帶電粒子活化分析

帶電粒子活化分析第1頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月何謂帶電粒子活化分析

具有一定能量的帶電粒子與物質(zhì)中的原子核發(fā)生核反應(yīng)時，如果反應(yīng)的剩余核是放射性核素，則測量這放射性核素的半衰期和活度，就可以確定樣品中被分析元素的種類和含量。這種元素分析方法稱為帶電粒子活化分析（記為CPAA）。

CPAA起始于上世紀(jì)五十年代后期，目前已發(fā)展成為一種較為成熟的材料分析手段。第2頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月基本原理---入射粒子和靶發(fā)生核反應(yīng)的條件入射粒子和靶和發(fā)生核反應(yīng)的條件是兩者的相對動能必須滿足：第3頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月

帶電粒子引起的核反應(yīng)的反應(yīng)式可寫為：

反應(yīng)前后總電荷值和能量守恒，反應(yīng)規(guī)律遵從微觀量子力學(xué)的運(yùn)動規(guī)律，一般情況下發(fā)射粒子為γ光子、中子、質(zhì)子和α粒子?；驹?--帶電粒子引起的核反應(yīng)表達(dá)式第4頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月

Q方程閾能該方程可由能量守恒和動量守恒得出，詳細(xì)推導(dǎo)請參見《原子核物理》。基本原理---核反應(yīng)中的能量關(guān)系第5頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月定義：單位時間入射粒子在靶中引起的核反應(yīng)數(shù)，用P(t)表示。產(chǎn)生率的一般表達(dá)式：基本原理－核反應(yīng)的產(chǎn)生率a)加速器束流的品質(zhì)有一定的能量分布g(E0,Ei)，代表具有能量在Ei到Ei+dEi之間的粒子數(shù)占總數(shù)的份額，也就是粒子具有能量為Ei的幾率。b)粒子穿透一定的深度后會產(chǎn)生一定的能量歧離f(Ei,E,x)，表示能量為Ei的粒子在進(jìn)入深度為x處時，由于能損，使其能量變?yōu)镋到E+dE之間的幾率。所以，深度x處，待測元素含量為C(x)的反應(yīng)產(chǎn)生率為：第6頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月D[cm]A[cm2]C[atoms/cm3]I[s-1]束流強(qiáng)度S-1單位體積內(nèi)的原子數(shù)cm-3截面cm-2樣品厚度cm第7頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月D*E0EthE=0R(Eth)R(E0)

D*:活化有效路徑

D*=R(E0)-R(Eth)Eth:帶電粒子核反應(yīng)閾能R(Eth),R(E0):能量分別為Eth

和E0時的射程2）厚樣品1）薄樣品σ可視為常數(shù)，則反應(yīng)產(chǎn)生率為：第8頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月入射粒子能量單一，待測元素均勻分布即C(x)為常數(shù)，能量歧離現(xiàn)象忽略，則反應(yīng)產(chǎn)生率為：

理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對不同的靶材料Z2=4~57,平均截面變化僅為3%，可認(rèn)為與靶材料性質(zhì)無關(guān)。第9頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月束流強(qiáng)度恒定，即放射性核的產(chǎn)生率不變，則與中子活化分析原理類似有：基本原理公式第10頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月輻照ti時刻，樣品中的放射性核數(shù)目帶電粒子活化分析原理---輻照樣品的放射性核數(shù)目輻照結(jié)束時—t0時刻—樣品中的放射性活度：冷卻到t1時刻的活度探測器測量到的總計(jì)數(shù)：第11頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月帶電粒子活化分析的測量方法

含量測定方法可分為絕對測定和相對測定兩種：絕對測量：

利用上述公式，并求出或測量出入射粒子的總數(shù)（即束流強(qiáng)度）、探測器的立體角、反應(yīng)截面和探測效率等量。因此，絕對測量結(jié)果精度不高，而且計(jì)算繁瑣。第12頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月相對測量：

已知元素含量的標(biāo)準(zhǔn)樣品與待測樣品在相同的粒子能量下輻照，相同的測量條件下測量積分截面簡化為活化有效路徑之比。第13頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月

N:單位體積內(nèi)的靶原子數(shù)；I0:平均電離能；Z1,Z2:入射粒子和靶核電離能；m0:電子質(zhì)量；：相對論修正項(xiàng)；活化有效路徑的計(jì)算：殼修正：C/Z2第14頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月常用的帶電粒子

proton,deuteron,tritium,3He,4He常用的帶電粒子活化核反應(yīng)

(d,n)AX(n,gamma)A+1XX(d,p)A+1X

放射性核素多為beta+衰變。設(shè)備加速器：靜電，串列，回旋冷卻系統(tǒng)樣品制備與表面腐蝕處理，固樣，直徑約15mm,厚度約5mm帶電粒子活化分析技術(shù)第15頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月放射性測量系統(tǒng)

NaI（Tl）探測器；定量：峰面積；定性鑒別元素：半衰期，CLSQ軟件氮?dú)獍惺乙旱?6頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月帶電粒子活化分析技術(shù)中的干擾問題不同元素經(jīng)照射后生成相同放射性核素的干擾例：11B(p,n)11C分析B閾能：2.8MeV14N(p,α)11C閾能：4.0MeV根據(jù)閾能，改變?nèi)肷淞Ｗ幽芰咳肷淞Ｗ?p)的能量(E0)小于4.0MeV即可第17頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月50100150103104105計(jì)數(shù)率min-1tmin18FHybrid（混合物）13N不同元素經(jīng)照射后生成相同放射性核素,但發(fā)射的γ射線能量相同(β+衰變核素)的干擾

例:18O(p,n)18F分析濃縮18O16O(p,α)13N和13C(p,n)13N

18F和13N都是β+衰變核素,對0.511Mevγ峰都有貢獻(xiàn),但是T1/2(18F)=110minT1/2(13N)=10min根據(jù)半衰期，增加輻照后的冷照時間t第18頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月帶電粒子活化分析技術(shù)的應(yīng)用

帶電粒子活化分析技術(shù)主要應(yīng)用于樣品表面層的痕量輕元素分析以及某些重元素分析。入射帶電粒子與輕元素之間的庫倫勢壘低；入射帶電粒子與重元素之間的庫倫勢壘雖然較高，但對有些重元素（如PbNb），其它分析方法靈敏度低。雖然帶電粒子活化做常規(guī)分析不是十分方便，但可用來標(biāo)定其它分析方法的測量結(jié)果。第19頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月分析的主要基體材料Si,Ge,GaAs分析的主要元素：

---Boron;Zr合金中要求極低的硼含量11B(p,n)11C或10B(d,n)11C回旋；6.7MeV;52Cr(p,n)52mMnfluxmonitor;塑料閃爍體探測1