第4章带电粒子核反应瞬发分析剖析
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
一、非共振核反应测定表面元素总量
非共振核反应的截面随能量的变化比较缓慢，入射粒子能量 可选择在截面曲线的平坦区域。
16O(d , p1 ) 17O
Ed：800~900keV 截面几乎是常数
8
核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
一、非共振核反应测定表面元素总量
核反应微分截面是θ和Ea的函数，对不同的核反应道，截面 曲线形状不同，其中某些核反应呈现出共振现象，称共振核 反应。
➢ 共振现象表现为当入射粒子能量取某确定值时，反应的截面 迅速增大。
精确控制入射粒子能量，并对出射粒子种类、能量、强度进 行鉴别和测量，就可唯一地确定样品中的元素成分和含量。
➢ 出射粒子：质子、α粒子等带电粒子，或者γ射线，少数情况 也可测瞬发的中子。
应微分截面；Ω探测器对样品所张立体角
9
核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
1. 薄样品分析
防止入射粒子在样品上发生弹性碰撞后的散射粒子对探测器 造成计数率过载的方法？
① 在探测器前放一适当厚度的吸收箔把散射粒子挡住，只让核 反应出射粒子通过；
② 用磁偏转方法把散射粒子偏转掉。
出射带电粒子能谱为一单峰，峰宽与哪些因素有关？
带电粒子核反应瞬发分析法是直接测量核反应 过程中伴随发射的辐射确定反应原子核的种类 和元素浓度的方法。
➢ 伴随发射的辐射：带电粒子、γ射线、中子
3
核分析基础及应用
概述
较带电粒子活化分析法具有更多的优越性：
➢ 方法简便、分析速度快，可利用不同的核反应道、不 同的出射粒子和核反应运动学关系更有利地鉴别元素 和消除干扰反应，特别是它能在不破坏样品结构的情 况下提供元素深度分布信息。
➢ 带电粒子与轻元素的反应Q值大、产额高，只用几个 MeV能量的带电粒子就可以进行高灵敏度元索分析。
➢ 样品表面层轻元素分析不可缺少的一种分析方法。
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
材料表面层元素成分和含量是影响材料表面特性 的重要因素。
由于带电粒子在物质中的射程有限，带电粒子核 反应瞬发分析能用于表面层元素总量分析。
① 入射粒子的能散度(能量分散性)；
② 有限立体角引起的出射粒子能量的运动学展宽；
③ 探测器的固有能量分辨率；
④ 带电粒子在吸收箔中的能量展宽。
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
1. 薄样品分析 有限立体角引起的出射粒子能量的运动学展宽：
Q
(1
mb MB
)Eb
(1
ma MB
)Ea
2
ma mb Ea Eb cos
14
核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
二、共振核反应测定表面元素总量
孤立共振核反应(p,γ)截面,可用布赖特-维格纳公式表示：
2
(
,
E)
R
(E
4 ER )2
2 4
σR——共振能量ER时的截面值，Γ——能级宽度
测量共振产额激发曲线可求得样品中的元素含量。
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
核分析基础及应用
核分析基础及应用
第四章 带电粒子核反应瞬发分析
成都理工大学 核自学院
成都理工大学 李丹
1
核分析基础及应用
主要内容
概述 第一节 表面元素总量测定 第二节 元素浓度的深度分布测量 第三节 核反应瞬发分析实验技术 第四节 核反应瞬发分析的应用
ห้องสมุดไป่ตู้
2
核分析基础及应用
概述
带电粒子核反应分析包括：带电粒子缓发分析 （带电粒子活化分析）、带电粒子瞬发分析。
Y
(
,
E0
)
Qcx
(
,
E0
)
1
cos1
（1）
12
核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
2. 厚样品分析
若入射带电粒子贯穿样品时的能量损失不能忽略时,则称这种 样品为厚样品。对于厚样品分析,必须考虑由于入射粒子在样 品中的能量衰减引起的反应截面的变化。这时反应产额为:
Y ( , E0 )
Qc 1
二、共振核反应测定表面元素总量
1. 薄样品分析 薄样品：带电粒子在样品中的能量损失ΔE«Γ
入射粒子垂直入射到厚度Δx的薄样品，共振产额：
Y (E0) Qc
E0 ( , E)dE
E0 E S (E)
Qc 1 E0 ( , E)dE S (ER ) E0 E
S(E) S(ER )
16
核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
1. 薄样品分析
共振产额： Y
(E0 )
Qc R
2S(ER )
tan1
E /
E0 2
E0 E0
E
测得激发曲线峰面积：
l
0 Y (E0 )dE0
Qc R
2S(ER )
E
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
2. 厚样品分析 厚样品：带电粒子在样品中的能量损失ΔE»Γ（>1μm） 不同厚度的样品的γ射线产额随入射粒子能量的变化：
1. 薄样品分析
若入射粒子贯穿样品时的能量损失很小，则称这种样品为薄 样品。
由于入射粒子能量几乎不变，故核反应截面可看作常数。这 时在某一角度θ方向的核反应出射粒子产额为：
Y
(
,
E0
)
Qcx
(
,
E0
)
1
cos1
（1）
Q入射粒子数；Δx样品厚度；θ1入射束与样品平面的法线之间的夹角；
c单位体积内的样品原子数；σ(θ,E0)入射能量为E0时在θ角方向的核反
MB
对θ求微分
Eb
Eb
11
核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
1. 薄样品分析 薄样品中有几种元素或有几个反应道存在时，不同能量的出
射粒子有好多群。只要各粒子群之间的能量间隔足够大，能 谱的展宽影响不大时，各峰仍能分开。根据记录到的出射粒 子数（峰面积计数）及Q、σ、Ω值，由下式求元素含量。
5
核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
能量Ea的带电粒子a与靶原子核A发生的核反应为：
A(a, b)B b——出射粒子；B——剩余核
某一角度θ方向出射的粒子能量Eb，由核反应Q方程确定：
Q
(1
mb MB
)Eb
(1
ma MB
)Ea
2
ma mb Ea Eb cos
MB
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
cos1
x
( , x)dx
0
Qc 1 E0 ( , E)dE
cos1 E0 E dE
dx
（1）
S (E) 阻止本领
ΔE贯穿厚样品时损失的能量
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
2. 厚样品分析 厚样品分析，出射带电粒子的能谱宽度与哪些因素有关？ ① 入射束的能散度； ② 探测器的固有能量分辨率； ③ 出射粒子的运动学展宽； ④ 出射粒子在吸收箔中的能量展宽； ⑤ 带电粒子在样品中的能量展宽。
核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
一、非共振核反应测定表面元素总量
非共振核反应的截面随能量的变化比较缓慢，入射粒子能量 可选择在截面曲线的平坦区域。
16O(d , p1 ) 17O
Ed：800~900keV 截面几乎是常数
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
一、非共振核反应测定表面元素总量
核反应微分截面是θ和Ea的函数，对不同的核反应道，截面 曲线形状不同，其中某些核反应呈现出共振现象，称共振核 反应。
➢ 共振现象表现为当入射粒子能量取某确定值时，反应的截面 迅速增大。
精确控制入射粒子能量，并对出射粒子种类、能量、强度进 行鉴别和测量，就可唯一地确定样品中的元素成分和含量。
➢ 出射粒子：质子、α粒子等带电粒子，或者γ射线，少数情况 也可测瞬发的中子。
应微分截面；Ω探测器对样品所张立体角
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
1. 薄样品分析
防止入射粒子在样品上发生弹性碰撞后的散射粒子对探测器 造成计数率过载的方法？
① 在探测器前放一适当厚度的吸收箔把散射粒子挡住，只让核 反应出射粒子通过；
② 用磁偏转方法把散射粒子偏转掉。
出射带电粒子能谱为一单峰，峰宽与哪些因素有关？
带电粒子核反应瞬发分析法是直接测量核反应 过程中伴随发射的辐射确定反应原子核的种类 和元素浓度的方法。
➢ 伴随发射的辐射：带电粒子、γ射线、中子
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核分析基础及应用
概述
较带电粒子活化分析法具有更多的优越性：
➢ 方法简便、分析速度快，可利用不同的核反应道、不 同的出射粒子和核反应运动学关系更有利地鉴别元素 和消除干扰反应，特别是它能在不破坏样品结构的情 况下提供元素深度分布信息。
➢ 带电粒子与轻元素的反应Q值大、产额高，只用几个 MeV能量的带电粒子就可以进行高灵敏度元索分析。
➢ 样品表面层轻元素分析不可缺少的一种分析方法。
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
材料表面层元素成分和含量是影响材料表面特性 的重要因素。
由于带电粒子在物质中的射程有限，带电粒子核 反应瞬发分析能用于表面层元素总量分析。
① 入射粒子的能散度(能量分散性)；
② 有限立体角引起的出射粒子能量的运动学展宽；
③ 探测器的固有能量分辨率；
④ 带电粒子在吸收箔中的能量展宽。
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
1. 薄样品分析 有限立体角引起的出射粒子能量的运动学展宽：
Q
(1
mb MB
)Eb
(1
ma MB
)Ea
2
ma mb Ea Eb cos
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
二、共振核反应测定表面元素总量
孤立共振核反应(p,γ)截面,可用布赖特-维格纳公式表示：
2
(
,
E)
R
(E
4 ER )2
2 4
σR——共振能量ER时的截面值，Γ——能级宽度
测量共振产额激发曲线可求得样品中的元素含量。
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
核分析基础及应用
核分析基础及应用
第四章 带电粒子核反应瞬发分析
成都理工大学 核自学院
成都理工大学 李丹
1
核分析基础及应用
主要内容
概述 第一节 表面元素总量测定 第二节 元素浓度的深度分布测量 第三节 核反应瞬发分析实验技术 第四节 核反应瞬发分析的应用
ห้องสมุดไป่ตู้
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核分析基础及应用
概述
带电粒子核反应分析包括：带电粒子缓发分析 （带电粒子活化分析）、带电粒子瞬发分析。
Y
(
,
E0
)
Qcx
(
,
E0
)
1
cos1
（1）
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
2. 厚样品分析
若入射带电粒子贯穿样品时的能量损失不能忽略时,则称这种 样品为厚样品。对于厚样品分析,必须考虑由于入射粒子在样 品中的能量衰减引起的反应截面的变化。这时反应产额为:
Y ( , E0 )
Qc 1
二、共振核反应测定表面元素总量
1. 薄样品分析 薄样品：带电粒子在样品中的能量损失ΔE«Γ
入射粒子垂直入射到厚度Δx的薄样品，共振产额：
Y (E0) Qc
E0 ( , E)dE
E0 E S (E)
Qc 1 E0 ( , E)dE S (ER ) E0 E
S(E) S(ER )
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
1. 薄样品分析
共振产额： Y
(E0 )
Qc R
2S(ER )
tan1
E /
E0 2
E0 E0
E
测得激发曲线峰面积：
l
0 Y (E0 )dE0
Qc R
2S(ER )
E
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
2. 厚样品分析 厚样品：带电粒子在样品中的能量损失ΔE»Γ（>1μm） 不同厚度的样品的γ射线产额随入射粒子能量的变化：
1. 薄样品分析
若入射粒子贯穿样品时的能量损失很小，则称这种样品为薄 样品。
由于入射粒子能量几乎不变，故核反应截面可看作常数。这 时在某一角度θ方向的核反应出射粒子产额为：
Y
(
,
E0
)
Qcx
(
,
E0
)
1
cos1
（1）
Q入射粒子数；Δx样品厚度；θ1入射束与样品平面的法线之间的夹角；
c单位体积内的样品原子数；σ(θ,E0)入射能量为E0时在θ角方向的核反
MB
对θ求微分
Eb
Eb
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
1. 薄样品分析 薄样品中有几种元素或有几个反应道存在时，不同能量的出
射粒子有好多群。只要各粒子群之间的能量间隔足够大，能 谱的展宽影响不大时，各峰仍能分开。根据记录到的出射粒 子数（峰面积计数）及Q、σ、Ω值，由下式求元素含量。
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
能量Ea的带电粒子a与靶原子核A发生的核反应为：
A(a, b)B b——出射粒子；B——剩余核
某一角度θ方向出射的粒子能量Eb，由核反应Q方程确定：
Q
(1
mb MB
)Eb
(1
ma MB
)Ea
2
ma mb Ea Eb cos
MB
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
cos1
x
( , x)dx
0
Qc 1 E0 ( , E)dE
cos1 E0 E dE
dx
（1）
S (E) 阻止本领
ΔE贯穿厚样品时损失的能量
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
2. 厚样品分析 厚样品分析，出射带电粒子的能谱宽度与哪些因素有关？ ① 入射束的能散度； ② 探测器的固有能量分辨率； ③ 出射粒子的运动学展宽； ④ 出射粒子在吸收箔中的能量展宽； ⑤ 带电粒子在样品中的能量展宽。