I E G L E RF J,Z I E G L E R M D,B I E R S A C KJ P．S R I M:T h e s t o p p i n g a n dr a n g eof i o n s i nm a t t e r(２０１０)[J]．N u c l e a r I n s t r u m e n t s a n d M e t h o d s i nP h y s i c sR e s e a r c hB,２０１０,２６８:１８１８Ｇ１８２３．２１９原子能科学技术㊀㊀第５３卷。

第一章：核反应堆物理分析讲解

2.010 1
9.810 3
3.110 1
1.610 2
6.210 1 7.610 1
3.110 2 3.810 2
9.810 1
4.910 2
2.2
0.11
3.4
0.17
3.9
0.20
4.4
0.22
20
0.98
3.710 2
18
3.110 3
1.610 2
核反应堆是一种能以可控方式产生自持链式裂变反应的装置。
它由核燃料、冷却剂、慢化剂、结构材料和吸收剂等材料组成。
链式核反应（nuclear chain reaction）：核反应产物之一能引起同类的反应，从而使该反应能链式地进行的核反应。根据一次反应所直接引起的反应次数平均小于、等于或大于1，链式反应可分为次临界的、临界的或超临界的三种。
9.810 4 1.410 5
4.910 3 6.910 3
1.2中子与原子核相互作用的机理
中子与原子核的相互作用过程有三种：势散射、直接相互作用和复合核的形成。
在反应堆内，中子与原子核的相互作用可分为两大类：
2.1 中子的吸收
通常不稳定， β衰变
共振吸收
逃脱共振吸收？ U-238对超热中子的强烈吸收
（新鲜靶）：
1.51011 n/s

这在中子应用中已经算是高产额了。

回旋加速器的限制

能量： 102 MeV 级

束流： mA 级 1μA 1.6 1012 p/s

反应
T(d,n) (0.2 MeV)
W(e,n) (35 MeV)
9Be(d,n) (15 MeV)

核反应堆物理分析第1章

4.551012 中子也具有波粒二重性.其波长为 E
m eter
对于能量为0.01电子伏的中子其波长为4.55×10-11 meter. 与氢原子的半径同量级.比中子的平均自由程小许多量级. 在反应堆中讨论中子时和与原子核相互作用时,中子被看成是粒子.
玻尔半径经典电子半径原子核半径
1.2.2 宏观截面、平均自由程
宏观截面 dI=-σ INdx 对x坐标积分，可得靶核厚度为x处未经碰撞的平行中子束的强度为 Nx
I ( x) I0e
I的衰减速度与靶核密度和微观截面的乘积σ N 有关，用 Σ 来表示 Σ = σN Σ 称为宏观截面， Σ 为中子与单位体积内所有原子核发生核反应的平均概率大小的一种度量。
共振现象：当入射中子的能量具有某些特定值，恰好使形成的复合核激发态接近与某个量子能级时，中子被靶核吸收而形成复合核的概率就显著增加。根据中子和靶核的作用方式，有共振吸收和共振散射。中子和原子核的作用方式：
散射：包括弹性散射和非弹性散射吸收：包括辐射俘获、核裂变、（n，p），（n，α）。
中子的吸收是反应堆中中子消失的重要机制，它对反应堆内中子的平衡起着重要作用。中子的吸收反应有（n，γ ）、（n，f）、（n，p），（n，α ）辐射俘获（n，γ ）辐射俘获是最常见的吸收反应.反应式为 A X + 1n → [A+1 X]* → A+1 X + γ Z 0 Z Z 生成的核A+1ZX 是靶核的同位素,具有放射性.如: 反应堆内重要的俘获反应有 238 U + 1n → 239 U +γ 92 0 92
A ZX + ZX + 0 1n 1n
→ [A+1ZX]* → →

核反应解析了解核能如何释放

核反应解析了解核能如何释放核能是一种强大而神秘的能量形式，它在核反应中释放出来。

核反应是指原子核的变化过程，包括核裂变和核聚变两种形式。

通过对核反应的解析，我们可以更好地了解核能如何释放，以及核能的应用和潜力。

一、核裂变的释放能量核裂变是指重核（如铀、钚等）被中子轰击后分裂成两个或多个较轻的核片段的过程。

核裂变释放的能量来自于原子核的质量差异。

根据爱因斯坦的质能方程E=mc²，质量和能量之间存在着等价关系。

核裂变过程中，原子核的质量减少，因此释放出相应的能量。

核裂变释放的能量巨大，是化学反应所无法比拟的。

以铀-235为例，当它被中子轰击后发生裂变，释放出的能量相当于约2.5万吨TNT 炸药的爆炸能量。

这种巨大的能量释放使核裂变成为一种重要的能源来源，被广泛应用于核电站和核武器等领域。

二、核聚变的释放能量核聚变是指轻核（如氢、氦等）在高温高压条件下融合成较重的核的过程。

核聚变是太阳和恒星等天体能量的主要来源，也是人类追求的理想能源形式。

核聚变释放的能量同样来自于质量差异。

核聚变释放的能量比核裂变更为巨大，因为核聚变的反应物是轻核，而核裂变的反应物是重核。

核聚变的能量密度远远超过核裂变，是目前已知的最高能量密度的反应。

然而，要实现可控的核聚变反应仍然面临着巨大的挑战，科学家们正在不断努力寻找解决方案。

三、核能的应用和潜力核能的应用广泛而多样。

核能最常见的应用是核电站，利用核裂变反应产生的热能转化为电能。

核电站具有高效、稳定的特点，是许多国家的主要能源来源之一。

此外，核能还可以用于医学诊断和治疗，如核医学、放射治疗等领域。

除了已有的应用，核能还具有巨大的潜力。

核聚变作为一种清洁、可持续的能源形式，被认为是解决能源危机和减少碳排放的重要途径。

核聚变反应不产生温室气体和放射性废物，且燃料来源广泛，如氢、氦等元素都可以用于核聚变反应。

虽然目前实现可控核聚变仍面临技术难题，但科学家们对于未来的核聚变能源持有乐观态度。

核反应

9 Be n 12 C
9Be , n 12C
核反应中的守恒定律
电荷守恒质量数守恒宇称守恒动量守恒角动量守恒质量与能量守恒
（2）Q方程
iT l R T(i ,l )R
能量守恒： mic2 Ki mTc2 KT
mlc2 Kl mRc2 KR
反应能Q ：
Q [(mi mT ) (ml mR )]c2 (Kl KR) (Ki KT ) (EB（l） EB (R)) (EB (i) EB (T))
核反应的表示方法：
iT l R 或 T(i , l )R
靶原
子核（Target）
入射粒子
出射生成核轻粒子（剩余核）
(incoming particle) (Residue nucleus)
（outgoing light-weight particle）
（1）著名的核反应
1、历史上第一个人工核反应
原子核的质量：m Zmp Nmn EB / c2
Q<0：吸能核反应 Q>0：放能核反应
核反应的Q方程：
pi
pl
pi
动量守恒：
pR
pi pl pR
pR2 pi2 pl 2 2 pi pl cos
p2 2mK
mR KR mi Ki ml Kl
2 miml Ki Kl cos
14 N p 17 O
14N , p 17O
2、第一个在加速器上实现的核反应
p 7 Li
7 Li p, 4He
氮气
氮气
银箔
荧光屏
源
显微镜
第一个人工核反应实验简图
3、产生第一个人工放射性核素的反
应 27 Al n 30 P

核反应理论

核反应理论1.1 核反应基本概念原子核与原子核，或者原子核与其他粒子（如中子、γ光子等）之间的相互作用所引起的各种变化称为核反应。

核反应可以涉及的能级很高，通常在一个核子的分离能以上，甚至高达几百MeV以上。

核反应产生的现象丰富多采，仅仅是轻粒子（不比α粒子更重的粒子）引起的核反应就有几千种。

因而，核反应可在更广泛的范围内对原子核进行研究。

此外，核反应是获得原子能和放射性核的重要途径，对它的研究具有很大的实际意义，各种核反应也是产生不稳定原子核最根本的途径。

核反应发生的过程中原子核或其他粒子必须与另一原子核足够接近，一般需达到10-12cm的数量级，实现这一条件可的途径主要有：用放射源产生的高速粒子去轰击原子核；利用宇宙射线来进行核反应；利用带电粒子加速器或反应堆来进行核反应。

核反应的一般表达式为(1.1.1) 式中A表示靶核，a表示入射粒子，B表示剩余核，b表示出射粒子，表达式还可简写为(1.1.2)如果入射粒子能量较高，出射粒子可能有两个或两个以上。

描述核反应的一个重要概念是反应道。

反应前的道叫入射道,反应后的道叫出射道。

当入射粒子与原子核发生碰撞时，由于它们之间的相互作用可发生多种类型的核反应。

如果出射粒子与入射粒子，剩余核与靶核相同，内部状况也一样，称为弹性散射；如果粒子与靶核未变，而内部状况发生了变化，则称为非弹性散射，如果入射粒子不是Y光子，而出射粒子是Y光子，则称为辐射俘获反应。

出射粒子与入射粒子不一样的反应道有多种，如(n,p),(n,α),(n,Zn)等。

核反应按出射粒子的不同，可分为核散射与核转变。

核散射指入射粒子与出射粒子相同的核反应。

核散射有分弹性散射与非弹性散射。

弹性散射是指散射前后系统的总动能相等，非弹性散射是指散射前后系统的总动能不相等。

核转变指出射粒子与入射粒子不同的反应。

按入射粒子的种类可分为中子核反应、带电粒子核反应和光核反应(由γ光子引起的核反应)；按入射粒子能量的不同也可不严格的分为低能核反应、中能核反应和高能核反应。

核分析原理及技术第五章

加一19m厚的Mylar膜，可以阻止散射的d粒子进入探测器，克服堆积效应的干扰，且由于粒子与p0的能损不同而将与粒子与p0峰值分开。
改变探测器偏压来改变灵敏层厚度
(2)半导体探测器和分析磁铁
E
R mv
qB
(3)望远镜计数器,
也叫E-E探测器
三、实验条件的选择
1. 反应道的选择选择高Q值，高截面的反应道，干扰反应较少，
：核反应微分截面，其值以激发曲线及角分布
的形式给出
激发曲线可以从NDT (Nuclear Date)及相关数据库（见的链接）中查到
三、深度分析
对厚靶有 Eb Ea
E[(d dE x)in(d dE x)out]t
核反应的反应因子
比照RBS的K因子，有何异同？
四、反应条件
对Q>0的核反应
3. 探测几何选择
• 调整可以使反应微分截面最大。 • 调整可以使欲分析的粒子位于能谱中无干扰范围内。
常用后角区以减少散射粒子影响。 • 探测器立体角的大小由灵敏度和深度分辨来折衷考虑。
四、定量分析
1. 从能谱分析元素浓度分布
E [dE ]t dx
[d d E x]co s1(d d E x)inco 1 s2(d d E x)o u t
可避免弹性散射的干扰。
2. 入射离子能量选择
高截面的能量可以获得较高的灵敏度，但还要考虑尽可能减少干扰反应。
非共振反应尽量选择激发曲线的坪区。共振核反应分析要选择共振能量。
例：在有C、O存在的情况下测Cu-Ni合金上的薄S层
选用32S(d, p)33S反应，Q＝6.419MeV，比C和O 的(d, p)反应Q值高很多，避免了C、O的干扰。 Ed=4MeV时，d与Cu、Ni反应的产生质子峰很强，从而测不到与S反应产生的质子。 Ed=2MeV时，由于Cu、Ni的库仑位垒较高，这时 d与Cu、Ni反应产生的质子很少，与S反应产生的质子变得容易测量。

核反应过程中的能量转化效率分析与研究

核反应过程中的能量转化效率分析与研究在当今的能源领域，核反应作为一种强大的能源来源，备受关注。

而其中核反应过程中的能量转化效率，更是研究的重点之一。

理解这一效率的本质和影响因素，对于优化核能利用、推动能源发展具有至关重要的意义。

首先，我们需要明确什么是核反应。

核反应是指原子核发生变化，产生新的原子核，并伴随着能量的释放或吸收的过程。

常见的核反应包括核裂变和核聚变。

核裂变是指重原子核分裂成两个或多个较轻原子核的过程，如铀-235 的裂变；核聚变则是指轻原子核结合成较重原子核的过程，例如氢原子核聚变成氦原子核。

在核裂变过程中，能量转化效率主要取决于几个关键因素。

其一，裂变材料的纯度和质量。

纯度越高、质量越好的裂变材料，发生裂变的概率越大，从而能够释放出更多的能量。

其二，反应堆的设计和控制。

合理的反应堆结构和精确的控制机制能够最大程度地捕获和利用裂变产生的能量，减少能量的散失。

此外，冷却系统的效率也会影响能量转化效率。

如果冷却系统不能及时带走反应堆产生的热量，不仅会影响能量的输出，还可能导致安全问题。

以核电站中的核反应堆为例，其能量转化效率通常在 30%至 40%之间。

这意味着，在核裂变过程中，只有大约三分之一到四成的核能最终被转化为电能。

其余的能量以热能的形式散失，如果能够进一步提高这一转化效率，将极大地提升核能的利用价值。

核聚变的能量转化效率则面临着更为复杂的挑战。

目前，核聚变仍处于研究和实验阶段，但从理论上讲，其潜在的能量转化效率要远远高于核裂变。

核聚变反应所需要的条件极为苛刻，需要极高的温度和压力来使轻原子核克服库仑斥力，从而发生聚合。

实现可控核聚变并提高其能量转化效率是当前科学界的一个重大课题。

然而，要准确计算和评估核反应的能量转化效率并非易事。

这涉及到对核反应过程中各种微观粒子行为的精确描述，以及对能量传递和转化机制的深入理解。

在实际研究中，科学家们借助各种先进的实验设备和理论模型来进行分析。

核反应过程分析

核反应过程分析核反应，这个看似高深莫测的科学概念，其实与我们的生活和未来息息相关。

从为我们的城市提供能源的核电站，到探索宇宙奥秘的天文观测，核反应都扮演着至关重要的角色。

那么，核反应究竟是怎样一个过程呢？让我们一同来揭开它神秘的面纱。

首先，我们要明白核反应主要分为两种类型：核聚变和核裂变。

核裂变，简单来说，就是一个重原子核分裂成两个或多个较轻原子核的过程。

就像一个大“积木”被拆分成了几个小“积木”。

在这个过程中，会释放出巨大的能量。

最常见的核裂变材料是铀-235 和钚-239。

以铀-235 为例，当一个中子撞击铀-235 原子核时，它会变得不稳定并分裂成两个较小的原子核，同时释放出两到三个新的中子，以及大量的能量。

这些释放出的中子又会继续撞击其他铀-235 原子核，引发链式反应，从而持续释放出更多的能量。

这种链式反应如果能够得到有效的控制，就可以被用于核电站发电。

核电站中的核反应堆通过控制中子的数量和速度，使得核裂变反应以稳定、安全的方式进行，将释放出的热能转化为电能。

但如果这种链式反应失去控制，就会引发严重的核事故，比如我们所熟知的切尔诺贝利核事故和福岛核事故。

接下来，我们再看看核聚变。

核聚变与核裂变恰恰相反，它是将两个较轻的原子核结合在一起，形成一个较重的原子核，并在这个过程中释放出巨大的能量。

就好比几个小“积木”拼成了一个大“积木”，同时释放出强大的力量。

在太阳内部，氢原子核不断地发生核聚变，形成氦原子核，并释放出光和热，这就是太阳能够持续发光发热数十亿年的原因。

目前，科学家们正在努力研究如何在地球上实现可控核聚变。

如果能够成功实现，人类将获得几乎取之不尽、用之不竭的清洁能源。

但实现可控核聚变面临着诸多巨大的挑战。

首先，要使原子核发生融合，需要极高的温度和压力。

在地球上，要创造出这样的条件非常困难。

其次，如何有效地控制核聚变反应的过程，使其能够稳定、持续地输出能量，也是一个亟待解决的难题。

核反应过程中的粒子动力学研究与分析

核反应过程中的粒子动力学研究与分析在探索自然界的奥秘中，核反应一直是科学家们关注的焦点领域。

核反应过程中的粒子动力学研究，对于我们理解物质的本质、能源的开发以及宇宙的演化等诸多方面都具有极其重要的意义。

核反应，简单来说，就是原子核之间或原子核与其他粒子之间发生的相互作用，从而导致原子核的结构和性质发生改变的过程。

在这个过程中，粒子的行为和相互作用遵循着一系列复杂而精确的物理规律。

要深入研究核反应中的粒子动力学，首先得了解参与核反应的主要粒子。

质子和中子是构成原子核的基本粒子，它们在核反应中起着关键作用。

此外，还有各种高能粒子，如α粒子（氦核）、β粒子（电子或正电子）以及γ射线（高能光子）等。

在核反应中，粒子的运动速度往往极高，接近光速。

这种高速运动使得相对论效应变得显著。

根据相对论理论，粒子的质量会随着速度的增加而增大，这对粒子的动力学行为产生了重要影响。

例如，在高能粒子的碰撞中，由于相对论效应，粒子的能量和动量的转化关系变得更加复杂。

核反应过程中粒子之间的相互作用主要有强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。

强相互作用将质子和中子紧紧束缚在原子核内，其作用范围极小但强度极大。

弱相互作用则在某些放射性衰变过程中起重要作用，比如β衰变。

电磁相互作用则在涉及带电粒子的过程中发挥作用，如α粒子的散射。

当研究核反应中的粒子动力学时，我们需要借助一系列的理论模型和实验手段。

理论模型方面，量子力学和量子场论为我们提供了强大的工具。

通过这些理论，我们可以计算粒子的波函数、能量本征值等重要物理量，从而预测粒子在核反应中的行为。

实验方面，大型粒子加速器是不可或缺的研究工具。

例如，欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）能够将质子加速到极高的能量，然后让它们相互碰撞，从而产生各种新的粒子和核反应过程。

通过对这些碰撞产物的探测和分析，科学家们可以验证理论模型的预测，并进一步深化对粒子动力学的理解。

在核反应过程中，粒子的能量和动量守恒定律始终成立。

核反应与放射性分析

核反应与放射性分析核反应是指原子核之间的相互作用，可以产生能量的释放和物质转化。

而放射性分析是通过检测和测量样品中的放射性物质来研究和分析其性质和行为。

核反应和放射性分析在核科学和相关领域中具有重要的应用价值。

本文将介绍核反应的基本概念和放射性分析的常用方法。

一、核反应的基本概念核反应是指发生在原子核层面的转化过程，它通常涉及到原子核之间的碰撞或相互作用。

核反应可以使核发生转变，其中一些可以产生能量，如核裂变和核聚变；而另一些可以产生放射性同位素，如放射性衰变和核素激发衰变。

核裂变是指重核（如铀或钚）被中子轰击后分裂成两个较小的核，并释放出大量的能量和中子。

这是一种可控的核反应，目前已经在核电站中得到应用。

核聚变是指轻核（如氘或氚）融合在一起形成较重的核，并释放出巨大的能量。

核聚变是太阳能和氢弹等高能物理过程的基础。

放射性衰变是指放射性同位素放射射线，通过自发放射释放能量并转变为其他同位素。

放射性衰变是不可预测的，但可以通过测量放射性同位素的衰变速率来进行分析和研究。

核素激发衰变是指核素通过吸收粒子或光子能量而进入激发态，然后释放能量并回到稳定态。

这种反应可以用于放射性同位素的分析和标记。

二、放射性分析的常用方法1. 放射性计数：放射性计数是最常见的放射性分析方法，通过检测和计数放射性样品中发出的射线来确定样品中的放射性同位素浓度。

这种方法非常灵敏，可以广泛应用于环境监测、核医学和核工业等领域。

2. 放射性测量：放射性测量是通过测量放射性样品中射线的强度或能量来确定样品中的放射性同位素类型和浓度。

常用的测量方法包括γ射线能谱分析、α和β粒子计数等。

这些测量技术提供了关于放射性同位素的详细信息，对核材料的鉴定和分析非常有用。

3. 放射性示踪：放射性示踪是通过在样品中引入放射性同位素，并跟踪其在系统中的运动和转化过程来研究物质的行为和性质。

这种方法可以用于地下水流动研究、环境污染追踪和生物体内代谢过程的研究等。

核反应分析Nuclear Reaction Analysis(NRA)

所以，深度x处，待测元素含量为C(x)的反应产额为：
Y ( E 0 ) K 000 C ( x ) g ( E 0 ,E i)f( E i,E ,x )( E ) d id E xd
K是与待测核素有关的常数，上式称为反应产额公式。
4.3.核反应分析原理
3. 核反应截面：
σR
• 反应截面与能量的关系(B-W公式）：
4.3.核反应分析原理
2. 核反应的产额：
• 产额与能量的关系：受到两种条件的制约。
a)加速器束流的品质有一定的能量分布g(E0, Ei)，代表具有能量在Ei到Ei+dEi之间的粒子数占总数的份额，也就是粒子具有能量为Ei的几率。
dEg E0
b)粒子穿透一定的深度后会产生一定的能量歧离f(Ei, E, x)，表示能量为Ei的粒子在进入深度为x处时，由于能损，使其能量变为E 到E+dE之间的几率。
7. 常见的干扰反应
19F(P,αγ)16O 15N(P,αγ)12C 13C(α, n)16O 17O(α, n)20Ne 18O(α, n)21Ne 10B(α, P)13C 19F(α, P)22Ne
4.4 实验技术和设备
8. 实验中的技术问题：
（1）带电粒子的探测：采用金硅面垒探测器（Surface Barrier Detector Au-Si）,能量分辨对轻粒子较好，可达 15-20keV，但该探测器怕光，应避光保存，避免光线直接照射。对于轻粒子，一般接受剂量为108个粒子，而对于中粒子则要更少，重离子的辐照损伤很厉害，使用时应特别注意。
• Q方程
E x ' A A x X A 'x 'E A x 1 '/ 2 c x o A A X X s ' ' A A x x A X A 'x A A x 'x '2 c 2 o E x s A X A ' X 'A x 'Q 1 / 2 2

离子源的应用

离子源的应用粒子源是产生带电粒子束的装置。

它为加速器提供带电粒子束，是加速器的关键部件之一。

粒子源与加速器两者是相辅相成的，加速器的发展对粒子源不断提出新的要求，而粒子源技术的每个重大突破和发展又促进了加速器的发展与革新。

近几十年来，随着加速器的不断发展和改进，人们对粒子源有了更为广泛的了解和应用，其中离子源就是最为典型的例子。

七十年代以来，离子源广泛用于离子注入、离子刻蚀等工业生产领域中。

其应用大致分为三类。

一、离子束分析是离子源的一个主要应用。

离子束分析总的来说是以离子束作为工具，通过它与物质相互作用来判断物质中元素组成及结构的一门学科。

具体来说是利用具有一定能量的离子（如：质子、alpha离子及其它重离子）束去轰击样品，使样品中的元素发生电离、激发、发射和核反应以及自身的散射等过程，通过测量这些过程中所产生的射线的能量和强度来确定样品中元素的种类和含量的一门学科。

它的优点是灵敏度高、分析时间短、不破坏样品、分析范围广和取样量少等优点，因此特别适用于痕量元素的分析。

1、离子束分析技术在材料科学中的应用，是最主要的应用领域。

离子束分析的各种手段，如：背散射分析(RBS)，核反应分析(NRA)，弹性反冲分析(ERDA)，粒子激发x射线发射分析(PIXE)，离子束激发电流(IBIC)，离子束激发光(IBIL)分析和沟道分析等，在这一领域都得到应用。

为了提高ERDA对粒子的分辨能力，许多实验室将ERDA与其他实验技术结合起来，例如与飞行时粒子的分辨能力、飞行时间相结台，与&E-E望远镜技术相结合，与磁谱仪和位置灵敏探测器相结合等。

日本京都大学的分析靶室在前角区有一个磁谱仪用于ERDA分析，在后角区还有一个磁谱仪用于RBS分析，使ERDA和RBS对核素的分析能力大为提高。

瑞典H．J．Whitlow介绍了可以生产厚度小于1 m的AE探测器，AE—E望远镜系统的低能阈值已大为降低，加拿大J．A Davies报道了用非常重的入射粒子，如Au或用二维位置灵敏AE-E系统结合弹性反冲探测分析，几乎可以同时分析质量数从1到150的元素。