核分析原理及技术第五章ppt课件.ppt

1 第五章瞬发核反应分析NuclearReactionAnalysis NRA 1 引言 a入射粒子b出射粒子A靶核B剩余核Q反应能 带电粒子 中子 Q 0放能 Q 0吸能 2 NRA通常指带电粒子引起的瞬发核反应分析 也叫CPPRA ChargedParticlePromptReactionAnalysis 而 活化分析 NeutronActivationAnalysis简称NAA或ChargedParticleActivationAnalysis简称PAA 是指缓发核反应分析 核反应 出射粒子 10 14s 瞬发 核反应 出射粒子 可测半衰期 缓发 活化 放射性复合核 3 同样的入射粒子和靶核 可以有多个反应道 各反应道开通的条件不同 但同一条件下有可能开通多个反应道 例如 4 2 基本原理 一 出射粒子能量 在非相对论情况下 对核反应a A B b Q有 给定入射粒子 Ma Ea 一定的靶核 MA 和一定的反应道 MB Mb和Q 在 方向出射的粒子的能量Eb有特定的值 B处于不同激发态 Q有不同的值 Eb能谱中与之相对应的位置出现峰 5 二 核反应截面 对薄靶有 核反应微分截面 其值以激发曲线及角分布的形式给出 激发曲线可以从NDT NuclearDate 及相关数据库 见 6 三 深度分析 对厚靶有 核反应的反应因子 比照RBS的K因子 有何异同 7 四 反应条件 对Q 0的阈反应 对Q 0的核反应 才能克服库仑位垒 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 8 3 实验装置与技术 一 实验装置 一般采用静电加速器或串列加速器 获得0 5 5MeV的离子束 探测器 带电粒子 Au Si面垒 闪烁NaI Tl Ge Li 中子 中子探测器 入射粒子多用p d t 3He 粒子等轻粒子 也有用6Li 7Be 15N和19F做轻元素和氢分析的 9 二 粒子鉴别技术 1 本底干扰的来源 a 待测元素其它反应道的出射粒子 b 其它核素的反应产物 c 与核反应同时产生的光子 d 脉冲堆积 短时间内若干小噪声信号脉冲叠加成一个伪信号脉冲 10 2 粒子鉴别 除了要测量粒子能量外 还要再同时测量粒子的另一个动力学参数 如动量 能损 飞行时间 射程等 1 半导体探测器和吸收片 E 例 d p 反应分析TaO5中氧含量 11 加一19 m厚的Mylar膜 可以阻止散射的d粒子进入探测器 克服堆积效应的干扰 且由于 粒子与p0的能损不同而将与 粒子与p0峰值分开 Ed 1 4MeV 30 时 16O d 14N和16O d p0 17O两反应的 粒子和p0峰重叠 12 2 半导体探测器和分析磁铁 E 改变探测器偏压来改变灵敏层厚度 3 望远镜计数器 也叫 E E探测器 13 三 实验条件的选择 1 反应道的选择 选择高Q值 高截面的反应道 干扰反应较少 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 14 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 15 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 常用后角区以减少散射粒子影响 探测器立体角的大小由灵敏度和深度分辨来折衷考虑 16 四 定量分析 1 从能谱分析元素浓度分布 设待测核素浓度分布为n t 则第i道计数 E为道宽 17 若入射粒子能量选择在激发曲线的坪区 即 则有 若选 E 的坪区 能谱形状直接反映杂质的深度分布 反之 若杂质均匀分布 能谱形状直接反映激发曲线 实际测量中采用标样法 18 b 分析深度 t E a 反应道 例如对16O d p 反应 t 600 而对16O d 反应 t 100 c 入射角和出射角 1 2 深度分辨 掠入射可以提高深度分辨 影响深度分辨的因素 19 2 利用共振核反应测定深度分布 在有些核反应激发曲线上 会有尖锐的共振峰存在 将能量选择在峰位上就能发生共振反应 20 共振核反应能量扫描谱 N E0 入射粒子能量为E0时的产额G E0 Ei 能散 平均能量为E0的入射粒子具有能量为Ei Ei dEi的几率F Ei E t 能量歧离 能量为Ei的入射离子在深度t处具有能量为E E dE的几率 E ER 截面分布 粒子能量为E时的微分反应截面 探测器探测效率 21 若不考虑能散及能量歧离 且忽略共振宽度 若考虑上述因素影响 则需做退卷积处理 共振峰宽度决定表面的深度分辨 19F p 16O 22 尖锐 p 共振核反应较深处的深度分辨主要取决于能量歧离 上述情况下 用27Al p 28Si反应测Al分布 最好表面深度分辨达20 23 共振峰越窄 深度分辨越好 共振峰越强 灵敏度越高 孤立共振可分析较厚的靶 多个共振则分析深度取决于邻近共振的位置 几点结论 例如1H 19F 16O的16 4MeV 邻近共振峰能量为17 56MeV 共振可分析的最大深度为4000 而6 42MeV共振可分析的最大深度达12000 24 1 不仅可做元素定量分析 而且可做近表面层内元素的深度分布分析 并有较高的深度分辨 可达20 2 选择性强 对同位素敏感 3 灵敏度高 有天然本底 同一问题可考虑多个反应道 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 25 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 6 一般 能谱不能进行深度分析 用有尖锐共振的核反应产生的 能谱分析可以得到比带电粒子更好的深度分辨 7 对样品无损 8 带电粒子可聚焦 因而用微束可实现微区分析 3 核反应分析的特点 26 3 核反应分析的特点 27 4 应用举例 一 AlON成分的NRA测量 28 29 30 31 32 33 二 利用 d p 反应测定谷物种子中蛋白质含量 13 4MeV氘束引起的14N d p 15N核反应微分截面随角度的增加而增大 而12C d p 13C反应微分截面在120 有最大值 选择在165 实验室几何条件允许的最大角度 和120 放置两路耐辐射的CsI晶体探测器 对小麦 水稻多个样品中的14N 12C进行了测定 34 35 三 利用19F p 16O反应测量矿物中的流体包裹体中F含量 Theenergyspectrumofnuclearreactionforafluidinclusioninmantleolivine 反应道的选取 能量刻度 标样制备及校刻 36 四 用1H 15N 12C反应测石英中的H分布 ResonantNRAprofileinvacuum BAM Berlin forHinaquartzfromachandelierfra