核反应分析Nuclear Reaction Analysis(NRA)

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[注] 它们共同的缺点是:对轻元素分析失效,深度分辨差。 注 它们共同的缺点是:对轻元素分析失效,深度分辨差。
3. NRA分析轻元素特别有效,且深度分辨好,干扰小, 分析轻元素特别有效, 分析轻元素特别有效 且深度分辨好,干扰小, 但对重元素分析效果交差。 但对重元素分析效果交差。 若把以上的分析手段相结合, 若把以上的分析手段相结合,则可以做到全元素 分析。 分析。在具体的应用时大家可根据实际情况采用相关 的分析手段。 的分析手段。
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
4.获取的谱线实例(如图) 获取的谱线实例(如图) 获取的谱线实例
X轴对应于靶的深度,Y轴对应 轴对应于靶的深度, 轴对应 轴对应于靶的深度 于反应产额的强度, 于反应产额的强度,即出射的反 应物质如γ射线和带电粒子的强 应物质如 射线和带电粒子的强 度。
4.4 实验技术和设备
5. 试验用仪器
(1)NIM插件 ) 插件 (2)电子计算机 ) (3)加速器 )
Z1Z 2 E ≥ 1.44 ( MeV ) r r相互作用半径,单位为费米(fm)
4.3.核反应分析原理 核反应分析原理
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:
x + X → x '+ X '+Q 其中: x、X、x'、X' 分别代表入射粒子、 靶原子核、发射粒子和 剩余核
4.3.核反应分析原理 核反应分析原理
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, 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。 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, 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 相对动能必须满足: 相对动能必须满足:
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:
含量测定方法可分为绝对测定和相对测定两种
• 绝对测量: 利用产额公式,并求出或测量出入射粒子的 绝对测量: 利用产额公式, 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)。 • 相对测量: 利用已知元素含量和均匀分布的标样,如果待 相对测量: 利用已知元素含量和均匀分布的标样, 测样品的含量也是均匀分布的, 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, 可以省略,即:
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 ,
KC E0 − ∆E KC σ R E − E R E0 Y ( E0 ) = ∫E0 σ ( E )dE = 2 S ( E R ) [arctg Γ / 2 ]E0 − ∆E S (ER )
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): 公式
Γ σR
σ (E ) =
Γx : Γx ' :
(E − ERБайду номын сангаас) Γ / 2 +1 为x粒子分宽度,决定于弹性散射几率
2
σR
Γx Γx ' σ R = 4πD Γ
2
ER
4.3.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:
• 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。
a)加速器束流的品质有一定的能量分布 0, Ei), 加速器束流的品质有一定的能量分布g(E 加速器束流的品质有一定的能量分布 , 代表具有能量在E 代表具有能量在 i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E 的几率。 的份额,也就是粒子具有能量为 i的几率。 dEg
反应前后总电荷值和能量守恒, 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, 从微观量子力学的运动规律,一般情况下发射粒 子为γ光子 中子、质子和α粒子 光子、 粒子。 子为 光子、中子、质子和 粒子。
4.3.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:
式中已对截面项进行了积分,截面公式采用前面的 公式。 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, 相对测量方法,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。 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。
4.4 实验技术和设备
1. 加速器是该试验的一个重要组成部分,对于他提供的束流有 加速器是该试验的一个重要组成部分, 如下要求: 如下要求:
束流强度: 束流强度:几个微安 能量离散: 能量离散:≤1keV 能量步长: 能量步长:≈100eV,特别对于窄共振峰 , 束斑大小: 束斑大小:4mm2
4.4 实验技术和设备
2. 样品和靶室的安置
该安置如测量带电粒子与背散射 测量的情形相同(如上面左图); 测量的情形相同(如上面左图); 如测量γ射线则应与 射线则应与PIXE分析相 如测量 射线则应与 分析相 如上面右图)。 同(如上面右图)。
4.4 实验技术和设备
3. 谱线的获取装置
射线装置( 讲稿的叙述) (1)探测 射线装置(参见 )探测γ射线装置 参见PIXE讲稿的叙述) 讲稿的叙述 讲稿的叙述) (2)探测带电粒子的装置(参见 )探测带电粒子的装置(参见RBS讲稿的叙述) 讲稿的叙述
E0
b)粒子穿透一定的深度后会产生一定的能量歧离 i, E, x),表示 粒子穿透一定的深度后会产生一定的能量歧离f(E 粒子穿透一定的深度后会产生一定的能量歧离 , 能量为E 的粒子在进入深度为x处时 由于能损,使其能量变为E 处时, 能量为 i的粒子在进入深度为 处时,由于能损,使其能量变为 之间的几率。 到E+dE之间的几率。 之间的几率 所以,深度 处 待测元素含量为C(x)的反应产额为: 的反应产额为: 所以,深度x处,待测元素含量为 的反应产额为
Y ( E0 ) = K ∫

0
∫0 ∫0 C ( x ) g ( E0 , Ei ) f ( Ei , E , x )σ ( E ) dE i dxdE


K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。 是与待测核素有关的常数
4.3.核反应分析原理 核反应分析原理
• 阈能
E
x
=
m
x
+ m mX
X
Q
Q < 0 Q > 0
E x 任意值
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, 原子核物理》教材P197和P200。 《原子核物理》教材 和 。
4.3.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:
•定义: 入射粒子在靶中引起的核反应数于入射粒子数之比。 定义: 入射粒子在靶中引起的核反应数于入射粒子数之比。 定义 即一个入射粒子在靶中引起核反应的几率称为核反应的产额 • 产额与截面的关系:截面大产额高。他们的不同之处在 产额与截面的关系:截面大产额高。 截面仅仅与反应本身有关,而与靶的状态无关, 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, 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, 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。 定量的测量,产额是一个很重要的量。
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。
4.2.综述: 综述: 综述
核反应作为一种分析手段,可分为三类: 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 带电粒子活化分析(CPAA-Charged Particle 带电粒子活化分析 Activation Analysis),即粒子束进用作产生特定的 , 反射性原子核,通过探测放射性核的衰变, 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。 材料组分的分析。 (ii)瞬发辐射分析 瞬发辐射分析(PRA),用固定能量轰击靶时测量 瞬发辐射分析 , 特征反应产物,来给出材料组分的分析。 特征反应产物,来给出材料组分的分析。 (iii)共振反应分析 共振反应分析(RRA-Resonance Reaction 共振反应分析 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。 元素在物质中的深度分布信息。
• Q方程 方程
E x'
1/ 2 ( A A Ex )1 / 2 A X ' − Ax AX ' Ax Ax ' = x x' cos θ ± + cos 2 θ E x + Q 2 A X ' + Ax ' A X ' + A x (A X ' + A x ' ) AX ' + Ax' 2
7. 常见的干扰反应
19F(P,αγ)16O 15N(P,αγ)12C 13C(α, 17O(α, 18O(α, 10B(α, 19F(α,
n)16O n)20Ne n)21Ne P)13C P)22Ne
4.4 实验技术和设备
8. 实验中的技术问题: 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 )带电粒子的探测:采用金硅面垒探测器( Barrier Detector Au-Si),能量分辨对轻粒子较好,可达 能量分辨对轻粒子较好, ) 能量分辨对轻粒子较好 15-20keV,但该探测器怕光,应避光保存,避免光线直 ,但该探测器怕光,应避光保存, 接照射。对于轻粒子,一般接受剂量为10 个粒子, 接照射。对于轻粒子,一般接受剂量为 8个粒子,而对 于中粒子则要更少,重离子的辐照损伤很厉害, 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。 应特别注意。 (2)粒子甄别:a. 采用吸收膜,膜厚要根据试验情况具 )粒子甄别: 采用吸收膜, 体选择。 控制探测器的耗尽层,去除轻粒子。 体选择。b. 控制探测器的耗尽层,去除轻粒子。
4.4 实验技术和设备
6. 减小干扰的方法: 减小干扰的方法:
(1)靶室与探测器间的物 ) 质尽可能的减少 (2)对应于强束流的入射 ) 要求有较好的靶冷却系统 (3)采用无油真空系统减小 )采用无油真空系统减小C 污染 (4)改进法拉第筒,提高束 )改进法拉第筒, 流测量的精度 (5)采用高 的靶衬底以减小 )采用高Z的靶衬底以减小 干扰反应 (6)克服绝缘靶衬底上的电 ) 荷积累
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