文档介绍：核反应分析 Nuclear Reaction Analysis (NRA)
Department of Modern Physics in Lanzhou University
Lanzhou University
主讲:Zhang Xiaodong
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1. RBS分析轻基体中的重元素含量,简便易行。
2. PIXE分析中重元素,灵敏且精度较高,方便易行,用途广泛。
[注] 它们共同的缺点是:对轻元素分析失效,深度分辨差。
3. NRA分析轻元素特别有效,且深度分辨好,干扰小,但对重元素分析效果交差。
若把以上的分析手段相结合,则可以做到全元素分析。在具体的应用时大家可根据实际情况采用相关的分析手段。
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核反应作为一种分析手段,可分为三类:
(i)带电粒子活化分析(CPAA-Charged Particle Activation Analysis),即粒子束进用作产生特定的反射性原子核,通过探测放射性核的衰变,来给出材料组分的分析。
(ii)瞬发辐射分析(PRA),用固定能量轰击靶时测量特征反应产物,来给出材料组分的分析。
(iii)共振反应分析(RRA-Resonance Reaction Analysis),复合核共振截面能量位移和展宽可提供元素在物质中的深度分布信息。
用带电粒子引起的核反应来进行材料的分析工作,起始于上世纪五十年代后期,目前已发展成为一种较为成熟的材料分析手段。特别对于轻元素,不仅能给出元素含量,而且能给出元素的深度分布。
入射粒子和靶和发生核反应的条件是两者的相对动能必须满足:
带电粒子引起的核反应的反应式可写为:
反应前后总电荷值和能量守恒,反应规律遵从微观量子力学的运动规律,一般情况下发射粒子为γ光子、中子、质子和α粒子。
. 核反应中的能量关系:
Q方程
阈能
该方程可由能量守恒和动量守恒得出,详细推导请参见《原子核物理》教材P197和P200。
2. 核反应的产额:
定义: 入射粒子在靶中引起的核反应数于入射粒子数之比。即一个入射粒子在靶中引起核反应的几率称为核反应的产额
产额与截面的关系:截面大产额高。他们的不同之处在于,截面仅仅与反应本身有关,而与靶的状态无关,即靶核的多少,截面都相同。产额除了与截面有关外,还与靶核的多少及物理状态有关。在核反应分析方法中,为了能定量的测量,产额是一个很重要的量。
2. 核反应的产额:
a)加速器束流的品质有一定的能量分布g(E0, Ei),代表具有能量在Ei到Ei+dEi之间的粒子数占总数的份额,也就是粒子具有能量为Ei的几率。
产额与能量的关系:受到两种条件的制约。
b)粒子穿透一定的深度后会产生一定的能量歧离f(Ei, E, x),表示能量为Ei的粒子在进入深度为x处时,由于能损,使其能量变为E到E+dE之间的几率。
E0
dEg
所以,深度x处,待测元素含量为C(x)的反应产额为:
K是与待测核素有关的常数,上式称为反应产额公式。
3. 核反应截面:
反应截面与能量的关系(B-W公式):
ER
Γ
σR
详细推导请参见《原子核物理》教材P229-P232。
4. 深度分布:
对于共振反应,在共振能量ER附近,改变入射能量E0。测量反应产额随E0的关系,可以给出深度分布的信息:
如果 E0=ER 则只在表面处发生共振反应
如果 E0>ER 则离子能量在靶物质中慢化到共振能量ER时,
发生共振反应,因此,产额曲线的形状就反映
出深度分布的信息