核分析技术与方法
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第二பைடு நூலகம் 核反应分析
2.3.4、定量分析
1. 从能谱分析元素浓度分布
dE E [ ] t dx
dE dE 1 dE [ ] ( )in ( )out dx cos 1 dx cos 2 dx
设待测核素浓度分布为n(t)，则第i道计数
dE 1 Yi Nn(t ) ( , E (t ))[ ] E dx
2.1 引言（基本概念）
2.2 基本原理 2.3 实验装置与技术
2.4 应用举例
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
2.4.应用举例
一、AlON(氧氮化铝)成分的NRA测量
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
才能克服库仑位垒
对Q<0的阈反应
MA Ma Ea Eth Q MA
高、中Z值的核库仑势垒大，当入射粒子为MeV量级时 不能发生核反应。且如果发生核反应，其相应的Q值也 很大，往往比入射粒子能量高。因此核反应方法适于分 析重基体中的轻元素杂质。
2.1 引言（基本概念）
2.2 基本原理 2.3 实验装置与技术
第三章 核分析技术与方法
第一节 核分析技术基础
• 核分析技术应用
物理、化学、生物、地质、考古等学科所 研究的各种实体与物质的分析，如文物鉴 定、年代测定、产地确定、制作工艺水平 分析等。
第二节 核反应分析
（ Nuclear Reaction Analysis (NRA) ）
2.1 引言（基本概念）
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
2.4 应用举例
2.2 基本原理 2.2.1、出射粒子能量
Eb
1 2 1 2
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
在非相对论情况下，对核反应a+AB+b+Q 有
( K1 Ea ) cos [ K3Q ( K 2 K1 sin ) Ea ]
2 1 2
MaMb K1 ( M a M A )( M b M B )
第二节 核反应分析
2.3.3、实验条件的选择
1. 反应道的选择
选择高Q值，高截面的反应道，干扰反应较少，可避 免弹性散射的干扰。 2. 入射离子能量选择 高截面的能量可以获得较高的灵敏度，但还要考虑尽 可能减少干扰反应。 非共振反应尽量选择激发曲线的坪区。共振核反应分 析要选择共振能量。
第三章 核分析技术与方法
出射粒子
瞬发
可测半衰期
出射粒子 缓发（活化）
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
同样的入射粒子和靶核，可以有多个反应道
B+b+Q B'+b'+Q' A+a B"+B"+Q"
各反应道开通的条件不同，但同一条件下有可能 开通多个反应道。
2.1 引言（基本概念）
2.2 基本原理 2.3 实验装置与技术
超精细相互作用核分析 （Hyper fine effect analysis）
活化分析技术 （Activation analysis）
第三章 核分析技术与方法
第一节 核分析技术基础
• 核分析技术特点
灵敏度高、准确度好、分辨率高、非破坏性、具备 多元素分析能力、能实施离线和在线测量。
非破坏性分析（Non-destructive analysis，NDA ）
2.2.2、核反应截面
对薄靶有
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
Y Q ( E )( Nt )
核反应微分截面，其值以激发曲线的形式给出 的值可以从NDT (Nuclear Date)及相关数据库（见
http://nst.pku.edu.cn/的链接）中查到
第三章 核分析技术与方法
实际测量中采用标样法
dE [ ] Yi n(t ) ns (t )( ) dx Yis [ dE ] s dx
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
深度分辨
δt δED
影响深度分辨的因素：
dE [ ] dx
a. 反应道：例如对16O(d, p)反应, t~600Å；而 对16O(d, )反应, t~100Å。 b. 分析深度：t→E c. 入射角和出射角1、2
E为道宽
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
若入射粒子能量选择在激发曲线得坪区，即
( , E(t )) ( , E0 )
则有
dE 1 Yi n(t ) N[ ] E dx
若选(E)的坪区，能谱形状直接反映杂质的深度分布；
反之，若杂质均匀分布，能谱形状直接反映激发曲线。
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
2.4.应用举例 二、利用(d,p)反应测定谷物种子中蛋白质含量
元素 Q (MeV)
12C 13C 14N 15N 16O
2.72
5.59
8.61
0.26
1.92
13.4MeV氘束引起的14N(d, p)15N核反应微分截面随角度的 增加而增大，而12C(d, p)13C反应微分截面在 120 有最大 值。选择在 165 （实验室几何条件允许的最大角度）和 120放置两路耐辐射的CsI晶体探测器，对小麦、水稻多 个样品中的14N/12C进行了测定。
第三章 核分析技术与方法
2.3.2、粒子鉴别技术
1.本底干扰的来源
a. 待测元素其它反应道 的出射粒子:
第二节 核反应分析
b. 其它核素的反应产物
B+b+Q B'+b'+Q' A+a B"+B"+Q"
c. 与核反应同时产生的光子
A+a B Q B' Q' A'+a' +b+ A''+a'' B" Q"
2.3.4、定量分析
3. 核反应分析的特点
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
(5) 对低Z（<20）元素分析特别有效，并可实现一些轻 核的同时分析。 (6) 一般能谱不能进行深度分析，用有尖锐共振的核反 应产生的能谱分析可以得到比带电粒子更好的深 度分辨。 (7) 对样品无损。 (8) 带电粒子可聚焦，因而用微束可实现微区分析。
掠入射可以提高深度分辨
2.3.4、定量分析
2. 利用共振核反应测定深度分布
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
在有些核反 应激发曲线 上，会有尖 锐的共振峰 存在。将能 量选择在峰 位上就能发 生共振反应。
Γ1
Γ2
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
几点结论 共振峰越窄，深度分辨越好； 共振峰越强，灵敏度越高； 孤立共振可分析较厚的靶； 多个共振则分析深度取决于邻近共振的位置。 例如 1H(19F ， )16O 的 16.4 MeV( 邻近共振峰能量为 17.56 MeV) 共振可分析的最大深度为 4000Å，而 6.42 MeV共振可分析的最大深度达12000 Å。
第三章 核分析技术与方法
第三章 核分析技术与方法
• 引言
核技术应用
反应堆、加 速器等设施 同位素技术 核分析技术
第一节 核分析技术基础
第二节 核反应分析 第三节 X射线荧光分析
第四节 质谱分析
第五节 中子活化分析 第六节 同位素示踪技术
第一节 核分析技术基础
第三章 核分析技术与方法
第一节 核分析技术基础
• 核分析技术原理
核分析技术是基于被测定的材料或样品在射 线和粒子束的作用下，产生相应的辐射特征(射 线、粒子、辐射能量)，或者是有的材料或样品 本身具有辐射特征，利用相应的探测器测量材料 或样品中某核素辐射特征（如特征谱线）确定核 素种类，经过计数效率刻度可进一步确定样品中 核素的活度、含量等信息。 可以定性分析，又可以定量分析。
2.2.3、深度分析
对厚靶有
第二节 核反应分析
dE dE E [ ( )in ( )out ] t dx dx
Eb Ea
核反应的反应因子（运动学因子）
第三章 核分析技术与方法
2.2.4、反应条件
对Q>0的核反应
第二节 核反应分析
Ea
Z1Z2 Ma
1 3
MA
1 3
(MeV)
d. 脉冲堆积 短时间内若干小噪 声信号脉冲叠加成 一个伪信号脉冲
A+a B* +b+Q B+γ
2.3.2、粒子鉴别技术
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
2. 粒子鉴别 a. 采用吸收膜，膜厚要根据试验情况具体选择。 b. 控制探测器的耗尽层，去除轻粒子。
第三章 核分析技术与方法
MAMB K2 ( M a M A )( M b M B )
K3 Mb Mb MB
• 给定入射粒子(Ma, Ea)，一定的靶核(MA)和一定的反应道 (MB, Mb和Q)，在方向出射的粒子的能量Eb有特定的值。 • B处于不同激发态， Q有不同的值， Eb能谱中与之相对 应的位置出现峰。
2.4 应用举例
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
2.3.实验装置与技术
2.3.1、实验装置
一般采用静电加速器或串列加速器，获得0.5~5MeV 的离子束。 探测器：带电粒子——Au-Si面垒 ——闪烁NaI(Tl)，Ge(Li) 中子——中子探测器 入射粒子多用 p 、 d 、 t 、 3He 、 粒子等轻粒子，也 有用6Li、7Be、15N和19F做轻元素和氢分析的。
例： 在有C、O存在的情况下测Cu-Ni合金上的薄S层 选择合适的反应道
选用32S(d, p)33S反应，Q＝6.419MeV，比C和O的(d, p) 反应Q值高很多，避免了C、O的干扰。
Ed=4MeV 时， d 与 Cu 、 Ni 反应的产生质子峰很强，从而 测不到与S反应产生的质子。 Ed=2MeV 时，由于 Cu、Ni的库仑位垒较高，这时d与Cu、 Ni反应产生的质子很少，与S反应产生的质子变得容易测 量。
第二节 核反应分析
选择合适的入射能量
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
3. 探测几何选择
• 调整可以使反应微分截面最大。 • 调整可以使欲分析的粒子位于能谱中无干扰范围内。 常用后角区以减少散射粒子影响。 • 探测器立体角的大小由灵敏度和深度分辨来折衷考虑。
选择合适的入射角和立体角
第三章 核分析技术与方法
第三章 核分析技术与方法
第一节 核分析技术基础
• 核分析技术的种类
离子束分析技术 （Ion beam analysis，IBA）
核反应分析（NRA)； 卢瑟福背散射（RBS); 质子诱发X射线荧光分析（PIXE）； 加速器质谱分析（AMS）； 沟道效应分析（CT）；
穆斯堡尔效应（Mö ssbauer effect）； 核磁共振效应（NMR）； 正电子湮灭效应（PAT）； 中子衍射（Neutron diffraction）； 中子散射（Neutron scattering）； 带电粒子活化； γ 射线活化； 中子活化 。
第三章 核分析技术与方法
2.3.4、定量分析
3. 核反应分析的特点
第二节 核反应分析
(1) 不仅可做元素定量分析，而且可做近表面层内元素的 深度分布分析。并有较高的深度分辨（可达20 Å）。 (2) 选择性强，对同位素敏感。 (3) 灵敏度高，有天然本底，同一问题可考虑多个反应道。 适当选择反应道可使待测元素产物处于能谱中无干 扰位置，并有强产额，可以实现轻元素本底探测。 (4) 精度好，很少需要样品处理，减少引进外来元素的机 会。
2.2 基本原理 2.3 实验装置与技术
2.4 应用举例
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
2.1.引言
a A b BQ
a b A B Q 入射粒子 出射粒子 靶核 剩余核 反应能 带电粒子、中子、γ
Q>0 放能, Q<0 吸能
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
NRA通常指带电粒子引起的瞬发核反应分析， 也叫 CPPRA （ Charged Particle Prompt Reaction Analysis ），而“活化分析”（ Neutron Activation Analysis 简称 NAA 或 Charged Particle Activation Analysis简称PAA）是指缓发核反应分析。 核反应 核反应 <10-14s 放射性复合核
2.3.4、定量分析
1. 从能谱分析元素浓度分布
dE E [ ] t dx
dE dE 1 dE [ ] ( )in ( )out dx cos 1 dx cos 2 dx
设待测核素浓度分布为n(t)，则第i道计数
dE 1 Yi Nn(t ) ( , E (t ))[ ] E dx
2.1 引言（基本概念）
2.2 基本原理 2.3 实验装置与技术
2.4 应用举例
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
2.4.应用举例
一、AlON(氧氮化铝)成分的NRA测量
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
才能克服库仑位垒
对Q<0的阈反应
MA Ma Ea Eth Q MA
高、中Z值的核库仑势垒大，当入射粒子为MeV量级时 不能发生核反应。且如果发生核反应，其相应的Q值也 很大，往往比入射粒子能量高。因此核反应方法适于分 析重基体中的轻元素杂质。
2.1 引言（基本概念）
2.2 基本原理 2.3 实验装置与技术
第三章 核分析技术与方法
第一节 核分析技术基础
• 核分析技术应用
物理、化学、生物、地质、考古等学科所 研究的各种实体与物质的分析，如文物鉴 定、年代测定、产地确定、制作工艺水平 分析等。
第二节 核反应分析
（ Nuclear Reaction Analysis (NRA) ）
2.1 引言（基本概念）
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
2.4 应用举例
2.2 基本原理 2.2.1、出射粒子能量
Eb
1 2 1 2
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
在非相对论情况下，对核反应a+AB+b+Q 有
( K1 Ea ) cos [ K3Q ( K 2 K1 sin ) Ea ]
2 1 2
MaMb K1 ( M a M A )( M b M B )
第二节 核反应分析
2.3.3、实验条件的选择
1. 反应道的选择
选择高Q值，高截面的反应道，干扰反应较少，可避 免弹性散射的干扰。 2. 入射离子能量选择 高截面的能量可以获得较高的灵敏度，但还要考虑尽 可能减少干扰反应。 非共振反应尽量选择激发曲线的坪区。共振核反应分 析要选择共振能量。
第三章 核分析技术与方法
出射粒子
瞬发
可测半衰期
出射粒子 缓发（活化）
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
同样的入射粒子和靶核，可以有多个反应道
B+b+Q B'+b'+Q' A+a B"+B"+Q"
各反应道开通的条件不同，但同一条件下有可能 开通多个反应道。
2.1 引言（基本概念）
2.2 基本原理 2.3 实验装置与技术
超精细相互作用核分析 （Hyper fine effect analysis）
活化分析技术 （Activation analysis）
第三章 核分析技术与方法
第一节 核分析技术基础
• 核分析技术特点
灵敏度高、准确度好、分辨率高、非破坏性、具备 多元素分析能力、能实施离线和在线测量。
非破坏性分析（Non-destructive analysis，NDA ）
2.2.2、核反应截面
对薄靶有
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
Y Q ( E )( Nt )
核反应微分截面，其值以激发曲线的形式给出 的值可以从NDT (Nuclear Date)及相关数据库（见
http://nst.pku.edu.cn/的链接）中查到
第三章 核分析技术与方法
实际测量中采用标样法
dE [ ] Yi n(t ) ns (t )( ) dx Yis [ dE ] s dx
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
深度分辨
δt δED
影响深度分辨的因素：
dE [ ] dx
a. 反应道：例如对16O(d, p)反应, t~600Å；而 对16O(d, )反应, t~100Å。 b. 分析深度：t→E c. 入射角和出射角1、2
E为道宽
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
若入射粒子能量选择在激发曲线得坪区，即
( , E(t )) ( , E0 )
则有
dE 1 Yi n(t ) N[ ] E dx
若选(E)的坪区，能谱形状直接反映杂质的深度分布；
反之，若杂质均匀分布，能谱形状直接反映激发曲线。
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
2.4.应用举例 二、利用(d,p)反应测定谷物种子中蛋白质含量
元素 Q (MeV)
12C 13C 14N 15N 16O
2.72
5.59
8.61
0.26
1.92
13.4MeV氘束引起的14N(d, p)15N核反应微分截面随角度的 增加而增大，而12C(d, p)13C反应微分截面在 120 有最大 值。选择在 165 （实验室几何条件允许的最大角度）和 120放置两路耐辐射的CsI晶体探测器，对小麦、水稻多 个样品中的14N/12C进行了测定。
第三章 核分析技术与方法
2.3.2、粒子鉴别技术
1.本底干扰的来源
a. 待测元素其它反应道 的出射粒子:
第二节 核反应分析
b. 其它核素的反应产物
B+b+Q B'+b'+Q' A+a B"+B"+Q"
c. 与核反应同时产生的光子
A+a B Q B' Q' A'+a' +b+ A''+a'' B" Q"
2.3.4、定量分析
3. 核反应分析的特点
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
(5) 对低Z（<20）元素分析特别有效，并可实现一些轻 核的同时分析。 (6) 一般能谱不能进行深度分析，用有尖锐共振的核反 应产生的能谱分析可以得到比带电粒子更好的深 度分辨。 (7) 对样品无损。 (8) 带电粒子可聚焦，因而用微束可实现微区分析。
掠入射可以提高深度分辨
2.3.4、定量分析
2. 利用共振核反应测定深度分布
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
在有些核反 应激发曲线 上，会有尖 锐的共振峰 存在。将能 量选择在峰 位上就能发 生共振反应。
Γ1
Γ2
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
几点结论 共振峰越窄，深度分辨越好； 共振峰越强，灵敏度越高； 孤立共振可分析较厚的靶； 多个共振则分析深度取决于邻近共振的位置。 例如 1H(19F ， )16O 的 16.4 MeV( 邻近共振峰能量为 17.56 MeV) 共振可分析的最大深度为 4000Å，而 6.42 MeV共振可分析的最大深度达12000 Å。
第三章 核分析技术与方法
第三章 核分析技术与方法
• 引言
核技术应用
反应堆、加 速器等设施 同位素技术 核分析技术
第一节 核分析技术基础
第二节 核反应分析 第三节 X射线荧光分析
第四节 质谱分析
第五节 中子活化分析 第六节 同位素示踪技术
第一节 核分析技术基础
第三章 核分析技术与方法
第一节 核分析技术基础
• 核分析技术原理
核分析技术是基于被测定的材料或样品在射 线和粒子束的作用下，产生相应的辐射特征(射 线、粒子、辐射能量)，或者是有的材料或样品 本身具有辐射特征，利用相应的探测器测量材料 或样品中某核素辐射特征（如特征谱线）确定核 素种类，经过计数效率刻度可进一步确定样品中 核素的活度、含量等信息。 可以定性分析，又可以定量分析。
2.2.3、深度分析
对厚靶有
第二节 核反应分析
dE dE E [ ( )in ( )out ] t dx dx
Eb Ea
核反应的反应因子（运动学因子）
第三章 核分析技术与方法
2.2.4、反应条件
对Q>0的核反应
第二节 核反应分析
Ea
Z1Z2 Ma
1 3
MA
1 3
(MeV)
d. 脉冲堆积 短时间内若干小噪 声信号脉冲叠加成 一个伪信号脉冲
A+a B* +b+Q B+γ
2.3.2、粒子鉴别技术
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
2. 粒子鉴别 a. 采用吸收膜，膜厚要根据试验情况具体选择。 b. 控制探测器的耗尽层，去除轻粒子。
第三章 核分析技术与方法
MAMB K2 ( M a M A )( M b M B )
K3 Mb Mb MB
• 给定入射粒子(Ma, Ea)，一定的靶核(MA)和一定的反应道 (MB, Mb和Q)，在方向出射的粒子的能量Eb有特定的值。 • B处于不同激发态， Q有不同的值， Eb能谱中与之相对 应的位置出现峰。
2.4 应用举例
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
2.3.实验装置与技术
2.3.1、实验装置
一般采用静电加速器或串列加速器，获得0.5~5MeV 的离子束。 探测器：带电粒子——Au-Si面垒 ——闪烁NaI(Tl)，Ge(Li) 中子——中子探测器 入射粒子多用 p 、 d 、 t 、 3He 、 粒子等轻粒子，也 有用6Li、7Be、15N和19F做轻元素和氢分析的。
例： 在有C、O存在的情况下测Cu-Ni合金上的薄S层 选择合适的反应道
选用32S(d, p)33S反应，Q＝6.419MeV，比C和O的(d, p) 反应Q值高很多，避免了C、O的干扰。
Ed=4MeV 时， d 与 Cu 、 Ni 反应的产生质子峰很强，从而 测不到与S反应产生的质子。 Ed=2MeV 时，由于 Cu、Ni的库仑位垒较高，这时d与Cu、 Ni反应产生的质子很少，与S反应产生的质子变得容易测 量。
第二节 核反应分析
选择合适的入射能量
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
3. 探测几何选择
• 调整可以使反应微分截面最大。 • 调整可以使欲分析的粒子位于能谱中无干扰范围内。 常用后角区以减少散射粒子影响。 • 探测器立体角的大小由灵敏度和深度分辨来折衷考虑。
选择合适的入射角和立体角
第三章 核分析技术与方法
第三章 核分析技术与方法
第一节 核分析技术基础
• 核分析技术的种类
离子束分析技术 （Ion beam analysis，IBA）
核反应分析（NRA)； 卢瑟福背散射（RBS); 质子诱发X射线荧光分析（PIXE）； 加速器质谱分析（AMS）； 沟道效应分析（CT）；
穆斯堡尔效应（Mö ssbauer effect）； 核磁共振效应（NMR）； 正电子湮灭效应（PAT）； 中子衍射（Neutron diffraction）； 中子散射（Neutron scattering）； 带电粒子活化； γ 射线活化； 中子活化 。
第三章 核分析技术与方法
2.3.4、定量分析
3. 核反应分析的特点
第二节 核反应分析
(1) 不仅可做元素定量分析，而且可做近表面层内元素的 深度分布分析。并有较高的深度分辨（可达20 Å）。 (2) 选择性强，对同位素敏感。 (3) 灵敏度高，有天然本底，同一问题可考虑多个反应道。 适当选择反应道可使待测元素产物处于能谱中无干 扰位置，并有强产额，可以实现轻元素本底探测。 (4) 精度好，很少需要样品处理，减少引进外来元素的机 会。
2.2 基本原理 2.3 实验装置与技术
2.4 应用举例
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
2.1.引言
a A b BQ
a b A B Q 入射粒子 出射粒子 靶核 剩余核 反应能 带电粒子、中子、γ
Q>0 放能, Q<0 吸能
第三章 核分析技术与方法
第二节 核反应分析
NRA通常指带电粒子引起的瞬发核反应分析， 也叫 CPPRA （ Charged Particle Prompt Reaction Analysis ），而“活化分析”（ Neutron Activation Analysis 简称 NAA 或 Charged Particle Activation Analysis简称PAA）是指缓发核反应分析。 核反应 核反应 <10-14s 放射性复合核