核分析技术

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1.核分析技术是利用中子、光子、离子、正电子与物质原子或者原子核的相互作用,采用核物理实验技术,研究物质成分和结构的一种分析方法。它包括活化分析、离子束分析、核效应分析三大类。
2.中子活化分析在微量和痕量元素分析中有重要的地位:高灵敏度,多元素、非破坏性元素分析的可靠方法。
中子活化分析应用:热中子:地质样品分析,环境样品分析,生物医学样品分析,考古样品分析;快中子:金属中O,Be元素分析,蛋白质,碳氢化合物中的N分析
原理:中子活化分析是利用中子辐照样品,使其与原子核发生核反应,生成具有一定寿命的放射性核素,然后对生成的放射性核素鉴别,从而确定样品中的核素成分和含量的一种分析方法。
步骤:样品制备、中子辐照样品、取出样品冷却,分离、测量、数据处理。
中子活化设备:辐照中子源,样品传送设备及必要的分离设备,射线能量和强度测量设备,数据记录和处理设备。
中子源1012-1015/cm2.s,但
不均匀,中子能量单一,且产额各向同性,但通量大小会随时间变化,多用于快中子活化分析;
量小。
中子活化反应:(n,γ)、(n,p)、(n,α),【(n,2n)】
射线一般为γ射线,探测器:以前是NaI(Tl),现在多用Ge彩井盖
(Li)或者高纯锗探测器
不同元素通过不同的中子反应道形成相同的待分析核素(裂变反应也可以提供初级干扰)。如63Cu(n,γ)64Cu 【64Zn(n,p)64Cu】;59Co(n,γ)60Co【60Ni(n,p)60Co】;
干扰元素的含量。
3.带电粒子活化分析的对象:表面层轻元素分析(轻元素库仑势垒低)及某些重元素分析(用的样品均为固体样品),只能给出薄层轻元素总量,不能给出深度分布
应用:半导体中的轻元素分析(如O(3He,p),C(d,n),B(p,n))
光子与原子核的反应都是阈能反应。
带电粒子活化生成的核素大多具有+β衰变,故可测正电子淹没辐射光子强度来确定元素含量。采用符合相加法可以减少本底计数。干扰多为初级干扰。
原理: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,则测量这些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。
D和3He的结合能比较小,这些离子束在加速器上易得。
步骤主要有:辐照、冷却和测量。
积分截面的数学定义:
是反应截面是有效射程,。或者σσσ*0)/(
)()(0
*D dE dx
dE E dx x E E D th ∫∫(积分截面=*D σ)阻止本领是靶原子数密度N N
dx dE dx dE 1⋅=ε    入入靶靶入m E N Z z dx dE ⋅∝2中子活化和带电粒子活化都只给出元素成分和总量,不能给出深度分布信息。
4.带电子核反应瞬发分析确定元素种类和元素浓度深度分析(因为射程有限主要用于表面元素分析)。
酸性硅溶胶消除散射粒子影响计数的方法:(1)在探测器前面放一定厚度的吸收箔(2)用磁偏转方法把散射粒子偏转掉。
得到的峰宽与入射粒子的能散度,有限立体角的运动学展宽,探测器固有分辨率,吸收箔中的能量展宽(对于厚样品还与样品中的能量展宽有关)
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能量歧离效应:当入射粒子与靶物质相互作用时,由于碰撞事件的统计涨落,带电粒子的能量损失有一涨落,称为能量岐离效应。糖浆罐
非共振核反应的截面随能量的变化比较缓慢,入射粒子能量可选在截面曲线平坦的区域。当快速带电粒子贯穿靶物质时,要经受电离能量损失,根据其能量损失和入射粒子在样品中的不同深度处发生的核反应产额(即能谱),可以提供有关元素浓度的深度分布信息。
共振核反应:有些核反应的截面随能量的变化有着尖锐的共振。入射粒子的能量E0=Er 时,共振发生在表面。当入射粒子能量增加时,
共振核反应发生在样品深部。因此在共振能量附近逐渐改变入射粒子能量,并在每一入射能量时测量反应产额(一般为γ射线),得到激发曲线。由入射粒子在物质中的能量损失,可以得到入射粒子能量和发生共振核反应的深度之间的一一对应关系x=(E0-Er)/S(E).从得到的激发曲线可以获得有关元素浓度的深度分布信息。
核反应能量损失因子dE3/dx :表示带电粒子发生核反应时的出射粒子能量随深度的变化关系。
影响深度分辨率的因素:探测器分辨率21)(355.2FWE D =δ几何因素(运动学展宽)G δ,能量歧离因素s δ,多次散射,入射能量束的
能量分布B δ。
5.背散射分析是固体表面层元素成分、杂质含量和元素浓度分布分析,以及薄膜界面特性分析不可或缺的分析手段,与弹性反冲分析结合,能够无损的分析轻重各种元素。
不需要依赖标准样品就可以得到定量分析结果。
带通滤波器有背散射能谱可以获得靶原子的深度分布信息。
RBS 卢瑟福散射:入射离子与靶原子核之间的大角度库伦散射。用探测器对这些背散射粒子进行测定,能够获得有关原子的质量、含量和深度分布等信息。
RBS 的三个主要参量:运动学因子(入射离子碰撞前后能量之比)、背散射截面和能量损失因子(背散射粒子在入射路径和处射路径上的能量损失率)。深度分析:背散射能谱是背散射定量分析的依据。根据能谱高
度(能谱中能量为E1的某一道内记录到的在样品中深度x处,间隔为dx内散射的粒子数)可以得到元素浓度的深度分布分析信息。【背
-E1散射粒子的能量与发生散射的靶原子深度x一一对应】,峰宽=KE
0背散射的探测器种类有:半导体探测器(Au—Si面垒探测器),静电分析器或者磁分析器(能量分辨率高,故质量分辨本领大,但是立体角小,计数率低,测时较长),飞行时间谱仪(重离子)。
6.沟道效应:当一束准直的正离子入射到单晶体靶上时,离子与靶原子之间相互作用几率,与离子的入射方向和单晶体飞晶轴或晶面间的相对取向有关。带电粒子与单晶体中的原子相互作用的这种强烈的方向效应就是沟道效应。
阻塞效应:当带电粒子与单晶体原子发生相互作用时,沿着晶轴方向入射的粒子,它会受到邻近晶格原子的散射,不能从晶轴方向射出,故在晶轴方向上探测到的粒子数最少,这种现象叫做阻塞效应。
沟道技术可以可以分析单晶体缺陷,晶格损伤量及其深度分布,杂质原子的晶格位置。阻塞效应可以直接测量核能级寿命。
主要参数:归一化产额的角分布半宽度Ψ1/2【也叫临界角】(零点几度到几度)和归一化产额的极小值χmin。
实验测得的能谱是理想能谱与能量分布函数的卷积。

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