核分析課程設(shè)計

1、用溝道效應(yīng)定位晶體Si中雜質(zhì)原子技術(shù)原理： 溝道技術(shù)是利用帶電粒子與單晶體的相互作用研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的一種分析技術(shù)。在單晶休中，原子是有規(guī)則地排列的，晶格原子構(gòu)成一系列的晶軸和晶面。帶電粒子入射到單晶體上時，相互作用情況與入射到無定形樣品時會很不一樣。當(dāng)沿著單晶體的一定方向入射時，出現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，離子約運動受到晶軸或晶面原子勢的控制。當(dāng)一束準(zhǔn)直的正離子入射到單晶體靶上時，離子與靶原子之間相互作用幾率，與離子的入射方向和單晶體晶軸或晶面間的相對取向有關(guān)。帶電粒子與單晶體中的原子相互作用的這種強烈的方向效應(yīng)就是溝道效應(yīng)。用溝道效應(yīng)進(jìn)行雜質(zhì)原子定位研究的基本原理是:間隙原子和替位原子與離子束碰撞的

2、幾率在晶體不同取向時，有著不同的依賴關(guān)系，在不同晶軸方向進(jìn)行測量，就可以定出其位置。下圖是Si(110)面的原子排列圖。圖中用符號表示基體晶格原子，分別用符號、×、表示處于間隙位、替位、四面體中間位置的某種雜質(zhì)原子。由圖可以清楚看出，處于替位的雜質(zhì)原子，入射束按<100>,<110>或<111>定向入射，都不能與之發(fā)生背散射等近距作用，只有在偏離晶軸方向入射時才會發(fā)生。對于處于間隙位的雜質(zhì)原子，無論從什么方向入射，都能與之發(fā)生近距作用，沒有方向性。處于四面體中間位置的雜質(zhì)原子，分析束從<111>、<100>的方向入射時不能發(fā)

3、現(xiàn)它，從<110>方向入射時可以發(fā)現(xiàn)它。從不同晶軸方向的測量，可以定量計算出雜質(zhì)原子的替位率。特征參數(shù)：歸一化產(chǎn)額的角分布半寬度（零點幾度到幾度）和歸一化產(chǎn)額的極小值。反映人射離子與晶格原子近距相互作用產(chǎn)額隨著入射方向與晶軸7或晶面8夾角變化的角分布半寬度,它又可稱為溝道坑一半寬度, 近距相互作用歸一化產(chǎn)額極小值,用背散射作為近距相互作用事件時, 還有與定向譜歸一化產(chǎn)額斜率相聯(lián)系的溝道離子退道率和由晶體表面第一、二層面原子散射產(chǎn)生的表面峰產(chǎn)額等。用林德哈的連續(xù)模型可以確定這些參數(shù)。處理方法：對晶格原子的一系列相關(guān)的小角度碰撞，采用連續(xù)弦和連續(xù)勢概念來進(jìn)行討論。對軸溝道，把位于一直線

4、的、間隔為d的許多晶格原子看作是串聯(lián)在一根弦上。設(shè)想把晶格原子的電荷分割，并連續(xù)地、均勻地分布在這弦上，所產(chǎn)生的勢就是平均勢(或稱連續(xù)勢)。用平行于品軸的平均勢來替代晶軸上實際存在著的周期性原子勢?？汕蟮茫?； 式中 ； 實驗裝置設(shè)計以及主要實驗裝置：溝道技術(shù)的實驗設(shè)備由4個基本部份組成：（1） 產(chǎn)生準(zhǔn)直離子束的加速器；（2） 記錄背散射粒子的探測器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；（3） 能精確地調(diào)整晶體方位的定位裝置（步進(jìn)馬達(dá)控制系統(tǒng)）。實驗幾何條件選擇：入射離子束經(jīng)準(zhǔn)直后打到單晶樣品上。晶體安裝在一個可以調(diào)整角度的定角器上。1、 薄樣品采用透射幾何裝置在前向用探測器記錄粒子。當(dāng)入射束與晶軸(或晶面)方向一

5、致時，產(chǎn)生溝道效應(yīng)，透過的粒子數(shù)最多，在徑跡探測器上得到星狀圖象，當(dāng)用半導(dǎo)體位置靈敏探測器來記錄粒子時，應(yīng)采用很小的準(zhǔn)直孔(<0.1mm)使入射束強度盡量弱，以免探測器受損。2、 厚樣品采用散射幾何裝置在后向角度探測粒子。這些粒子可以是彈性散射粒子，也可以是核反應(yīng)產(chǎn)生的各和粒子，以及入射束激發(fā)的X射線等。通常是測背散射粒子產(chǎn)額隨入射束與晶軸(或晶面)夾角的變化。 晶軸定向手續(xù)：已知晶軸方向的單晶樣品裝在定角器上后，需調(diào)節(jié)定角器角度才能確定晶軸的方位使晶軸方向與入射束方向完全一致，這種調(diào)節(jié)步驟稱為定向。1、單晶樣品準(zhǔn)備沿某一晶面方向從晶柱上切割下一塊一定厚度的單晶樣品。樣品的晶軸方向與樣品

6、切面的法線間夾角一般在幾度范圍內(nèi)，切割得好，可控制在零點幾度。然后對樣品拋光、退火處理，裝在定角器上。2、隨機譜測量 對于單晶靶的隨機譜測量，總是將晶體傾斜一個角度，使主晶軸不與入射束對準(zhǔn)。為了防止高密勒指數(shù)晶面的面溝道效應(yīng)出現(xiàn)，應(yīng)連續(xù)轉(zhuǎn)動晶休(改變方位角)，轉(zhuǎn)動速度視各種定角器結(jié)構(gòu)而定。在測量隨機譜的時間內(nèi)，應(yīng)盡量使樣品多轉(zhuǎn)幾圈，這樣可把而溝道效應(yīng)平均掉。3.定向手續(xù)在做溝道實驗時，首先要確定裝在定角器上的單晶樣品的晶軸方向，然后才能使晶軸與入射束方向一致。由于晶體的晶軸是由幾組晶面相交而成，所以當(dāng)入射束對準(zhǔn)這些晶面時，會發(fā)生面溝道效應(yīng)。測量這些面溝道dip曲線，就可以確定晶軸方向。軸溝道d

7、ip曲線和定向譜測量 在晶軸方向與入射束方向基本一致時，對角掃描，就得到軸溝道dip曲線。在晶軸方向與入射束方向完全一致時，測量到的背散射能譜，就是定向譜。實驗探測與測量裝置：半導(dǎo)體探測器背散射測量裝置半導(dǎo)體探測器：探測記錄散射粒子；前置放大器：放大信號；步進(jìn)馬達(dá)控制：樣品安裝在一個可以旋轉(zhuǎn)角度的定角器上，可用步進(jìn)馬達(dá)控制轉(zhuǎn)動；束流積分儀：記錄束流；多道脈沖分析器：測量dip曲線；描圖儀：畫出顯示譜線。干擾問題及處理：1、 沿溝道方向入射的粒子由于一系列前向小角散射，其運動方向能偏離原來方向。當(dāng)同晶軸的夾角超過時,稱之為“退道”。晶體表面第一層原子，表面無定形層、點陣熱振動、點陣缺陷和位移原子

8、等都會使退道加劇。由于退道現(xiàn)象隨深度的增加而更加嚴(yán)重，在測量定向時的背散射產(chǎn)額時，這產(chǎn)額隨深度增加而增加，因而隨深度增加而變大，而且也隨深度而變化。對實驗的測量產(chǎn)生了干擾。理論上，退道幾率可以計算出來，這就要借助于各種退道模型估計退道對產(chǎn)額的貢獻(xiàn)。2、 在進(jìn)行雜質(zhì)原子定位時，基體原子的信號會干擾雜質(zhì)原子的信號。解決辦法：對于輕元素基體中的重元素雜質(zhì)，采用背散射測量；對于重元素基體中的輕元素雜質(zhì)，則采用核反應(yīng)分子。3、 通量呈峰效應(yīng):前面討論中是認(rèn)為溝道空間中粒子的通量是均勻分布的。從蒙特-卡羅法計算,或從連續(xù)勢近似計算可知理想晶體溝道區(qū)中入射粒子通量分布并非均勻，往往在溝道區(qū)中心通量密度達(dá)極大

9、，這就是所謂通量呈峰效應(yīng)。原則上講，通量呈峰效應(yīng)為區(qū)分位置僅差0.10.2的雜質(zhì)原子分布提供了可能性。金屬中氫、氦離子往往處于各種隙位，它們位置分布情況是反應(yīng)堆物理中受重視的問題，通量呈峰效應(yīng)為它提供了一種可能的研究途徑。所以在進(jìn)行分析的時候我們要考慮通量呈峰效應(yīng)。4、 晶軸與入射束的定向精度的影響?？刹捎秒p定向幾何來提高實驗的靈敏度。國內(nèi)外溝道效應(yīng)的發(fā)展動態(tài)：溝道效應(yīng)可以分析單晶體缺陷，晶格損傷量極其深度分布，雜質(zhì)原子的晶格位置。(1)作為觸發(fā)體的彎晶在重味粒子衰變研究中的應(yīng)用;(2)重味粒子磁矩的測量;(3)應(yīng)用阻塞技術(shù)測量粒子壽命;(4)應(yīng)用溝道輻射進(jìn)行粒子識別;(5)光子束;(6)帶電

10、粒子束的彎曲和聚焦;(7)晶體中相干Primakoff效應(yīng)的研究;(8)生成粒子的溝道效應(yīng);(9)用于長基線中微子振蕩實驗的粒子束。目前已證實從正負(fù)電子到重離子，kev能區(qū)至相對論能區(qū)都存在溝道效應(yīng)和阻塞效應(yīng)。相對論能區(qū)的介子和質(zhì)子的溝道效應(yīng)是溝道技術(shù)的新發(fā)展，這方面的進(jìn)展不但發(fā)展了溝道效應(yīng)，而且可以作為高能物理中的正負(fù)粒子鑒別器，測量基本粒子壽命并提供負(fù)粒子阻止本領(lǐng)的數(shù)據(jù)。電子通過溝道時，在周期場的作用下還會發(fā)射溝道輻射。使用條件與范圍：溝道技術(shù)可用來確定單晶樣品中注入離子的濃度、分布，晶格損傷量，退火后損傷恢復(fù)情況，雜質(zhì)原子在晶格中的泣置，單晶體的表面和外延層結(jié)構(gòu)、缺陷、成分、厚度。阻塞效

11、應(yīng)測量原子核壽命實驗原理：下圖是阻塞效應(yīng)示意圖。處在晶格位置的原子核發(fā)射帶正電荷粒子(例如粒子)，發(fā)射粒子方向與晶軸夾角為。在偏離晶軸方向發(fā)射的粒子，能被探測器記錄到；而在沿著晶軸方向發(fā)射的粒子，它受到鄰近晶格原子的散射，不能沿這方向出射，所以在方向記錄到的粒子數(shù)最少，這種現(xiàn)象就成為阻滯現(xiàn)象。技術(shù)原理：上圖是利用阻塞效應(yīng)測量復(fù)合核壽命的示意圖，入射粒子與晶體中原子核發(fā)生共振核反應(yīng)，形成的復(fù)合核將反沖離開晶格位置。其反沖速度可以根據(jù)核反應(yīng)運動學(xué)關(guān)系求得，典型的反沖速度cm/s。復(fù)合核衰變時發(fā)射正帶電荷的粒子，衰變遵循指數(shù)規(guī)律。若復(fù)臺核壽命很短，在復(fù)合核反沖離開晶軸的垂直距離不到0.01nm之前就

12、發(fā)生衰變，這時沿主晶軸方向測量衰變粒子，就觀察到阻塞效應(yīng)，阻塞dip曲線為，上角標(biāo)P表示“瞬發(fā)”。因為阻塞效應(yīng)對晶格原子的位移極為靈敏（），只要處于激發(fā)態(tài)的晶格原子核的反沖距離大于晶格原子熱振動幅度，阻塞dip曲線就會發(fā)生變化。所以當(dāng)復(fù)合核有一定壽命時，復(fù)合核反沖的垂直距離大于0.01nm后發(fā)生衰變時，沿這主晶軸方向所觀察到得阻塞坑就變淺，變窄，dip曲線為，角標(biāo)D表示“緩發(fā)”。 有關(guān)。因此，可以從阻塞坑的測量來確定核反沖距離，在射束與晶軸的夾角及已知的情況下，就可以求出核壽命。實驗裝置設(shè)計及主要實驗設(shè)備：實驗幾何設(shè)計：樣品要安放在定角器上，才可以調(diào)整角度。定角器的控制可用步進(jìn)馬達(dá)來控制。兩種

13、幾何安排方式： 同溝道效應(yīng)一樣，我們要測出阻塞效應(yīng)的dip曲線。所以我們所用的儀器和實驗一是一樣的，詳情請見實驗一。減小測量誤差：1、 阻塞坑的不僅與核壽命有關(guān)，而且與晶體性質(zhì)（如晶格熱振動、晶格缺陷、晶體表面狀態(tài)）有關(guān)。為了能從阻塞坑的測量中正確反映出只與壽命有關(guān)的信息，可在相同實驗條件下測量另一個阻塞坑（它與核壽命無關(guān)），比較這兩個阻塞坑的相對變化。這種測量方法實際上也提供了確定時間絕對標(biāo)度的零時間參考點。用一個沒有壽命效應(yīng)的阻塞坑作為核反沖飛行時間標(biāo)度的零點，那么從兩個阻塞坑的差異就能求得壽命的絕對值。更合適的辦法是同時測量與束流方向成不同夾角的兩個相同密勒指數(shù)晶軸的阻塞坑。2、 采用雙

14、定向?qū)嶒瀻缀?。國?nèi)外發(fā)展動態(tài)：1、阻塞效應(yīng)經(jīng)常用于復(fù)合核壽命和激發(fā)態(tài)能級壽命的測定。阻塞效應(yīng)是直接測量10-15秒到10-18秒范圍內(nèi)核壽命的唯一方法?？捎脕頇z驗其它核壽命間接測量方法的準(zhǔn)確性。 2、在晶體結(jié)構(gòu)學(xué)中的應(yīng)用，利用阻塞圖樣，可以定出晶體的晶向、研究晶體的結(jié)構(gòu)，例如仔細(xì)研究這種阻塞圖樣，可以顯示出密勒指數(shù)高至9的晶線。而且，實驗發(fā)現(xiàn)，阻塞效應(yīng)顯示的晶線強度，可以用X射線研究晶體結(jié)構(gòu)時所熟知的幾何結(jié)構(gòu)常熟來解釋。 3、在離子注入研究中的應(yīng)用。正電子壽命譜的測量湮沒機理：正電子進(jìn)入物質(zhì)在短時間內(nèi)迅速慢化到熱能區(qū),同周圍媒質(zhì)中的電子相遇而湮沒,全部質(zhì)量(對應(yīng)的能量為)轉(zhuǎn)變成電磁輻射湮沒光子

15、。實驗設(shè)備:塑料閃爍體和PET 正電子壽命譜儀作為時問譜儀要求它有優(yōu)良的時間分辨率，因此要求閃爍體的光輸出效率高并且發(fā)光時間短，光電倍增器光陰極上轉(zhuǎn)換的光電子多和光電子發(fā)射時間集中。于是在光電倍增器陽極可以得到幅度大和持續(xù)時間短的脈沖。塑料閃爍體有優(yōu)越的時間特性，對射線有一定的探測效率。恒比定時甄別器（CFD）用來克服PET輸出脈沖的噪聲所引起的時間誤差（晃動）和輸出脈沖的上升時間不一致及幅度不一致所引起的時間游動（時移）。時間-脈沖高度轉(zhuǎn)換器（TPHC）起始信號（來自1.28MeV）和終止信號（來自0.511MeV）分別經(jīng)過兩個恒比定時甄別器處理后，啟動時間-脈沖高度轉(zhuǎn)換器，對這兩個脈沖的時

16、間間隔進(jìn)行記錄。慢電路用于對TPHC輸出的脈沖檢測和鑒定，使其代表真正的核事件。本實驗中，譜儀中慢電路用來鑒定1.28MeV的射線和0.511MeV的射線。它的作用是去除1.28MeV的射線的自身散射符合或兩個0.511MeV射線符合的假事件?？?快符合電路一個信號經(jīng)過延遲箱送入時幅轉(zhuǎn)換器（TPHC）作為起始信號，另一個作為符合輸入信號送入快符合電路。符合電路將輸出一個很寬的門信號去啟動TPHC ,經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的脈沖再送到多道分析器，記錄正電子壽命譜?？煲豢旆舷到y(tǒng)的主要優(yōu)點是可以用較強的正電子源，因而測量時問縮短。實驗框圖：干擾問題及處理：1、正電子源制備時，總會有一部分正電子在源托中發(fā)生湮滅

17、，這無法避免，那么這會干擾正常的數(shù)據(jù)處理。所以我們必須盡量改進(jìn)源托的材質(zhì)，源托必須很薄而能插入所研究的樣品中間，要有足夠牢度和經(jīng)得住來自樣品或NaCl本身的腐蝕，源襯底的Ps形成幾率小。2、偶然符合的干擾也是無法避免的，當(dāng)然如果選擇合適的源，是可以有效減小這種干擾的。3、樣品中的微量雜質(zhì)也會引起正電子的湮沒，從而對實驗產(chǎn)生干擾。盡量要純化樣品。4、外界環(huán)境的干擾。調(diào)整外界環(huán)境至最佳狀態(tài)。5、樣品的熱處理或表面的氧化層也會形成干擾。所以要盡量使樣品純凈。應(yīng)用范圍及發(fā)展動態(tài)在固體物理中應(yīng)用廣泛，可用來研究晶體缺陷（空位、位錯和輻照損傷等），固體中的相變，金屬有序-無序相變等。在無損檢驗中可用來探測

18、機械部件（入輪機葉片、飛機起落裝置）的疲勞損傷。許多合金相變過程都能對正電子湮沒參數(shù)產(chǎn)生明顯的影響。因此，可以用PAT來確定合金相變的溫度。因為正電子湮沒的壽命和湮沒光子對的動量原則上與湮沒處的電子密度和電子動量有關(guān)，因此，比較相變前后湮沒參數(shù)，能得到不同相下材料微觀結(jié)構(gòu)特征的有關(guān)信息。用PAT研究過多種合金相變，例如有序無序轉(zhuǎn)變、共析相變、馬氏體相變、沉淀與時效現(xiàn)象等。湮沒輻射的角關(guān)聯(lián)測量原理：電子在湮沒前，正電子已充分熱化，其能量為0.01eV量級，動量近似看作零。這時若發(fā)生2湮沒，那么兩個0.511的Y光子是共線的，以相反方向發(fā)射。這個結(jié)論只是在正負(fù)電子湮沒對的總動量為零時才成立。盡管正電子經(jīng)熱化后動量可以近似看作零，由于材料中自由電子的動能往往為幾個eV，相應(yīng)