第4章带电粒子核反应瞬发分析

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
有些核反应，反应截面随能量的变化具有尖锐的共振。入 射粒子能量等于共振能量时，共振发生在样品表面；当入 射能量增加时，共振反应发生在样品的深部。 在共振能量附近逐渐改变入射粒子能量，并在每一入射能 量时测量核反应产额，得到激发曲线。入射粒子能量和发
生共振核反应的深度之间有一一对应关系。所以从测到的
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：
1 Y ( , E0 ) Qcx ( , E0 ) cos 1
（1）
Q入射粒子数；Δ x样品厚度；θ 1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 应微分截面；Ω探测器对样品所张立体角 9
E
1 E R ER , tan 2 /2 2

1 E0 E R E0 ER , tan 2 /2 2
无限厚样品的共振产额：
Y ( )
Qc R
2 S ( ER )

随入射能量的增加，在厚样品的不同深度处发生共振，产额保持 不变，产额曲线呈现出一平台
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。
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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：
2 ( E ER ) 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
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：
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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 产额：
Qc R 1 E E0 0 Y ( E0 ) t an 2 S ( ER ) /2 0 Qc R 1 E0 ER 1 E R t an t an 2 S ( ER ) /2 / 2
2 S ( ER )

相对测量法：
S ( ER )Y () c cs S s ( ER )Ys ()
带下角标s的量表示标准样品的有关参量
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核分析基础及应用
第二节 元素浓度的深度分布测量
快速带电粒子贯穿靶物质时，要经受电离能量损 失，由这能量损失和入射粒子在样品的不同深度
处发生的核反应产额，可提供有关元素浓度的深
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：
2 ma mb Ea Eb mb ma Q (1 ) Eb (1 ) Ea cos MB MB MB
2 ma mb Ea Eb mb ma Q (1 ) Eb (1 ) Ea cos MB MB MB
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核分析基础及应用
第一节 表面元素总量测定
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。
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。
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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 4
( , E ) R
激发曲线可以获得有关元素浓度的深度分布信息。 不同能量 不同深度的激发曲线 不同深度的元素浓度
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核分析基础及应用
第二节 元素浓度的深度分布测量
三、共振核反应法
深度分辨率 测量深度分布时的深度分辨率为几到几十nm范围。 比能谱分析法的深度分辨率好。
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核分析基础及应用
第二节 元素浓度的深度分布测量
Y ( E0 ) Qc
E0
( , E )
S (E)
E 0 E
dE
E0 1 Qc ( , 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：
Qc R 1 E E0 Y ( E0 ) tan 2 S ( ER ) /2 E 0 E
1 Y ( , E0 ) Qcx ( , E0 ) cos 1
（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:
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核分析基础及应用
第二节 元素浓度的深度分布测量
二、能谱分析法
测量带电粒子核反应A(a,b)B中的出射带电粒子能谱，根据
能谱以及入射和出射带电粒子在物质中的能量损失，获得
深度分布信息。
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核分析基础及应用
第二节 元素浓度的深度分布测量
二、能谱分析法
(a)实线、法线、探测方向三
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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 无限厚样品的共振产额：
Y ( )

Qc R
2 S ( ER )
如邻近存在几个共振峰， 产额曲线呈阶梯状
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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 绝对测量法：
Y ( )
Qc R

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核分析基础及应用
第二节 元素浓度的深度分布测量
一、能量损失的歧离效应
薄样品：能量损失小，能量歧离用瓦维洛夫分布表示。 厚样品：能量损失大，能量歧离用高斯分布表示。
( E E )2 1 f ( E) exp 2 2 s 2 s
标准偏差σs用玻尔的近似公式计算：
四、能谱和激发曲线的处理
实验测量到的能谱和激发曲线是理想能谱和激发曲线与 能量分布函数的卷积。
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核分析基础及应用
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
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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
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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
二、能谱分析法
深度分辨率
由于入射带电粒子的固有能散度、能量歧离效应、探测
器的有限能量分辨率影响，探测器记录到的样品中同一
深度x处发射的粒子能量有一分布(谱线展宽)，因而造成
对深度分析的不确定性。 只有当深度间隙Δx=x1-x2内核反应产生的出射粒子能量 差大于探测系统的能量分辨率ΔED时，才能区分开不同 深度x1和x2。
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？ ① 入射粒子的能散度(能量分散性)；
Z2 s 0.395Z1 ( x)1 / 2 (MeV ) A2
Z1——入射粒子原子序数；Z2、A2——靶物质原子序数和质量数； 24 Δx——厚度，单位g/cm2
核分析基础及应用
第二节 元素浓度的深度分布测量
一、能量损失的歧离效应
分布曲线的半高宽：
s 2.355 s
能量歧离效应影响元素分析的深度分辨率。
（带电粒子活化分析）、带电粒子瞬发分析。
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
x 1 Y ( , E0 ) Qc ( , x)dx cos 1 0 E0 1 ( , E ) Qc dE E E dE 0 cos 1 dx
（1）
S ( E ) 阻止本领
Δ E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？
E0

测得激发曲线峰面积：
l

0
Qc R Y ( E0 )d E0 E 2 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
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：
靶厚度增加激发曲线变宽
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核分析基础及应用
第二节 元素浓度的深度分布测量
二、能谱分析法
探测系统的能量分辨率包括哪些因素：
① 探测器分辨率
② 几何因素(运动学展宽)
③ 能量歧离因素
④ 多次散射 ⑤ 入射束的能量分布
能谱分析法的典型深度分辨率为几十到几百nm量级
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核分析基础及应用
第二节 元素浓度的深度分布测量
三、共振核反应法
者在同一平面内。
② 入射能量选在截面曲线的
平坦区域。
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核分析基础及应用
第二节 元素浓度的深度分布测量
二、能谱分析法
在实际分析应用中，用已知元
素含量分布的标准样品与待分
析样品作对比测量，则把相同 条件下测得的能谱逐道比较， 就可获得深度分布信息。
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核分析基础及应用
第二节 元素浓度的深度分布测量
度分布信息。 这是一种非破坏性深度分布分析方法。
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核分析基础及应用
第二节 元素浓度的深度分布测量
一、能量损失的歧离效应
歧离效应：快速带电粒子在物质中的能量损失是带电粒子 与许多靶原子的电子相互作用的平均能量损失。由于碰撞 事件的统计涨落，带点粒子的能量损失有一涨落。 带电粒子贯穿一定厚度后能量分布展宽；带电粒子损失某 一确定的能量时，粒子所经过的路径长度有一分布。
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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。
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O(d , p1 ) O
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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
对θ 求微分
E Eb b
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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。