核反应分析 Nuclear Reaction Analysis ( NRA)

Lanzhou University 核反应分析Nuclear Reaction Analysis(NRA) 主讲：Zhang Xiaodong Department of Modern Physics in Lanzhou University

4.1.引言： 1.RBS分析轻基体中的重元素含量，简便易行。 2. PIXE分析中重元素，灵敏且精度较高，方便易行，用途广泛。 [注] 它们共同的缺点是：对轻元素分析失效，深度分辨差。 3. NRA分析轻元素特别有效，且深度分辨好，干扰小，但对重元素分析效果交差。若把以上的分析手段相结合，则可以做到全元素分析。在具体的应用时大家可根据实际情况采用相关的分析手段。

4.2.综述： 核反应作为一种分析手段，可分为三类： (i)带电粒子活化分析(CPAA-Charged Particle Activation Analysis)，即粒子束进用作产生特定的反射性原子核，通过探测放射性核的衰变，来给出材料组分的分析。 (ii)瞬发辐射分析(PRA)，用固定能量轰击靶时测量特征反应产物，来给出材料组分的分析。 (iii)共振反应分析(RRA-Resonance Reaction Analysis)，复合核共振截面能量位移和展宽可提供元素在物质中的深度分布信息。

4.3.核反应分析原理 用带电粒子引起的核反应来进行材料的分析工作，起始于上世纪五十年代后期，目前已发展成为一种较为成熟的材料分析手段。特别对于轻元素，不仅能给出元素含量，而且能给出元素的深度分布。入射粒子和靶和发生核反应的条件是两者的相对动能必须满足：

4.3.核反应分析原理 带电粒子引起的核反应的反应式可写为：反应前后总电荷值和能量守恒，反应规律遵从微观量子力学的运动规律，一般情况下发射粒子为γ光子、中子、质子和α粒子。

4.3.核反应分析原理 • . 核反应中的能量关系： Q方程阈能该方程可由能量守恒和动量守恒得出，详细推导请参见《原子核物理》教材P197和P200。

4.3.核反应分析原理 2. 核反应的产额：定义：入射粒子在靶中引起的核反应数于入射粒子数之比。即一个入射粒子在靶中引起核反应的几率称为核反应的产额产额与截面的关系：截面大产额高。他们的不同之处在于，截面仅仅与反应本身有关，而与靶的状态无关，即靶核的多少，截面都相同。产额除了与截面有关外，还与靶核的多少及物理状态有关。在核反应分析方法中，为了能定量的测量，产额是一个很重要的量。

4.3.核反应分析原理 2. 核反应的产额：产额与能量的关系：受到两种条件的制约。 dEg a)加速器束流的品质有一定的能量分布g(E0, Ei)，代表具有能量在Ei到Ei+dEi之间的粒子数占总数的份额，也就是粒子具有能量为Ei的几率。 E0 b)粒子穿透一定的深度后会产生一定的能量歧离f(Ei, E, x)，表示能量为Ei的粒子在进入深度为x处时，由于能损，使其能量变为E到E+dE之间的几率。所以，深度x处，待测元素含量为C(x)的反应产额为： K是与待测核素有关的常数，上式称为反应产额公式。

4.3.核反应分析原理 3. 核反应截面： σR 反应截面与能量的关系(B-W公式）： Γ ER 详细推导请参见《原子核物理》教材P229-P232。

4.3.核反应分析原理 4. 深度分布：对于共振反应，在共振能量ER附近，改变入射能量E0。测量反应产额随E0的关系，可以给出深度分布的信息：如果 E0=ER 则只在表面处发生共振反应如果 E0>ER 则离子能量在靶物质中慢化到共振能量ER时，发生共振反应，因此，产额曲线的形状就反映出深度分布的信息

4.3.核反应分析原理 5. 含量的测定：含量测定方法可分为绝对测定和相对测定两种 • 绝对测量：利用产额公式，并求出或测量出入射粒子的总数、探测器的立体角、反应截面和探测效率等量。因此，绝对测量结果精度不高，而且计算繁琐（三重积分）。相对测量：利用已知元素含量和均匀分布的标样，如果待测样品的含量也是均匀分布的，则产额积分中的两项积分就可以省略，即：

4.3.核反应分析原理 5. 含量的测定：对于共振反应：S(E)=S(ER)=Const，即只在一小薄层内式中已对截面项进行了积分，截面公式采用前面的Breit-Wigner公式。相对测量方法，误差主要来源于样品的制备，其他的系统误差和测量误差都可以减小到最小。因此建议精确测量时采用相对法。

4.4 实验技术和设备 • 加速器是该试验的一个重要组成部分，对于他提供的束流有如下要求：束流强度：几个微安能量步长：≈100eV，特别对于窄共振峰能量离散：≤1keV 束斑大小：4mm2

4.4 实验技术和设备 2. 样品和靶室的安置该安置如测量带电粒子与背散射测量的情形相同（如上面左图）；如测量γ射线则应与PIXE分析相同（如上面右图）。

4.4 实验技术和设备 3. 谱线的获取装置（1）探测γ射线装置（参见PIXE讲稿的叙述）（2）探测带电粒子的装置（参见RBS讲稿的叙述） 4.获取的谱线实例（如图） X轴对应于靶的深度，Y轴对应于反应产额的强度，即出射的反应物质如γ射线和带电粒子的强度。

4.4 实验技术和设备 5. 试验用仪器（1）NIM插件（2）电子计算机（3）加速器

6. 减小干扰的方法： （1）靶室与探测器间的物质尽可能的减少（2）对应于强束流的入射要求有较好的靶冷却系统（3）采用无油真空系统减小C 污染（4）改进法拉第筒，提高束流测量的精度（5）采用高Z的靶衬底以减小干扰反应（6）克服绝缘靶衬底上的电荷积累 7. 常见的干扰反应 19F(P,αγ)16O 15N(P,αγ)12C 13C(α, n)16O 17O(α, n)20Ne 18O(α, n)21Ne 10B(α, P)13C 19F(α, P)22Ne 4.4 实验技术和设备

4.4 实验技术和设备 8. 实验中的技术问题：（1）带电粒子的探测：采用金硅面垒探测器（Surface Barrier DetectorAu-Si）,能量分辨对轻粒子较好，可达15-20keV，但该探测器怕光，应避光保存，避免光线直接照射。对于轻粒子，一般接受剂量为108个粒子，而对于中粒子则要更少，重离子的辐照损伤很厉害，使用时应特别注意。（2）粒子甄别：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。

4.5 NRA分析的应用实例 • 利用16O(d, p)17O反应，测量Si表面的O污染。集成电路中，处理硅片是很重要的，用不同的处理方法，制成的集成电路质量会有很大的差别，下面是对集中处理方法的分析：（1）HCl:H2O2:H2O=1:1:6，煮沸15分钟，去离子水清洗15分钟，2.5%的HF洗1.5分钟，去离子水洗20分钟。（2）NH4OH: H2O2:H2O=1:1:5，煮沸15分钟，去离子水清洗15分钟，2.5%的HF洗1.5分钟，去离子水洗20分钟。（3）H2SO4（浓），腐蚀15分钟，去离子水清洗20分钟。研究三种情况下，Si片上的氧含量：标样：Ta2O5 实验条件：2MeV的d束，束斑为2mm 流强为：200-1000μA 结果：第一种清洗方式氧的含量最低，同样生产出的集成电路质量最好。

4.5 NRA分析的应用实例 2. 利用27Al(p, γ)28Si反应，测量Si-Al层的厚度集成电路中采用Al作布线金属，先蒸发一层Al后再退火处理，声称硅铝合金，合金层的厚度即合金的含量对集成电路的性能影响很大，因而在实际应用中这一量的控制也很重要。测量时采用相对比较法：标样是99.999%的纯铝，制成薄膜。待测样品：硅上镀铝，退火后用化学方法腐蚀掉表面的纯铝层。采用能量为992keV的质子束，通过铝的共振峰测量铝的相对含量。

4.5 NRA分析的应用实例 3. 利用19F(p, αγ)16O反应测量非晶态硅中的氟含量和深度分布（1）意义：硅太阳能电池发展经历了三个阶段：硅片滇池、硅带电池和非晶硅（α-Si）电池。前两种成本高，工艺复杂，难于广泛应用，而非晶硅造价很低，极有推广前景，过得到广泛的应用。（2）简介：α-Si:H 电池目前的光转换效率为5%，根据理论估计，他的效率可达23%，是世界瞩目的研究方向。但α-Si中的H在3500时就溢出，因此影响着该领域的发展。1978年，研制成了α-Si:F合金，该合金在6000退火，无显著的变化，性能也无显著的变化，因此分析不同退火条件下的α-Si:F中的F含量及其深度分布很有意义。（3）测量：通过标样法（CaF2），得出带测样品的相对含量，从而可进行进一步的分析。

核反应分析 Nuclear Reaction Analysis ( NRA)