核分析基礎成都理工高校核自學院其次章帶電粒子活化分析ChargedParticleActivationAnalysis核活化分析除了中子活化分析外，還有帶電粒子活化分析和光子活化分析。這些活化分析技術的輻照條件各不相同，但測量方法大體相同。分析元素的范圍和靈敏度，以及分析的樣品厚度也有差異。其次章帶電粒子活化分析ChargedParticleActivationAnalysis自1938年用氘d束轟擊樣品用于分析以來，帶電粒子活化分析有了較大的發展，從p、d、α、３He等重帶電粒子活化發展到重離子活化。應用也不斷推廣，已成為樣品表面層輕元素分析的重要工具。CPAA起始于上世紀五十年頭后期，已發展成為一種較為成熟的材料分析手段。其次章帶電粒子活化分析概述具有確定能量的帶電粒子與原子核發生核反應時，假如反應的剩余核是放射性核素，則測量這放射性核素的半衰期和活度，就可以確定樣品中被分析元素的種類和含量。帶電粒子活化分析也包括三個主要步驟：輻照、冷卻和測量。其次章帶電粒子活化分析概述在冷卻階段可進行必要的放射性化學分別和樣品表面沾污層腐蝕處理工作。由測得的放射性活度按確定的標準化方法計算出元素濃度。其次章帶電粒子活化分析概述由于帶電粒子在靶物質中運動時經受能量損失，在靶中不同深度處粒子能量不同，因而反應截面不同，反應產額隨之而變更。所以，在推導帶電粒子活化分析公式時，要區分薄樣品和厚樣品。σt為總的截面，σa為某一特定反應道的截面；Eth為某一能量，叫反應閾能其次章帶電粒子活化分析帶電粒子活化分析原理入射粒子和靶發生核反應的條件入射粒子和靶和發生核反應的條件是兩者的相對動能必需滿足：其次章帶電粒子活化分析帶電粒子活化分析原理帶電粒子引起的核反應表達式反應前后總電荷值和能量守恒，反應規律遵從微觀量子力學的運動規律，一般狀況下放射粒子為γ光子、中子、質子和α粒子。其次章帶電粒子活化分析帶電粒子活化分析原理核反應的產生率定義：單位時間入射粒子在靶中引起的核反應數，用P(t)表示。產生率的一般表達式：a)加速器束流的品質有確定的能量分布g(E0,Ei)，代表具有能量在Ei到Ei+dEi之間的粒子數占總數的份額，也就是粒子具有能量為Ei的幾率。b)粒子穿透確定的深度后會產生確定的能量歧離f(Ei,E,x)，表示能量為Ei的粒子在進入深度為x處時，由于能損，使其能量變為E到E+dE之間的幾率。其次章帶電粒子活化分析帶電粒子活化分析原理核反應的產生率定義：單位時間入射粒子在靶中引起的核反應數，用P(t)表示。所以，深度x處，待測元素含量為C(x)的反應產生率為：其次章帶電粒子活化分析帶電粒子活化分析原理核反應的產生率1）薄樣品分析設樣品厚度為△x，若能量為E0的帶電粒子穿透△x時能量損失△E很小，則我們稱這種樣品為薄樣品。在薄樣品中反應截面σ幾乎不變，可視為常數。可用能量E0和E0—△E間隔內的平均截面作為活化截面。其次章帶電粒子活化分析帶電粒子活化分析原理核反應的產生率1）薄樣品分析在薄樣品內，元素的濃度分布可看作為常數，即C(X)=C0。則反應產生率為：其次章帶電粒子活化分析帶電粒子活化分析原理核反應的產生率D[cm]A[cm2]C[atoms/cm3]I[s-1]束流強度S-1單位體積內的原子數cm-3截面cm-2樣品厚度cm其次章帶電粒子活化分析帶電粒子活化分析原理核反應的產生率2）厚樣品分析D*E0EthE=0R(Eth)R(E0)

D*:活化有效路徑

D*=R(E0)-R(Eth)Eth:帶電粒子核反應閾能R(Eth),R(E0):能量分別為Eth

和E0時的射程

其次章帶電粒子活化分析帶電粒子活化分析原理核反應的產生率2）厚樣品分析入射粒子能量單一，待測元素勻整分布，即C(x)為常數，能量歧離現象忽視，則反應產生率為：理論計算與試驗結果表明，對不同的靶材料Z2=4~57,平均截面變更僅為3%，可認為與靶材料性質無關。其次章帶電粒子活化分析基本原理公式束流強度恒定，即放射性核的產生率不變，則與中子活化分析原理類似有：其次章帶電粒子活化分析輻照樣品的放射性核數目輻照ti時刻，樣品中的放射性核數目：輻照結束時—t0時刻—樣品中的放射性活度：冷卻到t1時刻的活度：探測器測量到的總計數：其次章帶電粒子活化分析測量方法含量測定方法可分為確定測定和相對測定兩種。1）確定測量利用上述公式，并求出或測量出入射粒子的總數（即束流強度）、探測器的立體角、反應截面和探測效率等量。因此，確定測量結果精度不高，而且計算繁瑣。其次章帶電粒子活化分析測量方法2）相對測量已知元素含量的標準樣品與待測樣品在相同的粒子能量下輻照，相同的測量條件下測量其次章帶電粒子活化分析測量方法活化有效路徑的計算N:單位體積內的靶原子數；I0:平均電離能；Z1,Z2:入射粒子和靶核電離能；m0:電子質量；

δ：相對論修正項；殼修正：C/Z2

其次章帶電粒子活化分析常用的帶電粒子

proton,deuteron,tritium,3He,4He常用的帶電粒子活化核反應

(d,n)AX(n,gamma)A+1XX(d,p)A+1X

放射性核素多為beta+

衰變。設備加速器：靜電，串列，回旋冷卻系統樣品制備與表面腐蝕處理，固樣，直徑約15mm,厚度約5mm其次章帶電粒子活化分析放射性測量系統NaI（Tl）探測器；定量：峰面積；定性鑒別元素：半衰期氮氣靶室液氮其次章帶電粒子活化分析干擾問題不同元素經照射后生成相同放射性核素的干擾例：11B(p,n)11C分析B閾能：2.8MeV14N(p,α)11C閾能：4.0MeV依據閾能，變更入射粒子能量入射粒子(p)的能量(E0)小于4.0MeV即可其次章帶電粒子活化分析干擾問題不同元素經照射后生成不同放射性核素,但放射的γ射線能量相同的干擾18O(p,n)18F分析濃縮18O16O(p,α)13N和13C(p,n)13N18F和13N都是β+衰變核素,對0.511Mevγ峰都有貢獻,但是T1/2(18F)=110minT1/2(13N)=10min依據半衰期，增加輻照后的冷照時間t其次章帶電粒子活化分析干擾問題不同元素經照射后生成不同放射性核素,但放射的γ射線能量相同的干擾50100150103104105計數率min-1tmin18FHybrid（混合物）13N其次章帶電粒子活化分析帶電粒子活化分析技術主要應用于樣品表面層的痕量輕元素分析以及某些重元素分析。如B、C、N，O、P、S、Pb、Nb等。入射帶電粒子與輕元素之間的庫倫勢壘低；其次章帶電粒子活化分析入射帶電粒子與重元素之間的庫倫勢壘雖然較高，但對有些重元素（如Pb，Nb），其它分析方法靈敏度低。雖然帶電粒子活化做常規分析不是特殊便利，但可用來標定其它分析方法的測量結果。其次章帶電粒子活化分析分析的主要基體材料：Si,Ge,GaAs半導體材料和各種金屬、合金材料分析的主要元素：B、C、N，O、P、S。如：Zr合金是一種熔點高、強度大、抗腐蝕性好、中子俘獲截面小的材料，是核動力工程中重要的結構和包裝材料要求極低的硼含量11B(p,n)11C或10B(d,n)11C其次章帶電粒子活化分析測量方法回旋加速器：6.7MeV質子束轟擊樣品;52Cr(p,n)52mMn反應做束流監測fluxmonitor;塑料閃爍體探測測量11C的0.96MeV正電子;NaI探測湮滅光子；beta-gamma符合測量裝置，可有選擇性地測量11C其次章帶電粒子活化分析C：12C(d,n)13NN：14N(d,n)15OO：16O(3He,p)18F第三章帶電粒子核反應瞬發分析帶電粒子核反應分析包括帶電粒子緩發分析(即帶電粒子活化分析)帶電粒子瞬發分析。帶電粒子核反應瞬發分析法是干脆測量核反應過程中伴隨放射的輻射確定反應原子核的種類和元素濃度的方法。第三章帶電粒子核反應瞬發分析伴隨放射的輻射包括出射的帶電粒子、γ射線，以及出射的中子。這種分析方法較之帶電粒子活化分析法具有更多的優越性：方法簡便、分析速度快，可利用不同的核反應道、不同的出射粒子和核反應運動學關系更有利地鑒別元素和消退干擾反應，特殊是它能在不破壞樣品結構的狀況下供應元素深度分布信息。第三章帶電粒子核反應瞬發分析帶電粒子與輕元素的反應Q值大，產額高，只用幾個MeV能量的帶電粒子就可以進行高靈敏度元素分析。帶電粒子核反應瞬發分析是樣品表面層輕元素分析不行缺少的一種分析方法。它的應用范圍很廣，早在60年頭就被用來分析靶物質中的雜質成分。近些年來在提高分析靈敏度和深度辨別率方面有了不少進展。第三章帶電粒子核反應瞬發分析基本原理設入射粒子的數目為Q，對樣品的入射角為θ，探測器的立體角和探測效率分別為Ω和ε，樣品中待分析元素的原子密度為N，厚度為t，則通過核反應所探測到的出射粒子的Y計數為:第三章帶電粒子核反應瞬發分析基本原理E0和Ex分別為入射粒子在樣品表面和深度x處的能量,σ(Ex)為入射粒子在能量Ex時的核反應截面。若為薄樣品，入射粒子的能量在樣品中變更不大，Ex≈E0和σ(Ex)≈σ(E0)，則上式簡化為：第三章帶電粒子核反應瞬發分析基本原理為避開核反應截面的計算困難，樣品的定量分析常用相對法進行，對于標準樣品，用角標s表示，則可計算待測樣品的元素含量Nt(即單位面積上待分析原子的數目)：第三章帶電粒子核反應瞬發分析工作方法核反應分析多運用能量在0.5～4MeV范圍的質子(p)、氘核(d)或氦核(α粒子)為入射粒子。相應選用的反應如:質子：(p，d)，(p，γ)，(p，n)氘核：(d，p)，(d，γ)，(d，n)此外，有時也用重粒子，如16O，14N，19F等。第三章帶電粒子核反應瞬發分析工作方法出射粒子有三種：帶電粒子：如p，α，運用金硅面壘半導體探測器探測；γ射線：用NaI(Tl)閃爍譜儀、半導體探測器探測；中子(n)：可用中子管或塑料閃爍晶體測量強度，用中子飛行時間譜儀測量能譜。第三章帶電粒子核反應瞬發分析工作方法進行分析用的核反應依據其激發曲線(反應截面—能量)有以下兩種狀況。(1)非共振或寬共振的核反應。即激發曲線有變更緩慢的部分，利用在這部分能量范圍內發生的核反應進行分析。入射束的能量是固定的而記錄由反應放射出的粒子能譜。這樣可以用表面能量近似估算反應截面和阻擋截面，對于測定薄膜中雜質含量或薄膜厚度比較便利，也可以從能譜推導出深度分布。第三章帶電粒子核反應瞬發分析工作方法進行分析用的核反應依據其激發曲線(反應截面—能量)有以下兩種狀況，相應地有兩種方法：(2)窄共振核反應。即反應截面曲線上有一個或數個尖銳的(共振)峰，利用這種能量值的核反應進行分析。在分析中，變更入射束的能量，記錄由反應放射出的粒子數的變更，可以得到雜質含量的深度分布。第三章帶電粒子核反應瞬發分析試驗設備第三章帶電粒子核反應瞬發分析應用實例金膜表面氧的測定

用能量為900kev的d粒子分析金單晶薄膜表面的氧，得到如圖的能譜。反應為16O(d，p)17O，探測出射的質子。Au膜厚度為800nm。第三章帶電粒子核反應瞬發分析應用實例能譜上有兩個較寬的峰，右邊較高能量的來自前表面，左邊較低能量的來自后表面(穿過金膜有能量損失)。接受表面能量近似，由兩峰的總計數計算出氧的含量為(3.4±0.2)X1015atom/cm2，即僅約為單原子層。第三章帶電粒子核反應瞬發分析帶電粒子瞬發分析的特點1.有極高的選擇性，干擾小。2.核反應特性不受靶所處的物理和化學狀態的影響，（條件允許時）樣品可以在高和順高壓下被分析。3.適合分析重基體中的輕元素，特殊是B、H、He、Li、Be、C、N、O、F、Na、Mg和A1等元素。第三章帶電粒子核反應瞬發分析帶電粒子瞬發分析的特點4.有較高的靈敏度和精密度，檢出限可達10-7～10-4g·g-1。5.適合對表面和近表面層內的元素進行分析，應用2～3MeV以下的粒子，比較適合的分析深度在1μm以下，其最大分析深度可達幾個μm到十幾個μm。6.可給出表面或近表面層內雜質濃度隨深度分布的狀況。第三章帶電粒子核反應瞬發分析帶電粒子瞬發分析的特點7.經過高度準直和聚焦的微米束，可以進行雜質空間分布分析。8.和固體的溝道效應相結合，可以確定雜質在晶格中的位置和進行晶體損傷的測量。9.方法簡便，分析速度快。10.不破壞樣品。第四章帶電粒子彈性散射分析帶電粒子彈性散射分析，包括：盧瑟福背散射分析前向彈性反沖分析自1967年背散射技術首次成功地用于月球土壤成分分析以來，背散射分析技術已快速發展成一種特殊成熟的離子束分析技術。第四章帶電粒子彈性散射分析背散射分析具有方法簡便、牢靠；不須要依靠于標準樣品就能得到定量的分析結果；不必用剝層方法破壞樣品宏觀結構就能獲得深度分布信息等優點。第四章帶電粒子彈性散射分析它是固體表面層元素成分，雜質含量和元素濃度分布分析，以及薄膜界面特性分析不行缺少的分析手段，與彈性反沖分析結合，能對樣品無損分析從輕到重的各種元素。背散射與溝道技術的組合應用還能給出晶體的微觀結構、缺陷、損傷及其深度分布等信息。第四章帶電粒子彈性散射分析目前，背散射分析技術巳成為很多試驗室和電子工業部門的一種常規的分析工具。它在離子注入半導體材料、金屬材料，各種薄膜材料，以及材料改性等探討領域中有著廣泛的應用，為新材料、新器件的研制和新能源的開發起著推動作用。第四章帶電粒子彈性散射分析盧瑟福背散射分析原理當一束具有確定能量的離子入射到靶物質時，大部分別子沿入射方向穿透進去，并與靶原子電子碰撞漸漸損失其能量，只有離子束中微小部分別子與靶原子核發生大角度庫侖散射而離開原來的入射方向。入射離子與靶原子核之間的大角度庫侖散射為盧瑟福背散射(記為RBS)。第四章帶電粒子彈性散射分析盧瑟福背散射分析原理用探測器對這些背散射粒子進行測量，能獲得有關靶原子的質量、含量和深度分布等信息，入射離子與靶原子碰撞的運動學因子、散射截面和能量損失因子是背散射分析中的三個主要參量。第四章帶電粒子彈性散射分析盧瑟福背散射分析原理散射粒子的能量與原子核的質量與散射角度有關；散射粒子的強度與樣品中含有這種類型的原子核數目有關。通過測量散射粒子能量和強度，就能實現樣品的定性、定量分析。第四章帶電粒子彈性散射分析盧瑟福背散射分析原理運動學因子假如入射粒子的能量遠比原子在靶物質中的化學結合能大，但其能量又不足以引起核反應和核共振時，我們可以用簡潔的兩個孤立原子之間的彈性碰撞來描寫它們之間的相互作用。第四章帶電粒子彈性散射分析盧瑟福背散射分析原理運動學因子如圖表示了入射粒子m與靶原子核M之間的彈性散射關系。由入射離子與靶原子碰撞時的能量和動量守恒，可以求得散射后粒子的能量E1。我們把離子碰撞后和碰撞前的能量之比K稱為運動學因子。mMm<ME0E1mmMm>ME0E1mE2θφ第四章帶電粒子彈性散射分析盧瑟福背散射分析原理散射截面入射帶電粒子與靶原子核之間的彈性散射截面，一般可以寫成庫侖散射截面和核散射截面這兩部分貢獻之和。核散射包括核勢散射和核共振散射，只有當入射粒子能量很高時，才會有這部分散射的貢獻。第四章帶電粒子彈性散射分析盧瑟福背散射分析原理散射截面在盧瑟福背散射分析中，探討的是入射粒子與靶原子核之間的庫侖排斥力作用下的彈性散射過程。這種散射過程的微分截面就是盧瑟福散射截面。第四章帶電粒子彈性散射分析盧瑟福散射截面定義：入射粒子與靶原子核之間的庫侖排斥力作用下的彈性散射過程的微分截面稱為盧瑟福散射截面。第四章帶電粒子彈性散射分析散射粒子能量與靶核質量及散射角的關系M越小，K越小θ越大，K越小，180旁邊探測散射粒子最有利第四章帶電粒子彈性散射分析盧瑟福散射截面第四章帶電粒子彈性散射分析盧瑟福背散射分析原理能量損失因子當入射粒子從靶樣品表面穿透到靶內某一深度處發生大角度散射時，離子在這段入射路徑上要損失一小部分能量，同樣，在發生散射后，背散射粒子從靶內射出樣品表面到達探測器，在這段出射路徑上也要損失一小部分能量。第四章帶電粒子彈性散射分析盧瑟福背散射分析原理能量損失因子離子在樣品中入射和出射路徑上的電離能量損失，使在樣品深部發生背散射的粒子的能量在能譜上相對于樣品表面發生背散射的粒子能量往低能量側展寬。第四章帶電粒子彈性散射分析背散射幾何和散射能量與深度的關系第四章帶電粒子彈性散射分析盧瑟福背散射分析原理能量損失因子能量寬度ΔE正比于靶厚度和離子在靶物質中的背散射能量損失因子。這能譜曲線向低能側的展寬，反映出了靶原子隨深度的分布狀況。因此，由背散射能譜分析，可以獲得靶原子的深度分布信息，可以建立背散射譜峰寬度與靶厚度之間的關系。第四章帶電粒子彈性散射分析背散射能譜第四章帶電粒子彈性散射分析盧瑟福背散射分析工作方法1.盧瑟福背散射對輕元素基體中的重元素雜質分析最為合適。典型的分析深度為1μm(Si)。2.選用2～3MeV的4He+離子來做背散射分析最為合適。在這能量范圍內，不會出現核共振，散射截面遵循盧瑟福公式，探測器對4He+的能量辨別率也好。第四章帶電粒子彈性散射分析盧瑟福背散射分析工作方法3.分析裝置從靜電加速器獲得