核分析技术2

C ( x) g ( E , E ) f ( E , E, x) ( E )dE dxdE P(t ) I (t ) 0 0 0 0 i i i
第二章 带电粒子活化分析
带电粒子活化分析原理
核反应的产生率
1）薄样品分析 设样品厚度为△x，若能量为E0的带电粒子 穿透△ x时能量损失△ E很小，则我们称这 种样品为薄样品。在薄样品中反应截面σ几 乎不变，可视为常数。 可用能量E0和 E0—△ E间隔内的平均截面作 为活化截面。
C ( x) g ( E , E ) f ( E , E, x) ( E )dE dxdE P(t ) I (t ) 0 0 0 0 i i i
第二章 带电粒子活化分析
带电粒子活化分析原理
核反应的产生率
定义： 单位时间入射粒子在靶中引起的核反 应数，用P(t)表示。 所以，深度x处，待测元素含量为C(x)的反应 产生率为：
带电粒子活化分析原理
入射粒子和靶发生核反应的条件
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：
Z1Z 2 E 1.44 (MeV ) r r相互作用半径，单位为 费米（fm）
第二章 带电粒子活化分析
带电粒子活化分析原理
带电粒子引起的核反应表达式
x X x' X 'Q 其中：x、X、x'、X' 分别代表入射粒子、 靶原子核、发射粒子和剩余核 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。
第二章 带电粒子活化分析
带电粒子活化分析原理
核反应的产生率
定义： 单位时间入射粒子在靶中引起的核反 应数，用P(t)表示。 产生率的一般表达式：
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。 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。
D* 0
*
p (t ) C I (t )
0
Eth
dE / dx
dE
理论计算与实验结果表明，对不同的靶材料Z2=4~57, 平均截面 变化仅为3%，可认为与靶材料性质无关。
第二章 带电粒子活化分析
基本原理公式
束流强度恒定，即放射性核的产生率不 变，则与中子活化分析原理类似有：
质子：(p，d)，(p，γ)，(p，n) 氘核：(d，p)，(d，γ)，(d，n) 此外，有时也用重粒子，如16O， 14N ， 19F 等。
第三章带电粒子核反应瞬发分析
工作方法
出射粒子有三种：
带电粒子：如p， α，使用金硅面垒半导体探 测器探测； γ射线：用NaI(Tl)闪烁谱仪、半导体探测器 探测； 中子(n) ：可用中子管或塑料闪烁晶体测量 强度，用中子飞行时间谱仪测量能谱。
Eth : 带电粒子核反应阈能
R(E0)
R(Eth)
R(Eth), R(E0) : 能量分别为Eth 和 E0时的射程
第二章 带电粒子活化分析
带电粒子活化分析原理
核反应的产生率
2）厚样品分析
入射粒子能量单一，待测元素均匀分布，即C(x)为常数， 能量歧离现象忽略，则反应产生率为：
p(t ) C I (t ) x dx C I (t ) D E E
束流强度 S-1 C [atoms/cm3]
A [cm2]
单位体积内的原子数cm-3
(E) : D:
截面 cm-2 样品厚度 cm
D [cm]
I [ s-1]
第二章 带电粒子活化分析
带电粒子活化分析原理
核反应的产生率
2）厚样品分析
D* : 活化有效路径
Eth E=0
E0
D*
D* = R(E0)-R(Eth)
Charged Particle Activation Analysis 自1938年用氘d束轰击样品用于分析以来 ，带电粒子活化分析有了较大的发展， 从p、d、α 、３He等重带电粒子活化发展 到重离子活化。应用也不断推广，已成 为样品表面层轻元素分析的重要工具。 CPAA起始于上世纪五十年代后期，已发 展成为一种较为成熟的材料分析手段。
第二章 带电粒子活化分析
概述
由于带电粒子在靶物质中运动时经受能 量损失，在靶中不同深度处粒子能量不 同，因而反应截面不同，反应产额随之 而改变。所以，在推导带电粒子活化分 析公式时，要区分薄样品和厚样品。
σt为总的截面，σa为某一特定反应道的截面；Eth为某一能量，叫反应阈能
第二章 带电粒子活化分析
第二章 带电粒子活化分析
Charged Particle Activation Analysis 核活化分析除了中子活化分析外，还有 带电粒子活化分析和光子活化分析。 这些活化分析技术的辐照条件各不相同 ，但测量方法大体相同。分析元素的范 围和灵敏度，以及分析的样品厚度也有 差异。
第二章 带电粒子活化分析
0
A(t1) A(t0 ) e(t1t0 )
探测器测量到的总计数：
N
0
1

C I (1 e ) e
ti
( t1 t0 )
1 e
( t 2 t1 )
D *
第二章 带电粒子活化分析
测量方法
含量测定方法可分为绝对测定和相对测 定两种。 1）绝对测量
第三章带电粒子核反应瞬发分析
基本原理
设入射粒子的数目为Q，对样品的入射角 为θ，探测器的立体角和探测效率分别 为Ω和ε，样品中待分析元素的原子密 度为N，厚度为t，则通过核反应所探测 到的出射粒子的Y计数为:
第三章带电粒子核反应瞬发分析
基本原理
E0和Ex分别为入射粒子在样品表面和深 度x处的能量, σ( Ex )为入射粒子在能量Ex 时的核反应截面。若为薄样品，入射粒 子的能量在样品中变化不大，Ex ≈E0和 σ( Ex ) ≈ σ( E0 ) ，则上式简化为：
第三章带电粒子核反应瞬发分析
带电粒子与轻元素的反应Q值大，产额 高，只用几个MeV能量的带电粒子就 可以进行高灵敏度元素分析。 带电粒子核反应瞬发分析是样品表面 层轻元素分析不可缺少的一种分析方 法。它的应用范围很广，早在60年代 就被用来分析靶物质中的杂质成分。 近些年来在提高分析灵敏度和深度分 辨率方面有了不少进展。
如：Zr合金是一种熔点高、强度大、抗 腐蚀性好、中子俘获截面小的材料，是 核动力工程中重要的结构和包装材料 要求极低的硼含量11B(p,n)11C或 10B(d,n)11C
第二章 带电粒子活化分析
C：12C(d,n)13N N：14N(d,n)15O O：16O(3He,p)18F
第三章带电粒子核反应瞬发分析
第二章 带电粒子活化分析
概述
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，则测量这放射性核素的半衰期和 活度，就可以确定样品中被分析元素的 种类和含量。 带电粒子活化分析也包括三个主要步骤 ：辐照、冷却和测量。
第二章 带电粒子活化分析
概述
在冷却阶段可进行必要的放射性化学分 离和样品表面沾污层腐蚀处理工作。 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。
利用上述公式，并求出或测量出入射粒子的 总数（即束流强度）、探测器的立体角、反 应截面和探测效率等量。因此，绝对测量结 果精度不高，而且计算繁琐。
第二章 带电粒子活化分析
测量方法
2）相对测量
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，相同的测量条件下测量
n Ds* c cs * ns D
设备
加速器：静电，串列，回旋 冷却系统 样品制备与表面腐蚀处理， 固样，直径约15mm, 厚度约 5mm
第二章 带电粒子活化分析
干扰问题
不同元素经照射后生成相同放射性核素 的干扰
例： 11B(p,n)11C 分析 B 阈能：2.8MeV 14N(p,α)11C 阈能：4.0MeV
根据阈能，改变入射粒子能量
dN P N dt
N
P

(1 e
t
)
第二章 带电粒子活化分析
辐照样品的放射性核数目
辐照ti时刻，样品中的放射性核数目：
N (t )
i
1

C I (1 e
ti
) D *
辐照结束时— t0时刻—样品中的放射性活度： A(t0 ) N (t0 ) C I (1 e t ) D * 冷却到t1时刻的活度：
带电粒子核反应分析包括
带电粒子缓发分析(即带电粒子活化分析) 带电粒子瞬发分析。
带电粒子核反应瞬发分析法是直接测 量核反应过程中伴随发射的辐射确定 反应原子核的种类和元素浓度的方法 。
第三章带电粒子核反应瞬发分析
伴随发射的辐射包括出射的带电粒子 、γ射线，以及出射的中子。 这种分析方法较之带电粒子活化分析 法具有更多的优越性：方法简便、分 析速度快，可利用不同的核反应道、 不同的出射粒子和核反应运动学关系 更有利地鉴别元素和消除干扰反应， 特别是它能在不破坏样品结构的情况 下提供元素深度分布信息。
Ds* Rs ( E0 ) Rs ( Eth ) * D R( E0 ) R( Eth )
第二章 带电粒子活化分析
常用的带电粒子 proton, deuteron, tritium,
3He, 4He
常用的带电粒子活化核反应
(d,n)
Aห้องสมุดไป่ตู้(n,gamma)A+1X