(12)-帶電粒子活化分析

1核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用

核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用第三章帶電粒子活化分析2主要內(nèi)容概述第一節(jié)帶電粒子活化分析原理第二節(jié)帶電粒子活化分析技術(shù)第三節(jié)帶電粒子活化分析技術(shù)的應(yīng)用第四節(jié)重離子和光子活化分析核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用3概述核活化分析除中子活化分析外，還有帶電粒子活化分析和光子活化分析。這些活化分析技術(shù)的輻照條件各不相同，但測量方法大體相同；分析元素的范圍和靈敏度，以及分析的樣品厚度也有差異。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用4概述自1938年首次用氘束轟擊樣品用于分析目的以來，帶電粒子活化分析技術(shù)有了較大的發(fā)展，從p、d、α、3He等重帶電粒子活化發(fā)展到重離子活化。應(yīng)用不斷推廣，已成為樣品表面層輕元素分析的重要工具。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用5第一節(jié)帶電粒子活化分析原理帶電粒子的種類是很多的，最常見的是電子、β射線、質(zhì)子、α粒子等。重帶電粒子：凡靜止質(zhì)量大于電子的帶電粒子。如α粒子、μ介子、π介子、質(zhì)子、被加速的原子核。β射線和電子本質(zhì)上是相同的，通常所說的電子是指核外電子；而β射線，則是指由原子核發(fā)射出來的高速電子。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用6第一節(jié)帶電粒子活化分析原理帶電粒子活化分析（CPAA）：

ChargeParticleActivationAnalysis

具有一定能量的帶電粒子與原子核發(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。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用7第一節(jié)帶電粒子活化分析原理帶電粒子引起的核反應(yīng)的反應(yīng)式可寫為：

核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用反應(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。8第一節(jié)帶電粒子活化分析原理主要包括三個步驟：1）輻照2）冷卻3）測量在冷卻階段可進行必要的放射性化學(xué)分離和樣品表面沾污層腐蝕處理工作。由測得的放射性活度按一定的標(biāo)準(zhǔn)化方法計算出元素濃度。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用9第一節(jié)帶電粒子活化分析原理一、計算公式

帶電粒子輻照樣品時，放射性核素活度的增長與一定能量下的反應(yīng)截面、束流強度和輻照時間有關(guān)。

由于帶電粒子在靶物質(zhì)中運動時經(jīng)受能量損失，在靶不同深度處粒子能量不同，因而反應(yīng)截面不同，反應(yīng)產(chǎn)額隨之而改變——計算公式要區(qū)分薄樣品和厚樣品兩種情況。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用10第一節(jié)帶電粒子活化分析原理一、計算公式

薄樣品分析設(shè)樣品厚度為Δx，若能量為E0的帶電粒子穿透Δx時能量損失ΔE很小，稱這種樣品為薄樣品。在薄樣品中反應(yīng)截面σ?guī)缀醪蛔?，可用能量E0和E0-ΔE間隔內(nèi)的平均截面作為活化截面。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用σ(E)——反應(yīng)總截面，是粒子能量的函數(shù)11第一節(jié)帶電粒子活化分析原理薄樣品分析根據(jù)放射性核數(shù)目增長規(guī)律，帶電粒子活化分析時輻照了t0時間后的放射性核數(shù)為：核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用薄樣情況下討論：1）如加速器出來的粒子束在輻照時間內(nèi)保持不變，即I(t)為常數(shù)I，則P(t)也為常數(shù)P，此時：λ——衰變常數(shù)；P(t)——放射性核產(chǎn)生率I(t)——轟擊粒子束強度c——樣品中單位體積內(nèi)的原子數(shù)12第一節(jié)帶電粒子活化分析原理薄樣品分析輻照了t0時間后的放射性核數(shù)為：核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用當(dāng)λt0很大時13第一節(jié)帶電粒子活化分析原理薄樣品分析根據(jù)放射性核數(shù)目增長規(guī)律，帶電粒子活化分析時輻照了t0時間后的放射性核數(shù)為：核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用薄樣情況下討論：2）如I(t)不是常數(shù)I，此時：λ——衰變常數(shù)；P(t)——放射性核產(chǎn)生率I(t)——轟擊粒子束強度c——樣品中單位體積內(nèi)的原子數(shù)14第一節(jié)帶電粒子活化分析原理薄樣品分析輻照了t0時間后的放射性核數(shù)為：核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用當(dāng)λt0很小時Q——轟擊粒子總數(shù)，可由束流積分儀讀數(shù)給出15第一節(jié)帶電粒子活化分析原理厚樣品分析當(dāng)樣品的厚度較厚,帶電粒子穿透厚樣品時的能量損失較大,必須考慮反應(yīng)截面隨能量的變化。放射性核產(chǎn)生率為：

核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用D*與粒子射程R的關(guān)系式中積分上限D(zhuǎn)*是帶電粒子活化的有效路徑，當(dāng)路徑超過D*時，不發(fā)生核反應(yīng)Eth帶電粒子核反應(yīng)閾能16第一節(jié)帶電粒子活化分析原理厚樣品分析輻照了t0時間后的放射性核數(shù)為：

核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用代入積分截面數(shù)值積分17第一節(jié)帶電粒子活化分析原理厚樣品分析輻照了t0時間后的放射性核數(shù)為：

核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用根據(jù)輻照時間長短，積分可作近似處理1）t0≤T1/2/10，輻照時的放射性衰變可忽略2）t0＞10T1/2，放射性達到飽和，此時I(t)為常數(shù)18第一節(jié)帶電粒子活化分析原理厚樣品分析輻照結(jié)束時，樣品中的放射性活度為：

核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用冷卻到t時刻的活度為：測量階段t時刻的射線強度為：(1)19第一節(jié)帶電粒子活化分析原理厚樣品分析測量t2-t1時間內(nèi)的射線總計數(shù)：

核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用由（1）、（2）可求得厚樣品中的元素含量(2)很重要的一個參數(shù)——積分截面值20第一節(jié)帶電粒子活化分析原理二、帶電粒子核反應(yīng)截面和能量損失計算帶電粒子活化產(chǎn)額時，要詳細(xì)知道帶電粒子活化截面和帶電粒子在靶材料中的阻止本領(lǐng)數(shù)據(jù)。反應(yīng)截面帶電粒子某一反應(yīng)道的截面大小與入射粒子和靶核種類有關(guān)，也與入射粒子的能量有關(guān)。反應(yīng)道：對于一定的入射粒子和靶核，能發(fā)生的核反應(yīng)過程往往不止一種，對應(yīng)于每一種核反應(yīng)過程,稱為一個反應(yīng)道。

核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用21反應(yīng)截面帶電粒子核反應(yīng)截面隨能量變化的一般趨勢：

核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用Eth時，截面為0或很小，隨E的增加截面增大。到達某一E時，σa可能達到最大值，然后開始下降。吸能反應(yīng)，Eth為反應(yīng)閾能；放能反應(yīng)，只有當(dāng)入射粒子能量大于庫侖勢壘時才引起核反應(yīng)，Eth用入射粒子和靶核之間的庫侖勢壘代替。第一節(jié)帶電粒子活化分析原理22反應(yīng)截面放能反應(yīng)時，發(fā)生核反應(yīng)所需入射粒子能量的計算？

核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用核反應(yīng)條件：入射粒子能量>庫侖勢壘R=1.5×10-13A1/3cm核半徑Z1、Z2入射粒子和靶核的原子序數(shù)(核電荷數(shù))。A1、A2質(zhì)量數(shù)滿足反應(yīng)時的動量守恒要求，在實驗室坐標(biāo)系中入射粒子最低能量應(yīng)等于庫侖勢壘乘上一個因子。M1、M2入射粒子和靶核的質(zhì)量第一節(jié)帶電粒子活化分析原理23反應(yīng)截面例題：3He束能量應(yīng)為多少才能與16O發(fā)生反應(yīng)？

核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用乘上一個因子:第一節(jié)帶電粒子活化分析原理24阻止本領(lǐng)和射程

阻止本領(lǐng)：帶電粒子進入靶物質(zhì)后，與靶原子的電子和靶原子核碰撞而損失能量。射程：帶電粒子在與物質(zhì)相互作用的過程中，逐漸耗盡其動能，最后阻留在物質(zhì)中被物質(zhì)吸收。帶電粒子在某種物質(zhì)中沿著入射方向從進入到最后被物質(zhì)吸收所經(jīng)過的最大直線距離，稱為帶電粒子在該物質(zhì)中的射程。射程的大小與粒子的種類、初始能量及吸收物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用第一節(jié)帶電粒子活化分析原理25阻止本領(lǐng)和射程

核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用在帶電粒子活化分析中，粒子能量較高，只考慮高能區(qū)電子阻止本領(lǐng)。第一節(jié)帶電粒子活化分析原理26阻止本領(lǐng)和射程阻止本領(lǐng)與阻止截面的關(guān)系：

核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用阻止本領(lǐng)單位：單位長度的能量損失阻止截面單位：10-15eV.cm2/原子N：單位體積中原子的密度

化合物AmBn的阻止本領(lǐng):

第一節(jié)帶電粒子活化分析原理27阻止本領(lǐng)和射程能量為E0的帶電粒子在靶物質(zhì)中的射程：

核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用阻止本領(lǐng)，單位長度的能量損失

倒數(shù)表示每單位能量損失的平均路徑長度第一節(jié)帶電粒子活化分析原理28第一節(jié)帶電粒子活化分析原理三、積分截面計算和標(biāo)準(zhǔn)化方法測量元素含量方法：相對測量法和絕對測量法絕對測量法積分截面、探測器總絕對效率、輻照劑量、輻照及冷卻時間

核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用29第一節(jié)帶電粒子活化分析原理絕對測量法積分截面包含反應(yīng)截面和阻止本領(lǐng)因子，與有關(guān)的核反應(yīng)特性有關(guān)、靶材料性質(zhì)積分截面計算方法：數(shù)值計算法、平均截面法1）數(shù)值計算法將已知的核反應(yīng)截面隨能量的變化曲線和入射粒子在樣品中的阻止本領(lǐng)隨能量的變化曲線，按能量劃分為許多小區(qū)間，把積分號化成累加號。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用30第一節(jié)帶電粒子活化分析原理2）平均截面法核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用定義平均截面：高能區(qū)阻止本領(lǐng)公式：E’使其成立31第一節(jié)帶電粒子活化分析原理2）平均截面法核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用定義平均截面：Eth<E’時，第一個積分項相對于第二個積分項較小，可忽略；Eth>E’時，第一個積分項是不必要的。于是：對一定靶物質(zhì)，I0是常數(shù)，ln項隨能量的變化緩慢，近似看作常數(shù)。32第一節(jié)帶電粒子活化分析原理2）平均截面法核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用平均截面：積分截面：確定的核反應(yīng)和靶材料，可按（3）計算平均截面。由該值可求得在相同能量下，同一核反應(yīng)在其它靶材料中的：（3）D*——帶點粒子在其它靶材料中的活化有效路徑33第一節(jié)帶電粒子活化分析原理相對測量法將已知元素含量的標(biāo)準(zhǔn)樣品與待測樣品在相同的粒子能量下輻照，并在相同的測量條件下測量它們的放射性活度，然后比較測量結(jié)果，得到待測樣品中的元素濃度。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用根據(jù)基本公式：34第一節(jié)帶電粒子活化分析原理相對測量法核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用35第二節(jié)分析技術(shù)帶電粒子活化分析技術(shù)包括：輻照粒子及輻照源的選擇、樣品處理、干擾因素的考慮、放射性測量和數(shù)據(jù)處理等實驗方法和技術(shù)。一、常用核反應(yīng)P、d、t、3He、4He等粒子是最常用的轟擊粒子，入射粒子能量較低時就能引起核反應(yīng)，尤其是d、3He的結(jié)合能都比較低。d與

發(fā)生

，產(chǎn)生的中子發(fā)生與

的剩余核相同。3He不存在這樣的問題。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用36第二節(jié)分析技術(shù)二、分析設(shè)備設(shè)備：輻照設(shè)備、樣品表面處理設(shè)備、放射性測量設(shè)備。輻照設(shè)備入射粒子能量大多在幾到十幾MeV量級,故在小型靜電加速器、串列靜電加速器、回旋加速器上可進行帶電粒子活化分析。靜電加速器、串列靜電加速器的能量連續(xù)可調(diào)，使用方便；回旋加速器能量較高，束流強度較大。有些回旋加速器能量雖然可以調(diào)節(jié)，但改變一個能量點所需時間較長。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用37第二節(jié)分析技術(shù)二、分析設(shè)備輻照設(shè)備為防止帶電粒子轟擊樣品引起發(fā)熱，在樣品安裝架上應(yīng)有水冷卻設(shè)備。入射粒子在厚樣品上的發(fā)熱量（功率）估算式為：樣品可用氣動裝置傳送到輻照點，然后傳送到測量室。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用I——束流強度；q——粒子電荷態(tài)38第二節(jié)分析技術(shù)二、分析設(shè)備樣品制備和表面腐蝕處理帶電粒子活化分析用的樣品均為固體樣品，例：金屬、半導(dǎo)體材料等，大小為直徑10~15mm、厚2~5mm的薄片。樣品表面要求平整、清潔,標(biāo)準(zhǔn)樣品要求性能和含量穩(wěn)定。在樣品預(yù)處理過程中，樣品表面可能被化學(xué)試劑沾污；輻照過程也可能有沾污。表面沾污元素經(jīng)輻照后可形成放射性核素，且由于轟擊時的核反沖和熱擴散效應(yīng)，表面沾污產(chǎn)生的核素會擴散到樣品表面層內(nèi)。影響表面層內(nèi)的雜質(zhì)元素濃度測定。消除表面沾污，輻照后樣品進行化學(xué)腐蝕處理，腐蝕掉一定厚度之后再進行放射性測量。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用39第二節(jié)分析技術(shù)二、分析設(shè)備放射性測量系統(tǒng)由于帶電粒子活化分析中輻射生成的放射性核素大多是β+衰變核，故可測量正電子湮沒輻射光子強度來確定元素含量，并配合半衰期測量才能鑒別元素。通常采用NaI(Tl)探測器相對放置，周圍用鉛屏蔽，并采用符合相加計數(shù)方法以減少本底計數(shù)。對于放射性核素電子俘獲過程后處于激發(fā)態(tài)的子核發(fā)射的γ射線，用Ge(Li)譜儀選定某一特征γ射線進行計數(shù)。多道脈沖分析器作多定標(biāo)運行方式，用時鐘發(fā)生器的脈沖推進道址，這樣可直接測得放射性核素的衰變曲線。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用40第二節(jié)分析技術(shù)三、干擾反應(yīng)主要存在初級干擾反應(yīng)。由于入射帶電粒子的種類和能量的選擇自由度較大，帶電粒子活化分析中的干擾問題比較容易消除。相同放射性核素的干擾樣品中不同的元素經(jīng)帶電粒子輻照生成了相同的放射性核素。例：B元素分析核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用閾能2.8MeV閾能4MeV入射粒子能量降到4MeV以下三元素生成同一放射性核素，需改變轟擊粒子種類及轟擊能量來消除干擾。41第二節(jié)分析技術(shù)三、干擾反應(yīng)不同的β+衰變核素的干擾不同元素經(jīng)輻照后也可能生成不同的放射性核素，但這些核素發(fā)射γ射線能量相同。例：18O元素分析核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用18F、13N都是β+衰變核素，對γ譜上0.511MeV峰計數(shù)都有貢獻，因而造成干擾。因13N的半衰期較短（10min），所以可以通過增加輻照后的冷卻時間來消除干擾。42第三節(jié)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侖勢壘低，粒子能量較低時可做分析工作。入射帶電粒子與Pb、Nb等較重元素間的庫侖勢壘雖較高，但由于分析這些重元素的其它分析方法靈敏度低，也可用帶電粒子活化分析法。分析樣品材料包括：Si、Ge、GaAs半導(dǎo)體材料和各種金屬及合金材料。要分析的元素有B、C、N、O、P、S等只能確定薄層中這些輕元素總量，不能給出深度分布。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用43第三節(jié)應(yīng)用一、半導(dǎo)體材料中的輕元素分析氧元素分析例：Si和GaAs中O含量對器件的質(zhì)量影響很大。通常這種材料中的O原子濃度為~1016原子/cm3，可用來分析的反應(yīng)：碳元素分析例：分析Si中的C元素：硼元素分析例：超純硅材料中要求B元素含量<1ppb。采用中子活化分析法分析B元素有一定困難，而用帶電粒子活化分析法非常有效。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用44第三節(jié)應(yīng)用一、半導(dǎo)體材料中的輕元素分析硅中的氮、碳、氧元素分析帶電粒子活化可做多元素分析。例：Si樣品中的N、C、O同時分析。二、金屬材料中的元素分析鉭中的鈮元素分析鉭中的氮分析核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用45第四節(jié)重離子和光子活化分析利用重離子和光子與原子核發(fā)生的反應(yīng)和放射性活度測量，也可進行元素成分和含量的分析，稱為重離子活化分析（HIAA）和γ光子活化分析（GPAA）。重離子活化分析和光子活化分析是中子活化分析和帶電粒子活化分析技術(shù)的補充和發(fā)展，有些用NAA或CPAA方法分析靈敏度低，甚至完全不能分析的元素，可以用重離子和γ光子活化分析法分析。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用46第四節(jié)重離子和光子活化分析一、重離子活化分析技術(shù)與質(zhì)子、氘、α粒子一樣，當(dāng)重離子（Z>2）的能量大于它與靶原子核之間的庫侖勢壘時，入射重離子能與靶核發(fā)生核反應(yīng)。特點：1）庫侖勢壘較高，重離子活化分析需在大的回旋加速器或串列加速器上進行。2）重離子與原子核反應(yīng)的反應(yīng)道多，易于選擇合適的離子和能量進行元素鑒別，提高分析靈敏度。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用47第四節(jié)重離子和光子活化分析一、重離子活化分析技術(shù)特點：3）通常用Li、Be、C、O等一些重離子輻照樣品，分析重元素基體中的H、B、C等輕元素雜質(zhì)。重離子與樣品中的重元素基體原子間的庫侖勢壘更大，不會產(chǎn)生干擾反應(yīng)。4）重離子在樣品中的dE/dx大，故可較靈敏地測定很薄的樣品表面層內(nèi)的輕元素雜質(zhì)。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用48第四節(jié)重離子和光子活化分析一、重離子活化分析技術(shù)氫和氘的分析材料中的H和D的濃度分析，歷來受到人們的重視，但中子活化分析和通常的帶電粒子（p、d、α）活化分析法都不能用來分析樣品中的微量的H和D。可利用7Li、10B、16O、19F等離子與H和D核反應(yīng)生成的放射性核素活度測量來確定H和D的含量。采用重離子活化分析H及其同位素，具有干擾反應(yīng)少、表面沾污少等優(yōu)點核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用49第四節(jié)重離子和光子活化分析一、重離子活化分析技術(shù)碳元素分析中子活化分析對C元素不靈敏。氘束帶電粒子活化分析雖能分析C元素，但基體元素的干擾較大。用

分析C元素，靈敏度可提高。硼和硫元素分析用18O離子與B和S元素的反應(yīng)可分析這兩種元素的含量。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用50第四節(jié)重離子和光子活化分析二、光子活化分析技術(shù)高能電子感應(yīng)加速器或電子直線加速器的電子束，打在高Z元素靶上產(chǎn)生的軔致輻射強度大、能量高。利用高能γ光子與原子核的(γ,n)、(γ,p)等光核反應(yīng)及(γ,γ’)非彈性散射過程，可以做活化分析。特點：1）高能γ光子活化分析主要用于B、C、N、O、F等輕元素分析，也可用于Ca、Mg、Ti、Ni等元素分析。2）用熱中子活化分析Fe、Ti、Zr、Tl、Pb元素是不靈敏的，而用光子活化分析相當(dāng)靈敏。核分析基礎(chǔ)及應(yīng)用51第四節(jié)重離子和光子活化分析二、光子活化分析技術(shù)特點：3）用熱中子分析生物樣品時，樣品中Na元素的活化截面很大，影響分析；而用光子活化時，可避免這個問題。4）快中子活化分析樣品中O元素時，由于放射性核素的半衰期只有7s，不可能進行樣品表面腐蝕處理消除表面吸附的O原子的貢獻；而光子活化分析O元素時，放射性核