核反應(yīng)分析Nuclear Reaction Analysis(NRA)課件

核反應(yīng)分析

NuclearReactionAnalysis

(NRA)DepartmentofModernPhysicsinLanzhouUniversityLanzhouUniversity主講：ZhangXiaodong核反應(yīng)分析NuclearReactionAnalysis(NRA)4.1.引言：1.

RBS分析輕基體中的重元素含量，簡便易行。2.PIXE分析中重元素，靈敏且精度較高，方便易行，用途廣泛。[注]它們共同的缺點(diǎn)是：對輕元素分析失效，深度分辨差。3.NRA分析輕元素特別有效，且深度分辨好，干擾小，但對重元素分析效果交差。

若把以上的分析手段相結(jié)合，則可以做到全元素分析。在具體的應(yīng)用時(shí)大家可根據(jù)實(shí)際情況采用相關(guān)的分析手段。核反應(yīng)分析NuclearReactionAnalysis(NRA)4.2.綜述：核反應(yīng)作為一種分析手段，可分為三類：(i)帶電粒子活化分析(CPAA-ChargedParticleActivationAnalysis)，即粒子束進(jìn)用作產(chǎn)生特定的反射性原子核，通過探測放射性核的衰變，來給出材料組分的分析。(ii)瞬發(fā)輻射分析(PRA)，用固定能量轟擊靶時(shí)測量特征反應(yīng)產(chǎn)物，來給出材料組分的分析。(iii)共振反應(yīng)分析(RRA-ResonanceReactionAnalysis)，復(fù)合核共振截面能量位移和展寬可提供元素在物質(zhì)中的深度分布信息。核反應(yīng)分析NuclearReactionAnalysis(NRA)4.3.核反應(yīng)分析原理

用帶電粒子引起的核反應(yīng)來進(jìn)行材料的分析工作，起始于上世紀(jì)五十年代后期，目前已發(fā)展成為一種較為成熟的材料分析手段。特別對于輕元素，不僅能給出元素含量，而且能給出元素的深度分布。入射粒子和靶和發(fā)生核反應(yīng)的條件是兩者的相對動(dòng)能必須滿足：核反應(yīng)分析NuclearReactionAnalysis(NRA)

帶電粒子引起的核反應(yīng)的反應(yīng)式可寫為：

反應(yīng)前后總電荷值和能量守恒，反應(yīng)規(guī)律遵從微觀量子力學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，一般情況下發(fā)射粒子為γ光子、中子、質(zhì)子和α粒子。4.3.核反應(yīng)分析原理核反應(yīng)分析NuclearReactionAnalysis(NRA).核反應(yīng)中的能量關(guān)系：Q方程4.3.核反應(yīng)分析原理

閾能該方程可由能量守恒和動(dòng)量守恒得出，詳細(xì)推導(dǎo)請參見《原子核物理》教材P197和P200。核反應(yīng)分析NuclearReactionAnalysis(NRA)2.核反應(yīng)的產(chǎn)額：定義：入射粒子在靶中引起的核反應(yīng)數(shù)于入射粒子數(shù)之比。即一個(gè)入射粒子在靶中引起核反應(yīng)的幾率稱為核反應(yīng)的產(chǎn)額4.3.核反應(yīng)分析原理

產(chǎn)額與截面的關(guān)系：截面大產(chǎn)額高。他們的不同之處在于，截面僅僅與反應(yīng)本身有關(guān)，而與靶的狀態(tài)無關(guān)，即靶核的多少，截面都相同。產(chǎn)額除了與截面有關(guān)外，還與靶核的多少及物理狀態(tài)有關(guān)。在核反應(yīng)分析方法中，為了能定量的測量，產(chǎn)額是一個(gè)很重要的量。核反應(yīng)分析NuclearReactionAnalysis(NRA)2.核反應(yīng)的產(chǎn)額：a)加速器束流的品質(zhì)有一定的能量分布g(E0,Ei)，代表具有能量在Ei到Ei+dEi之間的粒子數(shù)占總數(shù)的份額，也就是粒子具有能量為Ei的幾率。4.3.核反應(yīng)分析原理

產(chǎn)額與能量的關(guān)系：受到兩種條件的制約。b)粒子穿透一定的深度后會產(chǎn)生一定的能量歧離f(Ei,E,x)，表示能量為Ei的粒子在進(jìn)入深度為x處時(shí)，由于能損，使其能量變?yōu)镋到E+dE之間的幾率。E0dEg所以，深度x處，待測元素含量為C(x)的反應(yīng)產(chǎn)額為：K是與待測核素有關(guān)的常數(shù)，上式稱為反應(yīng)產(chǎn)額公式。核反應(yīng)分析NuclearReactionAnalysis(NRA)3.核反應(yīng)截面：4.3.核反應(yīng)分析原理

反應(yīng)截面與能量的關(guān)系(B-W公式）：ERΓσR詳細(xì)推導(dǎo)請參見《原子核物理》教材P229-P232。核反應(yīng)分析NuclearReactionAnalysis(NRA)4.深度分布：4.3.核反應(yīng)分析原理

對于共振反應(yīng)，在共振能量ER附近，改變?nèi)肷淠芰縀0。測量反應(yīng)產(chǎn)額隨E0的關(guān)系，可以給出深度分布的信息：如果E0=ER則只在表面處發(fā)生共振反應(yīng)如果E0>ER則離子能量在靶物質(zhì)中慢化到共振能量ER時(shí)，發(fā)生共振反應(yīng)，因此，產(chǎn)額曲線的形狀就反映出深度分布的信息核反應(yīng)分析NuclearReactionAnalysis(NRA)5.含量的測定：4.3.核反應(yīng)分析原理

絕對測量：利用產(chǎn)額公式，并求出或測量出入射粒子的總數(shù)、探測器的立體角、反應(yīng)截面和探測效率等量。因此，絕對測量結(jié)果精度不高，而且計(jì)算繁瑣（三重積分）。

含量測定方法可分為絕對測定和相對測定兩種

相對測量：利用已知元素含量和均勻分布的標(biāo)樣，如果待測樣品的含量也是均勻分布的，則產(chǎn)額積分中的兩項(xiàng)積分就可以省略，即：核反應(yīng)分析NuclearReactionAnalysis(NRA)5.含量的測定：4.3.核反應(yīng)分析原理

對于共振反應(yīng)：S(E)=S(ER)=Const，即只在一小薄層內(nèi)

式中已對截面項(xiàng)進(jìn)行了積分，截面公式采用前面的Breit-Wigner公式。

相對測量方法，誤差主要來源于樣品的制備，其他的系統(tǒng)誤差和測量誤差都可以減小到最小。因此建議精確測量時(shí)采用相對法。核反應(yīng)分析NuclearReactionAnalysis(NRA)4.4實(shí)驗(yàn)技術(shù)和設(shè)備加速器是該試驗(yàn)的一個(gè)重要組成部分，對于他提供的束流有如下要求：

束流強(qiáng)度：幾個(gè)微安能量步長：≈100eV，特別對于窄共振峰 能量離散：≤1keV 束斑大小：4mm2

核反應(yīng)分析NuclearReactionAnalysis(NRA)2.樣品和靶室的安置

該安置如測量帶電粒子與背散射測量的情形相同（如上面左圖）；如測量γ射線則應(yīng)與PIXE分析相同（如上面右圖）。4.4實(shí)驗(yàn)技術(shù)和設(shè)備核反應(yīng)分析NuclearReactionAnalysis(NRA)4.4實(shí)驗(yàn)技術(shù)和設(shè)備3.譜線的獲取裝置

（1）探測γ射線裝置（參見PIXE講稿的敘述） （2）探測帶電粒子的裝置（參見RBS講稿的敘述）4.獲取的譜線實(shí)例（如圖）

X軸對應(yīng)于靶的深度，Y軸對應(yīng)于反應(yīng)產(chǎn)額的強(qiáng)度，即出射的反應(yīng)物質(zhì)如γ射線和帶電粒子的強(qiáng)度。

核反應(yīng)分析NuclearReactionAnalysis(NRA)4.4實(shí)驗(yàn)技術(shù)和設(shè)備5.試驗(yàn)用儀器（1）NIM插件（2）電子計(jì)算機(jī)（3）加速器核反應(yīng)分析NuclearReactionAnalysis(NRA)4.4實(shí)驗(yàn)技術(shù)和設(shè)備6.減小干擾的方法： （1）靶室與探測器間的物 質(zhì)盡可能的減少 （2）對應(yīng)于強(qiáng)束流的入射 要求有較好的靶冷卻系統(tǒng) （3）采用無油真空系統(tǒng)減小C 污染 （4）改進(jìn)法拉第筒，提高束 流測量的精度 （5）采用高Z的靶襯底以減小 干擾反應(yīng) （6）克服絕緣靶襯底上的電 荷積累7.常見的干擾反應(yīng)

19F(P,αγ)16O

15N(P,αγ)12C

13C(α,n)16O

17O(α,n)20Ne

18O(α,n)21Ne

10B(α,P)13C

19F(α,P)22Ne核反應(yīng)分析NuclearReactionAnalysis(NRA)4.4實(shí)驗(yàn)技術(shù)和設(shè)備8.實(shí)驗(yàn)中的技術(shù)問題：

（1）帶電粒子的探測：采用金硅面壘探測器（SurfaceBarrierDetector

Au-Si）,能量分辨對輕粒子較好，可達(dá)15-20keV，但該探測器怕光，應(yīng)避光保存，避免光線直接照射。對于輕粒子，一般接受劑量為108個(gè)粒子，而對于中粒子則要更少，重離子的輻照損傷很厲害，使用時(shí)應(yīng)特別注意。 （2）粒子甄別：a.采用吸收膜，膜厚要根據(jù)試驗(yàn)情況具體選擇。b.控制探測器的耗盡層，去除輕粒子。核反應(yīng)分析NuclearReactionAnalysis(NRA)4.5NRA分析的應(yīng)用實(shí)例利用16O(d,p)17O反應(yīng)，測量Si表面的O污染。

集成電路中，處理硅片是很重要的，用不同的處理方法，制成的集成電路質(zhì)量會有很大的差別，下面是對集中處理方法的分析： （1）HCl:H2O2:H2O=1:1:6，煮沸15分鐘，去離子水清洗15分鐘，2.5%的HF洗1.5分鐘，去離子水洗20分鐘。 （2）NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5，煮沸15分鐘，去離子水清洗15分鐘，2.5%的HF洗1.5分鐘，去離子水洗20分鐘。 （3）H2SO4（濃），腐蝕15分鐘，去離子水清洗20分鐘。研究三種情況下，Si片上的氧含量： 標(biāo)樣：Ta2O5 實(shí)驗(yàn)條件：2MeV的d束，束斑為2mm

流強(qiáng)為：200-1000μA結(jié)果：第一種清洗方式氧的含量最低，同樣生產(chǎn)出的集成電路質(zhì)量最好。核反應(yīng)分析NuclearReactionAnalysis(NRA)4.5NRA分析的應(yīng)用實(shí)例2.利用27Al(p,γ)28Si反應(yīng)，測量Si-Al層的厚度

集成電路中采用Al作布線金屬，先蒸發(fā)一層Al后再退火處理，聲稱硅鋁合金，合金層的厚度即合金的含量對集成電路的性能影響很大，因而在實(shí)際應(yīng)用中這一量的控制也很重要。

測量時(shí)采用相對比較法：標(biāo)樣是99.999%的純鋁，制成薄膜。 待測樣品：硅上鍍鋁，退火后用化學(xué)方法腐蝕掉表面的純鋁層。 采用能量為992keV的質(zhì)子束，通過鋁的共振峰測量鋁的相對含量。核反應(yīng)分析NuclearReactionAnalysis(NRA)4.5NRA分析的應(yīng)用實(shí)例3.利用19F(p,αγ)16O反應(yīng)測量非晶態(tài)硅中的氟含量和深度分布 （1）意義：硅太陽能電池發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：硅片滇池、硅帶電池和非晶硅（α-Si）電池。前兩種成本高，工藝復(fù)雜，難于廣泛應(yīng)用，而非晶硅造價(jià)很低，極有推廣前景，過得到廣泛的應(yīng)用。 （2）簡介：α-Si:H電池目前的光轉(zhuǎn)換效率為5%，根據(jù)理論估計(jì)，他的效率可達(dá)23%，是世界矚目的研究方向。但α-Si