核反应方法分析氢分布

核反应方法分析氢分布

一、实验目的：

（1）、熟悉串列静电直线加速器的加速原理；

（2）、了解带电粒子与物质的相互作用，及其在物质中的散射的原理；

（3）、学会使用19F 离子分析材料中的H 分布；

（4）、感受使用加速器加速粒子对材料进行的无损离子束分析的优点；

二、实验仪器：

2 x 1.7 MV 串列直线减速器1台、靶室1套、BGO 闪烁体探测器及相应电子学插件1套、H 均匀分布的Si 标准样品1份（含H 比13.9%）、未知H 分布的样品2分（7号、8号）

三、实验原理：

（1） 19F 与1H 的共振核反应

带电粒子19F 射入材料后，与H 原子核发生反应，生成处于激发态的20Ne*核，然后α

1616γ光子，反应道为

由于产生的α粒子和O 离子很难飞出样品材料，所以通过测量核反应发射的γ光子产额来确定核反应发生的次数，进而确定出材料中H 的相对含量。再与已经H 分布的标准样品实验结果比对，得到真实的H 含量。

上述核反应的激发曲线如图1所示。当入射的F 离子能量分别为6.42MeV 和16.44MeV 时，激发曲线出现两个主要的共振峰。共振峰的形状用Breit-Wigner 公式描述为 2()1/2R

R E E E σσ=-⎛⎫+ ⎪Γ⎝⎭

图1、1H(19F,16O) α核反应激发曲线 （2） 共振峰的选择

由于2 x 1.7 MV 加速器的能量限制，实验中利用入射F 离子能量E=6.42MeV 的共振核反应。该反应会发射能量分别为6.13MeV 、6.92MeV 、7.12MeV 的γ光子，其中，能量为6.13MeV 的γ光子大约占97%，因此可以近似认为测量到的γ光子计数全部由6.13MeV 的γ光子贡献。

使用此共振峰的优点在于：○

1 此能量与其它共振峰相距较远，不会受其它共振峰影响；○

2 反应放出的γ光子能量高，可以很好得被分辨，本底干扰小； ○

3 在此条件下可以通过提高束流来减少测量时间。缺点在于6.42MeV 的共振峰有一定的宽度，导致离子入射深度无法精确测量，使深度分布的精度约为20nm 到30nm 。

（3） H 分布的深度分析

当F 离子入射能量高与共振能量时，F 离子与H 原子的反应截面较小，大部分F 离子将受到材料原子的阻止而减速。随着入射深度的增加，F 离子的能量越来越小，当F 离子能量进入共振能量ER 附近时，才与H 核发生共振核反应，放出γ光子。由F 离子的阻止本领可知，F 离子与H 核反生共振核反应时的入射深度为

0/R E E x dE dx -=

串列加速器中，离子源产生的F - 离子，经过一次加速后被剥离为F 4+离子再次加速。因此最终得到的F 粒子能量为

0(41)HV E =+⨯ MeV

F 离子发生共振核反应的深度约为

6(41)HV 6.4210/x dE dx

+⨯-=⨯ A （4） H 分布的含量分析

一个F 离子的共振核反应发射一个γ光子，因此γ光子的产额也就对应着材料中H 的含量，所以BGO 探测器的计数与材料中H 的含量呈正比。假设F 离子在材料中的阻止本领为R

E E dE dx =，材料的密度为ρ，原子序数为A ，共振区的

H 含量为C ，BGO 探测器计数为N ，则

R

E E A dE C N dx ρ=∝

若测得了已知H 含量的标准样品下BGO 探测器的计数C st ，则

R R

E E st st st st stE E dE N dx A C C dE A N dx ρρ===⨯⨯

四、实验步骤：

○1将样品装上靶盘，装入靶室内，对系统抽真空。靶室上接好“束流”线和“抑制”线，“抑制”线加-270V电压；

○2将BGO探测器对准靶室窗，高雅加至580V-600V，测量本底的γ射线能谱，从谱中识别出40K和206Tl的特征γ射线能量1460.7keV和2614.3keV，然后通过这两个能量峰的道址对多道进行能量刻度；

○3根据刻度好的道址-能量关系，确定γ光子能量范围3MeV-7MeV对应的道址区间；

○4将标准样品对准加速器束流线，用束流积分仪控制计数的开始和终止，每次计数的束流积分为20μC，分别在加速电压为1.30MV、1.35MV、1.40MV、1.345MV、1.50MV时测量3MeV-7MeV的γ光子计数；

○5换上7号、8号样品，同样控制束流积分为20μC，加速器加速电压在1.26MV到1.50MV间选取10个电压值测量相应的3MeV-7MeV的γ光子计数；

○6使用SRIM计算出各入射能量下F离子的阻止本领，计算出F离子的入射深度，并通过比对标准样品的γ光子计数得到样品中的H分布。

五、实验结果和分析

（1）本底测量对多道的能量刻度：

40206

道址-能量关系式：

E = 14.6025 x CH+350.9076 keV

3-7MeV的道址区间：182 – 453，选择210 – 450道计数

此区间的本底测量：

2200s内，本底计数为416。

单位时间的本底计数率为0.189 /s

（2）标准样品分析：

标准样品是通过辉光放电在单晶硅表面均匀沉积H的非晶硅层，H均匀分布在表面约2μm内，H含量为13.9%，折合原子序数A st=12.193。

500

600

700

800

900

10001100

C

o u

n

t

x (A)

图2、F 离子入射标准样品不同深度的γ光子计数

（3） 7号样品分析：

7号样品是C 22H 10N 2O 5，密度为1.43 g/cm 3，折合原子序数A=5.026