Анализ ядерных реакций (NRA) - это ядерный метод ядерной спектроскопии в материаловедении, позволяющий получить распределение концентрации по глубине для определенных целевых химических элементов в твердой тонкой пленке. [1]
Механизм NRA
При облучении выбранными ядрами- снарядами при кинетической энергии E kin целевые твердые тонкопленочные химические элементы могут подвергаться ядерной реакции в условиях резонанса с четко определенной резонансной энергией. Продуктом реакции обычно является ядро в возбужденном состоянии, которое немедленно распадается, испуская ионизирующее излучение .
Для получения информации о глубине необходимо знать начальную кинетическую энергию ядра снаряда (которая должна превышать резонансную энергию) и его тормозную способность (потери энергии на пройденное расстояние) в образце. Чтобы внести свой вклад в ядерную реакцию, ядра-снаряды должны замедлиться в образце, чтобы достичь резонансной энергии. Таким образом, каждая начальная кинетическая энергия соответствует глубине образца, на которой происходит реакция (чем выше энергия, тем глубже реакция).
NRA-профилирование водорода
Например, обычно используемая реакция для профилирования водорода с помощью пучка энергичных ионов 15 Н представляет собой
с резким резонансом в сечении реакции при 6,385 МэВ всего 1,8 кэВ. [3] Поскольку падающий ион 15 N теряет энергию вдоль своей траектории в материале, он должен иметь энергию выше, чем энергия резонанса, чтобы вызвать ядерную реакцию с ядрами водорода глубже в мишени.
Эта реакция обычно обозначается как 1 H ( 15 N, αγ) 12 C. [4] Она неэластична, потому что значение Q не равно нулю (в данном случае это 4,965 МэВ). Rutherford обратного рассеяние (RBS) реакции являются упругими (Q = 0), а взаимодействие (рассеяние) поперечного сечение σ задается известной формулой , выведенной Лорд Резерфорд в 1911 году Но не -Rutherford поперечных сечений (так называемый EBS , эластичный спектрометрия обратного рассеяния ) также может быть резонансным: например, реакция 16 O (α, α) 16 O имеет сильный и очень полезный резонанс при 3038,1 ± 1,3 кэВ. [5]
В реакции 1 H ( 15 N, αγ) 12 C (или, действительно, обратной реакции 15 N (p, αγ) 12 C ) излучаемый энергичный γ-луч является характеристикой реакции, и число, которое обнаруживается при любой падающей энергии пропорциональна концентрации водорода на соответствующей глубине в образце. Из-за узкого пика в сечении реакции в первую очередь ионы резонансной энергии подвергаются ядерной реакции. Таким образом, информацию о распределении водорода можно получить, изменяя энергию падающего луча 15 Н.
Водород - это элемент, недоступный для спектрометрии резерфордовского обратного рассеяния, поскольку ничто не может рассеиваться обратно от H (поскольку все атомы тяжелее водорода!). Но это часто анализируется с помощью обнаружения упругой отдачи .
Нерезонансный NRA
NRA также можно использовать нерезонансно (конечно, RBS нерезонансный). Например, дейтерий можно легко профилировать с помощью пучка 3 He без изменения падающей энергии с помощью
- 3 He + D = α + p + 18,353 МэВ
реакция, обычно пишется 2 H ( 3 He, p) α. Энергия детектируемого быстрого протона зависит от глубины атома дейтерия в образце. [6]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Брандл, К. Ричард; Evans, Jr., Charles A .; Уилсон, Шон (1992). Энциклопедия характеристик материалов: поверхности, интерфейсы, тонкие пленки . п. 680–694.
- ^ Айзенберг-Селове, Ф. (01.01.1990). «Уровни энергии легких ядер A = 11-12». Ядерная физика . 506 (1): 1–158. Bibcode : 1990NuPhA.506 .... 1A . DOI : 10.1016 / 0375-9474 (90) 90271-M . ISSN 0375-9474 .
- ^ Уайльд, Маркус; Фукутани, Кацуюки (01.12.2014). «Обнаружение водорода вблизи поверхностей и неглубоких границ раздела с анализом резонансных ядерных реакций» . Отчеты по науке о поверхности . 69 (4): 196–295. Bibcode : 2014SurSR..69..196W . DOI : 10.1016 / j.surfrep.2014.08.002 . ISSN 0167-5729 .
- ^ https://www.tandemlab.uu.se/infrastructure/Accelerators/pelletron/t1/
- ^ Colaux, JL; Terwagne, G .; Джейнес, К. (2015). «О предельно точной калибровке напряжения электростатических ускорителей» (PDF) . Ядерные приборы и методы В . 349 : 173–183. Bibcode : 2015NIMPB.349..173C . DOI : 10.1016 / j.nimb.2015.02.048 .
- ^ Пейн, РС; Clough, AS; Murphy, P .; Миллс, П.Дж. (1989). «Использование реакции d (3He, p) 4He для изучения диффузии полимера в расплавах полимеров». Ядерные приборы и методы В . 42 (1): 130–134. Bibcode : 1989NIMPB..42..130P . DOI : 10.1016 / 0168-583X (89) 90018-9 .
Внешние ссылки
- Подробности многих известных реакций размещены в МАГАТЭ по адресу http://www-nds.iaea.org/ibandl/ .
- Энергия, выделяемая в ядерных реакциях («значение Q»), может быть легко вычислена (из E = mc 2 ): см. Http://nucleardata.nuclear.lu.se/database/masses/ .
- НОР в микроаналитическом центре JSI в Любляне, Словения