核反应分析Nuclear Reaction Analysis(NRA)
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
核反应分析Nuclear Reaction Analysis(NRA)
4.4 实验技术和设备
6. 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C 污染
（4）改进法拉第筒，提高束 流测量的精度
（5）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
（3）测量：通过标样法（CaF2），得出带测样品的相对含量，从而可 进行进一步的分析。
E
R
EER2/2 1源自R42xx'
x : 为x粒子分宽度，决性 定散 于射 弹几率
x' : 为x'粒子分宽度，决应 定几 于率 反
Γ ER
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
4. 深度分布：
• 对于共振反应，在共振能量ER附近，改变入射能量E0。测量 反应产额随E0的关系，可以给出深度分布的信息：
集成电路中采用Al作布线金属，先蒸发一层Al后再退火处理，声 称硅铝合金，合金层的厚度即合金的含量对集成电路的性能影响很大， 因而在实际应用中这一量的控制也很重要。 测量时采用相对比较法：标样是99.999%的纯铝，制成薄膜。 待测样品：硅上镀铝，退火后用化学方法腐蚀掉表面的纯铝层。 采用能量为992keV的质子束，通过铝的共振峰测量铝的相对含量。
4.4 实验技术和设备
3. 谱线的获取装置
（1）探测γ射线装置（参见PIXE讲稿的叙述） （2）探测带电粒子的装置（参见RBS讲稿的叙述）
4.获取的谱线实例（如图）
X轴对应于靶的深度，Y轴对应 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 度。
核反应堆物理分析公式整理
核反应堆物理分析公式整理核反应堆物理分析是指对核反应堆内的核素变化、能量释放、流量分布等物理过程进行分析和计算的过程。
通过分析，可以评估反应堆的安全性、经济性和可靠性，并优化反应堆设计及运行策略。
在核反应堆物理分析中，使用了一系列的公式来描述和计算相关物理量。
下面是一些核反应堆物理分析常用的公式。
1.反应速率方程：核反应堆中的核反应过程可以用速率方程来描述。
速率方程的一般形式为：R=RRRRR其中，R表示反应速率，R表示中子瞬时速度（即，每次碰撞转换成核反应的中子数），R表示中子通量密度，R表示反应截面，R表示燃料中的核素数密度，R表示物质密度。
2.中子产生与灭亡速率：核反应堆中的中子既有产生，又有灭亡。
中子产生与灭亡速率可以用如下方程描述：RR=RRRRRR−RRR其中，Rn表示中子产生与灭亡速率，R表示中子瞬时速度，R表示源项，R表示燃料中的核素数密度，R表示物质密度，R表示吸收截面，R表示催化剂的产生速率。
3.中子扩散方程：反应堆中的中子在空间上呈扩散运动，并服从扩散方程：∇.(-D∇R)+RR_R+RRR∇.−∇(R/R)=0其中，D表示扩散系数，RR_R表示吸收源项。
4.燃耗方程：核反应堆中燃料的核素数（或浓度）随时间的变化可以用如下方程描述：RR/RR=−∑(RRR)−∑(RRRR)其中，R表示中子瞬时速度，R表示中子通量密度，R表示截面，R表示燃料中的核素数密度，R表示衰变常数，R表示体积。
5.中子平衡方程：在反应堆内，中子产生与灭亡速率相等，则有中子平衡方程：RR=R/R(−∑(RRR)−∑(RRRRRR)+R∑(RRRRR))+RR=0其中，RR表示中子产生与灭亡速率，R表示燃料中的核素数密度，R表示体积，R表示中子瞬时速度，R表示中子通量密度，R表示截面，RR表示散源项。
这些公式只是核反应堆物理分析中的一部分，还有很多其他公式用于描述和计算其它物理量。
在实践中，还需要根据特定反应堆的设计和运行条件，结合适当的假设和参数来应用这些公式。
核反应堆物理分析第1章
中子也具有波粒二重性.其波长为 4.551012 meter
E
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
AzX + 01n → [A+1ZX]* → A-3Z-2X + 42He 例如: 105B + 01n → 73Li + 42He
在低能区,这个反应截面很大,所以105B被用作热中子反应 堆的反应性控制材料。
核反应堆物理分析第1章
❖ 核裂变
核裂变是反应堆中最重要的核反应，235U,233U, 239Pu, 241Pu 在低能中子的作用下发生裂变反应可能性较大，称为 易裂变同位素，232Th, 238U, 240Pu只有能量高于某一阈值 的中子的作用下才发生裂变反应，称为可裂变同位素。 目前堆中最常用的核燃料是235U。
核反应堆物理分析第1章
1.1.3 中子的散射
散射是使中子慢化的主要核反应过程。有弹性散射和 非弹性散射。
非弹性散射：中子被靶核吸收形成处于激发态的复合核， 然后靶核通过放出中子并发射γ射线而返回基态。
只有当入射中子的动能高于靶核第一激发态的能量时 才能使靶核激发。非弹性散射具有阈值的特点。看表1。
对于不同的核反应过程： Ra nva Rf nvf
多种元素组成的均匀混合物质：
m
Rn v 1n v2nvi n v
i1
核反应堆物理分析第1章
❖ 中子通量密度（Neutron Flux）
nv
单位是 中子∕m2s, 等于该点的中子密度与相应的中子速 度的乘积，它表示单位体积内所有中子在单位时间内穿行 距离总和。是标量不是矢量。与磁通量，光通量概念不同。
核反应中的裂变产物与聚变产物分析
核反应中的裂变产物与聚变产物分析核反应是指原子核发生变化的过程，其中包括裂变和聚变两种类型。
裂变是指重核分裂成两个或多个较轻的核片段，而聚变是指两个或多个轻核聚合成一个较重的核。
在核反应中，会产生各种不同的裂变产物和聚变产物。
本文将对核反应中的裂变产物和聚变产物进行分析。
一、裂变产物分析裂变是指重核分裂成两个或多个较轻的核片段的过程。
在裂变过程中，会产生大量的裂变产物，其中包括中子、裂变产物核片段和释放的能量。
1. 中子在核裂变过程中，会释放出大量的中子。
这些中子可以继续引发其他核反应，如继续裂变或引发聚变等。
中子的释放对于维持核链反应的持续进行至关重要。
2. 裂变产物核片段裂变产物核片段是指在核裂变过程中产生的两个或多个较轻的核片段。
这些核片段的质量和原子序数可以根据裂变反应的类型和原始核的性质来确定。
裂变产物核片段的质量和原子序数的分布对于核反应的研究和应用具有重要意义。
3. 能量释放在核裂变过程中，会释放出大量的能量。
这是由于裂变产物核片段的质量差异引起的。
根据爱因斯坦的质能方程E=mc²，质量差异会转化为能量的释放。
核裂变的能量释放对于核能的利用具有重要意义。
二、聚变产物分析聚变是指两个或多个轻核聚合成一个较重的核的过程。
在聚变过程中，会产生大量的聚变产物，其中包括中子、聚变产物核和释放的能量。
1. 中子在核聚变过程中，也会释放出大量的中子。
这些中子可以继续引发其他核反应，如继续聚变或引发裂变等。
中子的释放对于维持核链反应的持续进行至关重要。
2. 聚变产物核聚变产物核是指在核聚变过程中产生的较重的核。
聚变反应通常涉及氢同位素（氘和氚）的聚变，产生的聚变产物核包括氦和其他轻核。
聚变产物核的质量和原子序数可以根据聚变反应的类型和原始核的性质来确定。
3. 能量释放在核聚变过程中，同样会释放出大量的能量。
聚变反应的能量释放是由于聚变产物核的质量差异引起的。
核聚变的能量释放对于核能的利用具有重要意义。
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
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/
NuclearReaction4-1
核反应的分类
5) 按物理机制分类 (a) 直接反应 (b) 复合核反应 (c) 熔合反应 (d) 碎裂反应 (e) 核裂变反应 (f) 核聚变反应
诱发裂变 自发裂变
4.1 核反应概述
反应道
4.1 核反应概述
2
= (Δa + Δ A ) − (Δb + Δ B ) = (Bb + BB ) − (Ba + BA )
Q > 0 为放能反应；Q < 0 为吸能反应。
6
Li + d → 4 He + α + 22.4 MeV
Q方程
4.2 核反应能
Q 方程 反映核反应能 Q 与反应中有关粒子(入 射、出射粒子)的动能之间关系的方程。 Q 方程有什么用？
2 B
2 aΒιβλιοθήκη 2 b PBθ
P = mv 2 2 1 1 ( mv ) P 2 T = mv = = 2 2 m 2m
P = 2mT
有： 2m BTB = 2maTa + 2mbTb − 2 4ma mbTaTb cosθ
2
Q = (Tb + TB ) − (Ta + TA ) , 上式代入：
TA = 0
mB m b TB Tb
反应能
Ta TA
由能量守恒： ( ma + m A )c 2 + (Ta + TA ) = ( m B + mb )c 2 + (Tb + TB ) 定义 反应能Q 为： Q = (Tb + TB ) − (Ta + TA )
= (m
a
+ mA
)c
2
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。
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，实际上与我们的生活息息相关。
从为我们提供能源的核电站，到探索宇宙奥秘的天体物理研究，核反应都扮演着至关重要的角色。
那么，核反应究竟是怎样的一个过程呢？让我们一起来揭开它神秘的面纱。
要理解核反应，首先得清楚原子核的结构。
原子核由质子和中子组成，它们紧密地结合在一起。
然而，这种结合并不是绝对稳定的，在一定条件下，原子核会发生变化，从而引发核反应。
核反应主要分为两种类型：核聚变和核裂变。
核聚变，简单来说，就是将轻的原子核融合在一起，形成更重的原子核。
这一过程会释放出巨大的能量。
最常见的核聚变反应就是太阳内部发生的氢核聚变。
在太阳的核心，高温和高压的环境使得氢原子核相互碰撞融合，形成氦原子核，并释放出大量的能量。
这就是太阳能够持续发光发热数十亿年的原因。
在地球上，科学家们也一直在努力实现可控核聚变。
如果能够成功掌握这一技术，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，需要创造出极高的温度和压力条件，让原子核有足够的能量克服彼此之间的排斥力，从而发生融合。
目前的技术还难以长时间维持这样极端的条件。
核裂变则与核聚变相反，它是将重原子核分裂成较轻的原子核。
一个典型的例子就是铀-235 的裂变。
当一个中子撞击铀-235 原子核时，它会分裂成两个较小的原子核，并释放出更多的中子以及大量的能量。
这些释放出的中子又可以继续撞击其他铀-235 原子核，引发链式反应，从而释放出更多的能量。
核裂变在核电站中得到了广泛的应用。
通过控制中子的数量和速度，可以实现核裂变反应的可控进行，从而稳定地输出电能。
然而，核裂变也存在一些问题。
首先，核燃料的储量是有限的，而且开采和加工核燃料会带来一定的环境风险。
其次，核裂变产生的放射性废物需要妥善处理和存放，否则会对环境和人类健康造成严重的威胁。
无论是核聚变还是核裂变，核反应过程中都会伴随着能量的释放和物质的转化。
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４ ５M 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４ ５MV 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０ ８~３ ６M 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１ ５μm ,实验误差约为７ ５％.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 ４ ５M 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 f４ ５MV 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 m０ ８M e Vt o３ ６M 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 １ ５μma n d t h e e x pe r i Ｇm e n t a l e r r o r of ７ ５％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４ ５MV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０ ８~３ ６M 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４ ５MV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４ ５M 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３ ８M 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４ ５MV 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０ １％,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４ ５MV 静电加速器布局示意图F i g．２㊀S c h e m a t i c o f ４ ５MVe 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８ １m 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０ １２８m 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５ ４８６M e V 时的能量分辨率分别为０ ４２％和０ ３８％.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.４ ５M V 静电加速器可提供能量０ ８~３ ６M 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１ ４ˑ１０１８c m －２.对薄膜样品,有:σ(E )＝Y /N ０ΩN t(９)㊀㊀图４为能量２ ２M 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２ ４％,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１ ６％,N R A 路立体角归一化误差约为２ ７％,标样氘浓度的误差约为５％,微分截面的总测量误差约为６ ２％.依照以上方法可在０ ８~３ ６M e V９０９第５期㊀㊀高㊀原等:北京大学４ ５MV 静电加速器核反应分析系统图４㊀能量为２ ２M 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 ２ ２M 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１９ ２９g /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１ ５μm .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４ ５MV 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１ ４ˑ１０１９c 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０ ７~４ ２M e V )和北京大学４ ５MV 静电加速器N R A 系统(系统２,３H e ＋能量０ ８~３ ６M 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１ ４ˑ１０１９c 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４ ５MV 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４ ５MV 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３ ９％,阻止本领误差约３ ９％,立体角误差为４ ６％,入射粒子拟合误差约１ ３％,深度分布总测量误差约７ ５％.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４ ５MV 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１ ５μm .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４ ５MV 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。
3.3中子活化分析技术
活化分析基于核反应中产生的放射性核， 其放射性活度由下式（3-5）给出：
A t f N (1 e
• • • • • •
0.6 9 3 / T1 / 2 t
)
式中 T1/2—半衰期； f—粒子注量率； σ—核反应截面； N—靶核数目； t—照射时间； At—照射t时间时生成的放射性 核素的放射性总活度。
6. 根据 射线能谱（能量和强度）
以及半衰期等分析，确定样品中 对应稳定核素及其含量。
4）中子活化分析设备
中国 原子 能科 学院 重水 实验 反应
5）中子活化分析广泛用于： 头发样品、水质分析*
计数
中子活化 冷却4小时后测量痕量元素7种
能量
若4 周后测量，还有其他痕量元素存在。
6）中子活化（ n, ）分析探测限
核素
55Mn
同位素丰度
100%
探测限* g
10-11 – 10-12
107Ag
197Au 64Ni 75As 202Hg 65Cu 121Sb
51%
100%
10-9 – 10-10
10-10 – 10-11
1.2%
100% 30% 31% 57%
核反应与核能释放
核反应与核能释放核能是一种相当重要且复杂的能源形式，它源自于核反应中释放的能量。
本文将探讨核反应的定义、分类以及核能的释放机制。
一、核反应的定义和分类核反应是指原子核内的粒子重新组合或衰变过程中发生的能量变化。
核反应可以分为两类：核裂变和核聚变。
1. 核裂变：在核裂变过程中，重核（通常指铀或钚）在被中子轰击后分裂成两个较轻的核片段。
同时，相应的能量也被释放出来。
这种能量释放是基于爱因斯坦的质能方程E=mc²，其中E代表能量，m代表质量，c代表光速。
2. 核聚变：核聚变是指两个较轻的核粒子合并成一个更重的核粒子的过程。
核聚变通常发生在太阳和其他恒星的内部，是宇宙中产生能量的主要机制。
二、核能的释放机制核能的释放是通过核反应中的能量转化而实现的。
无论是核裂变还是核聚变，能量都是由原子核内的粒子重新组合或衰变引起的。
1. 核裂变的能量释放机制：在核裂变反应中，重核的原子核被中子击中后分裂成两个较轻的核片段，并释放出中子和能量。
这些能量主要以两种形式体现：动能和电磁辐射能。
其中，动能以粒子的高速运动形式存在，而电磁辐射能则以γ射线的形式释放出来。
2. 核聚变的能量释放机制：核聚变反应需要高温和高压条件，通常在恒星的核心发生。
核聚变过程中，轻核粒子融合成一个更重的核粒子，并释放出能量。
与核裂变不同，核聚变释放的能量主要以高速带电粒子和中性粒子的形式存在。
三、核能的应用与展望核能的释放具有巨大的潜力，可以广泛应用于许多领域，如电力供应、医学和研究。
目前，核能已经成为一些国家的主要能源来源之一，并被广泛用于发电。
核能发电具有可持续性、高效性和低碳排放等优点，然而，核能也存在核废料处理和核安全等问题，需要严格的管理和监管。
未来，核能的发展趋势将集中在核聚变技术的研究和应用上。
相较于核裂变，核聚变具有更高的能量密度和更少的放射性废料产生。
尽管核聚变技术的实现仍然面临许多挑战，但科学家和研究人员持续努力，以期实现清洁、可持续的核聚变能源。
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。
核分析原理及技术
应道。适当选择反应道可使待测元素产物处于 能谱中无干扰位置，并有强产额，可以实现轻 元素本底探测。 (4) 精度好，很少需要样品处理，减少引进外来元素 的机会。
3. 核反应分析的特点
(5) 对低Z（<20）元素分析特别有效，并可实现一些 轻核的同时分析。
Z1Z2
1
1 (MeV)
Ma 3 MA 3
才能克服库仑位垒
对Q<0的阈反应
Ea
Eth
MA Ma MA
Q
高、中Z值的核库仑势垒大，当入射粒子为MeV量级时
不能发生核反应。且如果发生核反应，其相应的Q值也
很大，往往比入射粒子能量高。因此核反应方法适于分
析重基体中的轻元素杂质。
§3.实验装置与技术
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。
Ina Reiche， et al. NIM B 249 (2006) 608–611 ERDA
本章结束
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。
核分析技术
中子活化分析原理
A t ' = N (1 e
In 2 t T1/2
)e
In 2 ' t T 1/2
若靶核的丰度为������ m0 这种靶元素的摩尔 , 靶元素的质量为 N A , 整理可得到样品中这种靶 质量为M , 阿伏加德罗常量为 核的数目为
N A m0 N M
最后得到中子活化分析理论方程式:
N A m0 A t' = (1 e M
In 2 t T1/2
)e
In 2 ' t T1/2
中子活化分析原理
由于实际实验中探测器的效率不可能为100% , 设为������ 实际活化方程式为
N A m0 A t' = (1 e M
In 2 t T1/2
,则
)e
In 2 ' t T1/2
• 中子活化分析设备—γ能谱探测系统
– 结构
高压电 源 探 测 器 低压电 源
前置 电路
主 放大 器
多道 脉冲 幅度 分析 器
接口
微计 算机 系统
• 中子活化分析设备—γ能谱探测系统
中子活化技术的应用趣例
1） 恐龙灭绝原因 2） 破解拿破伦死亡之谜 3） 破解牛顿死亡之谜 4） 秦兵马俑“产地” 之谜 5） 第一起使用中子活化分析侦破的案例 6） 古老照片的复活：
、 由上式可知, 在测量中必须知道 、 B 、、M、t、 t ' 等物理量, 才能求出在样品中待测元素A 的质量 m0 , 这就是 中子活化分析的绝对分析法。
由于绝对分析法必须很准确地知道上述各种核参数, 而准确 等非常困难,所以在实际分析测量 测定这些核参数, 如 、 中很少采用, 而是采取相对分析法, 即事先配制含有已知质量 的标准样品 m标 , 与待测样品在相同条件下活化和测量, 由此 可得：
现代物理实验之RBS
•
IONIZATION – the electron is ejected from its atomic orbit or
•
ATOMIC EXCITATION – the electron is raised to an outer orbit
一、 引言 3、RBS分析及其特点
背散射分析就是在一束单能的质子、 粒子或其他重离子束轰击固体表面时,通 过探测卢瑟福背散射（弹性、散射角大于 90度）离子的能量分布（能谱）和产额确 定样品中元素的种类（质量数）、含量及 深度分布。因此背散射分析通常被称为卢 瑟福背散射谱学RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry).
入射离子能量对RBS质量分辨率的 影响
M
E dK
(
E0 dM
)
1
入射离子能量E0越高，RBS质量分辨 率越好。但E0太高会产生非卢瑟福散 射甚至核反应。一般：p ~300KeV， 1~3MeV
M对RBS质量分辨率的影响
粒子诱发X射线荧光分析
Particle Induced X-ray Emission(PIXE)
弹性反冲分析
Elastic Recoil Detection(ERD)
离子束分析作用机制图
原 子 Nuclear Reaction Analysis(NRA) 核 作 用 卢瑟福背散射分析 范 Rutherford Backscattering Spectrometry(RBS) 畴
内容:
一、引言 二、RBS分析原理 三、RBS实验装置 四、RBS应用 五、总结 六、实验安排
一、引言
中子活化分析范文
中子活化分析范文中子活化分析（Neutron Activation Analysis, NAA）是一种用于物质样品分析的无损分析方法。
它基于核化学的原理，通过将样品暴露在中子束中，使其发生中子活化反应，进而实现对样品中元素的分析与定量。
中子活化分析的工作原理是将待测样品暴露在由加速器或核反应堆产生的中子束中。
中子与样品中的原子发生弹性碰撞，通过中子俘获产生放射性同位素，这些同位素具有不稳定的核结构，进而放射出特定的射线，如γ射线、β射线等。
通过检测和测量这些放射线的强度和能量，可以确定样品中元素的含量和同位素的种类。
1.灵敏度高：由于中子俘获反应是一种核转变反应，它的灵敏度高，可以实现对微量元素的检测和分析。
相比之下，其他分析方法如原子吸收分光光度法和电感耦合等离子体发射光谱法的灵敏度相对较低。
2.多元素分析：中子活化分析可以同时分析多种元素。
不同元素对中子俘获的效率和放射性同位素的半衰期有所不同，因此可以通过选择适当的中子源和检测器来实现对不同元素的分析。
3.无损分析：中子活化分析是一种无损分析方法，不需要破坏样品。
这样可以保护样品的完整性，并且在分析过程中可以对样品进行多次分析。
4.反应速度快：中子活化分析的反应速度相对较快。
中子活化反应的半衰期通常在几分钟到几天之间，因此可以迅速得到分析结果。
然而，中子活化分析也存在一些限制：1.中子源选择：中子源的选择对中子活化分析的结果和实验条件有重要影响。
不同的中子源具有不同的能量和强度，对不同元素的分析有不同的适用性。
选择合适的中子源需要在实验前进行充分的研究和评估。
2.样品预处理：由于中子活化分析是一种无损分析方法，对样品的预处理要求较高。
样品应尽可能纯净，避免含有杂质对分析结果造成干扰。
并且样品的密度和形状也会对中子活化分析的结果产生影响。
3.放射性废物处理：中子活化分析的样品在分析过程中会产生放射性同位素，这需要进行放射性废物处理。
正确处理和处置这些放射性废物需要严格的安全措施和合规性。
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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 ，
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 )
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。
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。
4.3.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
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 ）
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：
• 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。
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.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
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。
4.3.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：
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 − ER ) 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
4.4 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
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
• 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