(12)--带电粒子活化分析.ppt

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1、1核分析基础及应用核分析基础及应用核分析基础及应用核分析基础及应用第三章第三章 带电粒子活化分析带电粒子活化分析2主要内容主要内容概述概述第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理第二节第二节 带电粒子活化分析技术带电粒子活化分析技术第三节第三节 带电粒子活化分析技术的应用带电粒子活化分析技术的应用第四节第四节 重离子和光子活化分析重离子和光子活化分析核分析基础及应用核分析基础及应用3概概 述述l核活化分析除核活化分析除中子活化分析中子活化分析外，还有外，还有带电粒子带电粒子活化分析活化分析和和光子活化分析光子活化分析。l这些活化分析技术的这些活化分析技术的辐照条件各不相同辐照条件

2、各不相同，但，但测测量方法大体相同量方法大体相同；分析元素的范围分析元素的范围和和灵敏度灵敏度，以及以及分析的样品厚度分析的样品厚度也也有差异有差异。核分析基础及应用核分析基础及应用4概概 述述l自自1938年首次用氘束轰击样品用于分析目的以来，年首次用氘束轰击样品用于分析目的以来，带电粒子活化分析技术有了较大的发展，从带电粒子活化分析技术有了较大的发展，从p、d、3He等等重带电粒子活化重带电粒子活化发展到发展到重离子活化重离子活化。l应用不断推广，已成为应用不断推广，已成为样品表面层轻元素分析样品表面层轻元素分析的的重要工具。重要工具。核分析基础及应用核分析基础及应用5第一节第一节 带电粒

3、子活化分析原理带电粒子活化分析原理l带电粒子的带电粒子的种类种类是很多的，最常见的是电子、是很多的，最常见的是电子、射线、质子、射线、质子、粒子等。粒子等。重带电粒子重带电粒子：凡静止质量大于电子的带电粒子。：凡静止质量大于电子的带电粒子。如如粒子、粒子、介子、介子、介子、质子、被加速的原子介子、质子、被加速的原子核。核。射线和电子本质上是相同的射线和电子本质上是相同的，通常所说的电子，通常所说的电子是指核外电子；而是指核外电子；而射线，则是指由原子核发射射线，则是指由原子核发射出来的高速电子。出来的高速电子。核分析基础及应用核分析基础及应用6第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析

4、原理l带电粒子活化分析带电粒子活化分析（CPAA）：）：Charge Particle Activation AnalysisCharge Particle Activation Analysis 具有一定能量的带电粒子与原子核发生核反应时，具有一定能量的带电粒子与原子核发生核反应时，如果反应的剩余核是放射性核素，则如果反应的剩余核是放射性核素，则测量这放射性测量这放射性核素的半衰期和活度核素的半衰期和活度，就，就可以确定样品中被分析元可以确定样品中被分析元素的种类和含量素的种类和含量，这种元素分析方法称为带电粒子，这种元素分析方法称为带电粒子活化分析。活化分析。核分析基础及应用核分析基础及应

5、用7第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理l带电粒子引起的核反应的反应式可写为：带电粒子引起的核反应的反应式可写为：核分析基础及应用核分析基础及应用反应前后总电荷值和能量守恒，反应规律遵从微观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量子力学的运动规律，一般情况下发射粒子为光子、光子、中子、质子和中子、质子和粒子。粒子。8第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理l主要包括三个步骤：主要包括三个步骤：1）辐照辐照2）冷却冷却3）测量测量l在在冷却阶段冷却阶段可进行必要的可进行必要的放射性化学分离放射性化学分离和和样品样品表面

6、沾污层腐蚀处理工作表面沾污层腐蚀处理工作。由测得的放射性活度。由测得的放射性活度按一定的标准化方法计算出元素浓度。按一定的标准化方法计算出元素浓度。核分析基础及应用核分析基础及应用9第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理一、计算公式一、计算公式 l带电粒子辐照样品时，带电粒子辐照样品时，放射性核素活度的增长放射性核素活度的增长与与一定能量一定能量下的反应截面下的反应截面、束流强度束流强度和和辐照时间辐照时间有关。有关。l由于带电粒子在靶物质中运动时经受能量损失，在由于带电粒子在靶物质中运动时经受能量损失，在靶不同靶不同深度处粒子能量不同深度处粒子能量不同，因而，因而反应截面不同

7、反应截面不同，反应产额随之反应产额随之而改变而改变计算公式要区分计算公式要区分薄样品薄样品和和厚样品厚样品两种情况。两种情况。核分析基础及应用核分析基础及应用10第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理一、计算公式一、计算公式 1.薄样品分析薄样品分析l设样品厚度为设样品厚度为x x，若能量为，若能量为E E0 0的带电粒子穿透的带电粒子穿透x x时能量时能量损失损失E E很小，称这种样品为很小，称这种样品为薄样品薄样品。在薄样品中反应截面在薄样品中反应截面几乎不变几乎不变，可用能量，可用能量E E0 0和和E E0 0-E E间间隔内的隔内的平均截面平均截面作为活化截面。作为活

8、化截面。核分析基础及应用核分析基础及应用(E)反应总截面，是粒子能量的函数反应总截面，是粒子能量的函数11第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理1.薄样品分析薄样品分析l根据放射性核数目增长规律，带电粒子活化分析时辐照了根据放射性核数目增长规律，带电粒子活化分析时辐照了t0时间后的放射性核数为：时间后的放射性核数为：核分析基础及应用核分析基础及应用薄样情况下薄样情况下讨论：讨论：1）如加速器出来的）如加速器出来的粒子束粒子束在辐照时间内在辐照时间内保持不变保持不变，即，即I(t)为常数为常数I，则，则P(t)也为常数也为常数P，此时：，此时：衰变常数；衰变常数；P(t)放射性核

9、产生率放射性核产生率I(t)轰击粒子束强度轰击粒子束强度c样品中单位体积内的原子数样品中单位体积内的原子数12第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理1.薄样品分析薄样品分析 辐照了辐照了t0时间后的放射性核数为：时间后的放射性核数为：核分析基础及应用核分析基础及应用当当t0很大很大时时13第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理1.薄样品分析薄样品分析l根据放射性核数目增长规律，带电粒子活化分析时辐照了根据放射性核数目增长规律，带电粒子活化分析时辐照了t0时间后的放射性核数为：时间后的放射性核数为：核分析基础及应用核分析基础及应用薄样情况下薄样情况下讨论：讨论：2

10、）如）如I(t)不是常数不是常数I，此时：，此时：衰变常数；衰变常数；P(t)放射性核产生率放射性核产生率I(t)轰击粒子束强度轰击粒子束强度c样品中单位体积内的原子数样品中单位体积内的原子数14第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理1.薄样品分析薄样品分析 辐照了辐照了t0时间后的放射性核数为：时间后的放射性核数为：核分析基础及应用核分析基础及应用当当t0很小很小时时Q轰击粒子总数，可由束流积分仪读数给出轰击粒子总数，可由束流积分仪读数给出15第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理2.厚样品分析厚样品分析l当样品的当样品的厚度较厚厚度较厚,带电粒子穿透厚样品时

11、的带电粒子穿透厚样品时的能量损失较大能量损失较大,必必须考虑反应截面随能量的变化须考虑反应截面随能量的变化。放射性核产生率为：。放射性核产生率为：核分析基础及应用核分析基础及应用lD*与粒子射程与粒子射程R的关系的关系式中式中积分上限积分上限D*是带电粒子活化的有效路径，当路径超过是带电粒子活化的有效路径，当路径超过D*时，不发生核反应时，不发生核反应Eth带电粒子核反应阈能带电粒子核反应阈能16第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理2.厚样品分析厚样品分析l辐照了辐照了t0时间后的放射性核数为：时间后的放射性核数为：核分析基础及应用核分析基础及应用代入代入积分截面积分截面数值

12、积分数值积分17第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理2.厚样品分析厚样品分析l辐照了辐照了t0时间后的放射性核数为：时间后的放射性核数为：核分析基础及应用核分析基础及应用l根据辐照时间长短，积分可作近似处理根据辐照时间长短，积分可作近似处理1）t0T1/2/10，辐照时的放射性衰变可忽略，辐照时的放射性衰变可忽略2）t010T1/2，放射性达到饱和，此时，放射性达到饱和，此时I(t)为常数为常数18第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理2.厚样品分析厚样品分析l辐照结束时，样品中的放射性活度为：辐照结束时，样品中的放射性活度为：核分析基础及应用核分析基础及应用

13、l冷却到冷却到t时刻的活度为：时刻的活度为：l测量阶段测量阶段t时刻的射线强度为：时刻的射线强度为：(1)19第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理2.厚样品分析厚样品分析l测量测量t2-t1时间内的射线总计数：时间内的射线总计数：核分析基础及应用核分析基础及应用由由（1）、（2）可求得厚样品中的元素含量可求得厚样品中的元素含量(2)很重要的一个参数很重要的一个参数积分截面值积分截面值20第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理二、带电粒子核反应截面和能量损失二、带电粒子核反应截面和能量损失l计算带电粒子活化产额时，要详细知道带电粒子计算带电粒子活化产额时，要详细

14、知道带电粒子活化截面活化截面和和带电粒子带电粒子在靶材料中的阻止本领数据在靶材料中的阻止本领数据。1.反应截面反应截面l带电粒子带电粒子某一反应道的截面大小某一反应道的截面大小与与入射粒子入射粒子和和靶核种类靶核种类有关有关，也与也与入射粒子的能量入射粒子的能量有关有关。l反应道反应道：对于一定的：对于一定的入射粒子入射粒子和和靶核靶核，能发生的，能发生的核反应核反应过程过程往往不止一种，对应于每一种核反应过程往往不止一种，对应于每一种核反应过程,称为一个反应道称为一个反应道。核分析基础及应用核分析基础及应用211.反应截面反应截面l带电粒子核反应截面随能量变化的带电粒子核反应截面随能量变化的

15、一般趋势一般趋势：核分析基础及应用核分析基础及应用Eth时，截面为时，截面为0或很小，随或很小，随E的增的增加截面增大。加截面增大。到达某一到达某一E时，时，a可能达到最大值，可能达到最大值，然后开始下降。然后开始下降。吸能反应，吸能反应，Eth为反应阈能；放能为反应阈能；放能反应，只有当入射粒子能量大于库反应，只有当入射粒子能量大于库仑势垒时才引起核反应，仑势垒时才引起核反应，Eth用入射用入射粒子和靶核之间的库仑势垒代替。粒子和靶核之间的库仑势垒代替。第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理221.反应截面反应截面l放能反应时，发生核反应所需入射粒子能量的计算？放能反应时，发

16、生核反应所需入射粒子能量的计算？核分析基础及应用核分析基础及应用核反应条件：核反应条件：入射粒子能量入射粒子能量库仑势垒库仑势垒R=1.510-13A1/3cm核核半径半径Z1、Z2入射粒子和靶入射粒子和靶核的原子序数核的原子序数(核电核电荷数荷数)。A1、A2质量质量数数满足反应时的动量守恒要求，在实验室坐标系中入射粒子满足反应时的动量守恒要求，在实验室坐标系中入射粒子最低能量应等于库仑势垒乘上一个因子。最低能量应等于库仑势垒乘上一个因子。M1、M2入射粒子和靶核的质量入射粒子和靶核的质量第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理231.反应截面反应截面例题：例题：3He束能量应

17、为多少才能与束能量应为多少才能与16O发生反应？发生反应？核分析基础及应用核分析基础及应用乘上一个因子乘上一个因子:第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理242.阻止本领和射程阻止本领和射程 阻止本领阻止本领：带电粒子进入靶物质后，与靶原子的电子和靶：带电粒子进入靶物质后，与靶原子的电子和靶原子核碰撞而损失能量。原子核碰撞而损失能量。射程：射程：带电粒子在与物质相互作用的过程中，逐渐耗尽其带电粒子在与物质相互作用的过程中，逐渐耗尽其动能，最后阻留在物质中被物质吸收。带电粒子在某种物动能，最后阻留在物质中被物质吸收。带电粒子在某种物质中沿着入射方向从进入到最后被物质吸收所经过的最

18、大质中沿着入射方向从进入到最后被物质吸收所经过的最大直线距离，称为带电粒子在该物质中的射程。射程的大小直线距离，称为带电粒子在该物质中的射程。射程的大小与粒子的种类、初始能量及吸收物质的性质有关。与粒子的种类、初始能量及吸收物质的性质有关。核分析基础及应用核分析基础及应用第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理252.阻止本领和射程阻止本领和射程 核分析基础及应用核分析基础及应用l在带电粒子活化分析中，粒子能量较高，只考虑在带电粒子活化分析中，粒子能量较高，只考虑高能区高能区电子阻止本领电子阻止本领。第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理262.阻止本领和射程阻止

19、本领和射程l阻止本领与阻止截面的关系：阻止本领与阻止截面的关系：核分析基础及应用核分析基础及应用阻止本领单位：单位长度的能量损失阻止本领单位：单位长度的能量损失阻止截面单位：阻止截面单位：10-15eV.cm2/原子原子N：单位体积中原子的密度：单位体积中原子的密度 化合物化合物AmBn的阻止本领的阻止本领:第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理272.阻止本领和射程阻止本领和射程l能量为能量为E0的带电粒子在靶物质中的射程：的带电粒子在靶物质中的射程：核分析基础及应用核分析基础及应用阻止本领，单位长度的能量损失阻止本领，单位长度的能量损失 倒数表示每单位能量损失的平均路径长度

20、倒数表示每单位能量损失的平均路径长度第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理28第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理三、积分截面计算和标准化方法三、积分截面计算和标准化方法l测量元素含量方法：测量元素含量方法：相对测量法相对测量法和和绝对测量法绝对测量法1.绝对测量法绝对测量法积分截面积分截面、探测器总绝对效率、辐照剂量、辐照及冷却时间、探测器总绝对效率、辐照剂量、辐照及冷却时间 核分析基础及应用核分析基础及应用29第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理1.绝对测量法绝对测量法l积分截面积分截面包含包含反应截面反应截面和和阻止本领因子阻止本领因子

21、，与有关的核反，与有关的核反应特性有关、靶材料性质应特性有关、靶材料性质l积分截面计算方法：积分截面计算方法：数值计算法数值计算法、平均截面法平均截面法1）数值计算法）数值计算法将已知的将已知的核反应截面核反应截面随能量的变化曲线和入射粒子在样随能量的变化曲线和入射粒子在样品中的阻止本领随能量的变化曲线，按品中的阻止本领随能量的变化曲线，按能量划分为许多能量划分为许多小区间小区间，把积分号化成累加号。，把积分号化成累加号。核分析基础及应用核分析基础及应用30第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理2）平均截面法）平均截面法核分析基础及应用核分析基础及应用定义平均定义平均截面：截面

22、：高能区阻止高能区阻止本领公式：本领公式：E使其成立使其成立31第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理2）平均截面法）平均截面法核分析基础及应用核分析基础及应用定义平均截面：定义平均截面：EthE时，时，第一个积分项是不必要的第一个积分项是不必要的。于是：于是：对一定靶物质，对一定靶物质，I0是常数，是常数，ln项随能量的变化项随能量的变化缓慢，近似看作常数。缓慢，近似看作常数。32第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理2）平均截面法）平均截面法核分析基础及应用核分析基础及应用平均截面：平均截面：积分截面：积分截面：确定的核反应和靶材料，可按（确定的核反应和靶材

23、料，可按（3）计算平均截面。由该）计算平均截面。由该值可求得在相同能量下，同一核反应在其它靶材料中的：值可求得在相同能量下，同一核反应在其它靶材料中的：（3）D*带点粒子在其它靶材料中的活化有效路径带点粒子在其它靶材料中的活化有效路径33第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理2.相对测量法相对测量法 将已知元素含量的标准样品与待测样品在相同的粒子能将已知元素含量的标准样品与待测样品在相同的粒子能量下辐照，并在相同的测量条件下测量它们的放射性活量下辐照，并在相同的测量条件下测量它们的放射性活度，然后度，然后比较测量结果比较测量结果，得到待测样品中的元素浓度。，得到待测样品中的元素

24、浓度。核分析基础及应用核分析基础及应用根据基本公式：根据基本公式：34第一节第一节 带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理2.相对测量法相对测量法核分析基础及应用核分析基础及应用35第二节第二节 分析技术分析技术l带电粒子活化分析技术包括：带电粒子活化分析技术包括：辐照粒子及辐照源的选择辐照粒子及辐照源的选择、样样品处理品处理、干扰因素的考虑干扰因素的考虑、放射性测量放射性测量和和数据处理数据处理等实验方等实验方法和技术。法和技术。一、常用核反应一、常用核反应P、d、t、3He、4He等粒子是最常用的轰击粒子，入射粒子等粒子是最常用的轰击粒子，入射粒子能量较低时就能引起核反应，尤其是能量较低

25、时就能引起核反应，尤其是d、3He的结合能都比的结合能都比较低。较低。d与与 发生发生 ，产生的中子发生，产生的中子发生 与与 的剩余核相同。的剩余核相同。3He不存在这样的问题。不存在这样的问题。核分析基础及应用核分析基础及应用36第二节第二节 分析技术分析技术二、分析设备二、分析设备设备：设备：辐照设备辐照设备、样品表面处理设备样品表面处理设备、放射性测量设备。放射性测量设备。1.辐照设备辐照设备l入射粒子能量大多在入射粒子能量大多在几到十几几到十几MeV量级量级,故在故在小型静电加速小型静电加速器器、串列静电加速器串列静电加速器、回旋加速器回旋加速器上可进行带电粒子活化上可进行带电粒子活

26、化分析。分析。l静电加速器、串列静电加速器的能量连续可调，使用方便；静电加速器、串列静电加速器的能量连续可调，使用方便；回旋加速器能量较高，束流强度较大。有些回旋加速器能回旋加速器能量较高，束流强度较大。有些回旋加速器能量虽然可以调节，但改变一个能量点所需时间较长。量虽然可以调节，但改变一个能量点所需时间较长。核分析基础及应用核分析基础及应用37第二节第二节 分析技术分析技术二、分析设备二、分析设备1.辐照设备辐照设备l为防止带电粒子轰击样品引起发热，在样品安装架上应有为防止带电粒子轰击样品引起发热，在样品安装架上应有水冷却设备。入射粒子在水冷却设备。入射粒子在厚样品上的发热量厚样品上的发热量

27、（功率）估算（功率）估算式为：式为：l样品可用气动装置传送到辐照点，然后传送到测量室。样品可用气动装置传送到辐照点，然后传送到测量室。核分析基础及应用核分析基础及应用I束流强度；束流强度；q粒子电荷态粒子电荷态38第二节第二节 分析技术分析技术二、分析设备二、分析设备2.样品制备和表面腐蚀处理样品制备和表面腐蚀处理l带电粒子活化分析用的样品均为带电粒子活化分析用的样品均为固体样品固体样品，例：金属、半，例：金属、半导体材料等，大小为导体材料等，大小为直径直径1015mm、厚厚25mm的薄片的薄片。l样品样品表面要求平整表面要求平整、清洁清洁,标准样品要求标准样品要求性能性能和和含量稳定含量稳定

28、。l在样品预处理过程中，样品表面可能被在样品预处理过程中，样品表面可能被化学试剂沾污化学试剂沾污；辐辐照过程也可能有沾污照过程也可能有沾污。表面沾污元素经辐照后可形成放射。表面沾污元素经辐照后可形成放射性核素，且由于轰击时的核反冲和热扩散效应，表面沾污性核素，且由于轰击时的核反冲和热扩散效应，表面沾污产生的核素会扩散到样品表面层内。产生的核素会扩散到样品表面层内。影响表面层内的杂质影响表面层内的杂质元素浓度测定元素浓度测定。l消除表面沾污，辐照后样品进行消除表面沾污，辐照后样品进行化学腐蚀处理化学腐蚀处理，腐蚀掉一，腐蚀掉一定厚度之后再进行放射性测量。定厚度之后再进行放射性测量。核分析基础及应

29、用核分析基础及应用39第二节第二节 分析技术分析技术二、分析设备二、分析设备3.放射性测量系统放射性测量系统l由于带电粒子活化分析中辐射生成的放射性核素由于带电粒子活化分析中辐射生成的放射性核素大多是大多是+衰变核衰变核，故可测量，故可测量正电子湮没辐射光子强度正电子湮没辐射光子强度来确定元素含来确定元素含量，并配合量，并配合半衰期测量半衰期测量才能鉴别元素。才能鉴别元素。l通常采用通常采用NaI(Tl)探测器探测器相对放置，周围用铅屏蔽，并采用相对放置，周围用铅屏蔽，并采用符合相加计数方法以减少本底计数。符合相加计数方法以减少本底计数。l对于放射性核素电子俘获过程后处于激发态的子核发射的对于

30、放射性核素电子俘获过程后处于激发态的子核发射的射线，用射线，用Ge(Li)谱仪谱仪选定某一特征选定某一特征射线进行计数。多道脉射线进行计数。多道脉冲分析器作多定标运行方式，用时钟发生器的脉冲推进道冲分析器作多定标运行方式，用时钟发生器的脉冲推进道址，这样可直接测得放射性核素的衰变曲线。址，这样可直接测得放射性核素的衰变曲线。核分析基础及应用核分析基础及应用40第二节第二节 分析技术分析技术三、干扰反应三、干扰反应主要存在主要存在初级干扰反应初级干扰反应。由于入射带电粒子的种类和能量。由于入射带电粒子的种类和能量的选择自由度较大，带电粒子活化分析中的的选择自由度较大，带电粒子活化分析中的干扰问题

31、比较干扰问题比较容易消除容易消除。1.相同放射性核素的干扰相同放射性核素的干扰l样品中不同的元素经带电粒子辐照生成了相同的放射性核样品中不同的元素经带电粒子辐照生成了相同的放射性核素。例：素。例：B元素分析元素分析核分析基础及应用核分析基础及应用阈能阈能2.8MeV阈能阈能4MeV入射粒子能量降到入射粒子能量降到4MeV以下以下三元素生成同一放射性核素，需改变轰击粒子种类及轰三元素生成同一放射性核素，需改变轰击粒子种类及轰击能量来消除干扰。击能量来消除干扰。41第二节第二节 分析技术分析技术三、干扰反应三、干扰反应2.不同的不同的+衰变核素的干扰衰变核素的干扰l不同元素经辐照后也可能生成不同的

32、放射性核素，但这些不同元素经辐照后也可能生成不同的放射性核素，但这些核素发射核素发射射线能量相同。例：射线能量相同。例：18O元素分析元素分析核分析基础及应用核分析基础及应用18F、13N都是都是+衰变核素，对衰变核素，对谱上谱上0.511MeV峰计数都有峰计数都有贡献，因而造成干扰。贡献，因而造成干扰。因因13N的半衰期较短的半衰期较短（10min），所以可以通过增加辐照），所以可以通过增加辐照后的冷却时间来消除干扰。后的冷却时间来消除干扰。42第三节第三节 应用应用l带电粒子活化分析技术主要应用于样品表面层的带电粒子活化分析技术主要应用于样品表面层的轻元素轻元素分分析以及析以及某些重元素某

33、些重元素分析。分析。入射带电粒子与轻元素之间的库仑势垒低，粒子能量较低入射带电粒子与轻元素之间的库仑势垒低，粒子能量较低时可做分析工作。时可做分析工作。入射带电粒子与入射带电粒子与Pb、Nb等较重元素间的库仑势垒虽较高，等较重元素间的库仑势垒虽较高，但由于分析这些重元素的其它分析方法灵敏度低，也可用但由于分析这些重元素的其它分析方法灵敏度低，也可用带电粒子活化分析法。带电粒子活化分析法。l分析样品材料包括：分析样品材料包括：Si、Ge、GaAs半导体材料半导体材料和各种和各种金属金属及及合金材料合金材料。要分析的元素有。要分析的元素有B、C、N、O、P、S等等l只能确定薄层中这些轻元素总量只能

34、确定薄层中这些轻元素总量，不能给出深度分布。，不能给出深度分布。核分析基础及应用核分析基础及应用43第三节第三节 应用应用一、半导体材料中的轻元素分析一、半导体材料中的轻元素分析1.氧元素分析氧元素分析例：例：Si和和GaAs中中O含量对器件的质量影响很大。通常这种材料含量对器件的质量影响很大。通常这种材料中的中的O原子浓度为原子浓度为1016原子原子/cm3，可用来分析的反应：，可用来分析的反应：2.碳元素分析碳元素分析例：分析例：分析Si中的中的C元素：元素：3.硼元素分析硼元素分析例：超纯硅材料中要求例：超纯硅材料中要求B元素含量元素含量2）的能量大于它）的能量大于它与靶原子核之间的库仑

35、势垒时，入射重离子能与靶核发生与靶原子核之间的库仑势垒时，入射重离子能与靶核发生核反应。核反应。l特点：特点：1）库仑势垒较高，重离子活化分析需在大的回旋加速器或串）库仑势垒较高，重离子活化分析需在大的回旋加速器或串列加速器上进行。列加速器上进行。2）重离子与原子核反应的反应道多，易于选择合适的离子和）重离子与原子核反应的反应道多，易于选择合适的离子和能量进行元素鉴别，提高分析灵敏度。能量进行元素鉴别，提高分析灵敏度。核分析基础及应用核分析基础及应用47第四节第四节 重离子和光子活化分析重离子和光子活化分析一、重离子活化分析技术一、重离子活化分析技术l特点：特点：3）通常用）通常用Li、Be、

36、C、O等一些重离子辐照样品，分析重元素等一些重离子辐照样品，分析重元素基体中的基体中的H、B、C等轻元素杂质。重离子与样品中的重元等轻元素杂质。重离子与样品中的重元素基体原子间的库仑势垒更大，不会产生干扰反应。素基体原子间的库仑势垒更大，不会产生干扰反应。4）重离子在样品中的）重离子在样品中的dE/dx大，故可较灵敏地测定很薄的样大，故可较灵敏地测定很薄的样品表面层内的轻元素杂质。品表面层内的轻元素杂质。核分析基础及应用核分析基础及应用48第四节第四节 重离子和光子活化分析重离子和光子活化分析一、重离子活化分析技术一、重离子活化分析技术1.氢和氘的分析氢和氘的分析l材料中的材料中的H和和D的浓

37、度分析，历来受到人们的重视，但中的浓度分析，历来受到人们的重视，但中子活化分析和通常的带电粒子（子活化分析和通常的带电粒子（p、d、）活化分析法都）活化分析法都不能用来分析样品中的微量的不能用来分析样品中的微量的H和和D。l可利用可利用7Li、10B、16O、19F等离子与等离子与H和和D核反应生成的放核反应生成的放射性核素活度测量来确定射性核素活度测量来确定H和和D的含量。的含量。l采用重离子活化分析采用重离子活化分析H及其同位素，具有及其同位素，具有干扰反应少干扰反应少、表表面沾污少面沾污少等优点等优点核分析基础及应用核分析基础及应用49第四节第四节 重离子和光子活化分析重离子和光子活化分

38、析一、重离子活化分析技术一、重离子活化分析技术2.碳元素分析碳元素分析l中子活化分析对中子活化分析对C元素不灵敏。元素不灵敏。l氘束带电粒子活化分析虽能分析氘束带电粒子活化分析虽能分析C元素，但基体元素的干元素，但基体元素的干扰较大。扰较大。l用用 分析分析C元素，灵敏度可提高。元素，灵敏度可提高。3.硼和硫元素分析硼和硫元素分析l用用18O离子与离子与B和和S元素的反应可分析这两种元素的含量。元素的反应可分析这两种元素的含量。核分析基础及应用核分析基础及应用50第四节第四节 重离子和光子活化分析重离子和光子活化分析二、光子活化分析技术二、光子活化分析技术l高能电子感应加速器或电子直线加速器的

39、电子束，打在高高能电子感应加速器或电子直线加速器的电子束，打在高Z元素靶上产生的轫致辐射强度大、能量高。元素靶上产生的轫致辐射强度大、能量高。l利用利用高能高能光子与原子核光子与原子核的的(,n)、(,p)等等光核反应光核反应及及(,)非弹性散射过程非弹性散射过程，可以做活化分析。，可以做活化分析。l特点：特点：1）高能）高能光子活化分析主要用于光子活化分析主要用于B、C、N、O、F等轻元素分等轻元素分析，也可用于析，也可用于Ca、Mg、Ti、Ni等元素分析。等元素分析。2）用热中子活化分析）用热中子活化分析Fe、Ti、Zr、Tl、Pb元素是不灵敏的，元素是不灵敏的，而用光子活化分析相当灵敏。

40、而用光子活化分析相当灵敏。核分析基础及应用核分析基础及应用51第四节第四节 重离子和光子活化分析重离子和光子活化分析二、光子活化分析技术二、光子活化分析技术l特点：特点：3）用热中子分析生物样品时，样品中）用热中子分析生物样品时，样品中Na元素的活化截面很大，元素的活化截面很大，影响分析；而用光子活化时，可避免这个问题。影响分析；而用光子活化时，可避免这个问题。4）快中子活化分析样品中）快中子活化分析样品中O元素时，由于放射性核素的半衰元素时，由于放射性核素的半衰期只有期只有7s，不可能进行样品表面腐蚀处理消除表面吸附的，不可能进行样品表面腐蚀处理消除表面吸附的O原子的贡献；而光子活化分析原子

41、的贡献；而光子活化分析O元素时，放射性核素的元素时，放射性核素的T1/2长，允许做表面腐蚀处理工作。长，允许做表面腐蚀处理工作。5）高能）高能光子贯穿物质的本领大，可做样品体内杂质分析，而光子贯穿物质的本领大，可做样品体内杂质分析，而且样品对高能且样品对高能射线的屏蔽修正也不像对中子的屏蔽修正射线的屏蔽修正也不像对中子的屏蔽修正那么严重。那么严重。核分析基础及应用核分析基础及应用52第四节第四节 重离子和光子活化分析重离子和光子活化分析三、中子、带电粒子、光子活化分析技术比较三、中子、带电粒子、光子活化分析技术比较1.分析灵敏度和准确度分析灵敏度和准确度 热中子通量密度高、截面大，所以热中子活

42、化分析灵敏度热中子通量密度高、截面大，所以热中子活化分析灵敏度高，只要很少量的样品就可进行分析。中子活化分析中标高，只要很少量的样品就可进行分析。中子活化分析中标准样品制备要求较高，带电粒子活化分析中标准样品选择准样品制备要求较高，带电粒子活化分析中标准样品选择比较方便。相对测量法的准确度较高。比较方便。相对测量法的准确度较高。2.对样品的破坏性对样品的破坏性 中子和光子活化分析可做样品体内杂质元素的非破坏性分中子和光子活化分析可做样品体内杂质元素的非破坏性分析，带电粒子活化分析只能做样品表面层元素分析；它们析，带电粒子活化分析只能做样品表面层元素分析；它们都只能给出元素成分和总量，不能结出深

43、度分布信息。当都只能给出元素成分和总量，不能结出深度分布信息。当采用放射化学元素分离手续或表面腐蚀处理手续时，则成采用放射化学元素分离手续或表面腐蚀处理手续时，则成为破坏性分析。为破坏性分析。核分析基础及应用核分析基础及应用53第四节第四节 重离子和光子活化分析重离子和光子活化分析三、中子、带电粒子、光子活化分析技术比较三、中子、带电粒子、光子活化分析技术比较3.选择性选择性 中子活化分析中干扰反应较多，光子活化时的干扰比较容中子活化分析中干扰反应较多，光子活化时的干扰比较容易消除。带电粒子的反应道多，采用不同粒子和不同能量，易消除。带电粒子的反应道多，采用不同粒子和不同能量，易于鉴别元素，排

44、除干扰。易于鉴别元素，排除干扰。4.多元素分析多元素分析 采用高分辨率采用高分辨率谱仪的活化分析技术，元素鉴别能力好，谱仪的活化分析技术，元素鉴别能力好，可同时分析多种元素。带电粒子活化后的核素大都是可同时分析多种元素。带电粒子活化后的核素大都是+衰衰变核，测量比较简单，配以衰变曲线分解，也能做多元素变核，测量比较简单，配以衰变曲线分解，也能做多元素分析。分析。核分析基础及应用核分析基础及应用54第四节第四节 重离子和光子活化分析重离子和光子活化分析三、中子、带电粒子、光子活化分析技术比较三、中子、带电粒子、光子活化分析技术比较5.可分析元素范围可分析元素范围 利用中子核反应可分析的元素种类从

45、轻元素一直到重元素，利用中子核反应可分析的元素种类从轻元素一直到重元素，带电粒子和光子活化分析主要分析轻元素杂质。用一种活带电粒子和光子活化分析主要分析轻元素杂质。用一种活化分析方法不能分析的元素，可用另一种方法来分析。对化分析方法不能分析的元素，可用另一种方法来分析。对几种活化分析方法都能分析的元素，可进行比对分析。几种活化分析方法都能分析的元素，可进行比对分析。6.抗沾污性抗沾污性 中子和光子活化分析中，辐照时一般不会沾污样品。带电中子和光子活化分析中，辐照时一般不会沾污样品。带电粒子活化分析中，在样品表面有沾污，可用表面腐蚀处理粒子活化分析中，在样品表面有沾污，可用表面腐蚀处理消除它。消除它。核分析基础及应用核分析基础及应用55思考题思考题1.带电粒子活化分析？带电粒子活化分析？2.带电粒子活化分析技术包括？带电粒子活化分析技术包括？3.带电粒子活化分析设备？带电粒子活化分析设备？4.中子、带电粒子、光子活化分析技术比较？中子、带电粒子、光子活化分析技术比较？核分析基础及应用核分析基础及应用