核分析原理及技术第五章PPT课件

.,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、,Q0放能,Q0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+AB+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Q0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0.55MeV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,加一19m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，Q6.419MeV，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：tE,a.反应道：例如对16O(d,p)反应,t600；而对16O(d,)反应,t100。,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EiEidEi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EEdE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,Berl