stringtranslate.com

Анализ ядерных реакций

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 НРА

При облучении выбранными ядрами- снарядами с кинетической энергией E kin целевые твердые тонкопленочные химические элементы могут подвергаться ядерной реакции в условиях резонанса для четко определенной резонансной энергии. 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 (потерю энергии на пройденное расстояние) в образце. Чтобы способствовать ядерной реакции, ядра-снаряды должны замедлиться в образце, чтобы достичь резонансной энергии. Таким образом, каждая начальная кинетическая энергия соответствует глубине в образце, где происходит реакция (чем выше энергия, тем глубже реакция).

Профилирование водорода NRA

Например, обычно используемая реакция для профилирования водорода с помощью энергетического ионного пучка 15 Н:

15 N + 1 H → 12 C + α + γ (4,43 МэВ) [2]

с острым резонансом в сечении реакции при 6,385 МэВ, составляющим всего 1,8 кэВ. [3] Поскольку падающий ион 15N теряет энергию вдоль своей траектории в материале, он должен иметь энергию выше энергии резонанса, чтобы вызвать ядерную реакцию с ядрами водорода глубже в мишени.

Эту реакцию обычно записывают как 1 H( 15 N,αγ) 12 C. [4] Она неупругая , поскольку значение Q не равно нулю (в данном случае оно равно 4,965 МэВ). Реакции резерфордовского обратного рассеяния (RBS) являются упругими (Q = 0), а сечение взаимодействия (рассеяния) σ задается знаменитой формулой, выведенной лордом Резерфордом в 1911 году. Но нерезерфордовские сечения (так называемые EBS , спектрометрия упругого обратного рассеяния ) также могут быть резонансными: 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, на самом деле, обратной реакции 15 N(p,αγ) 12 C ) энергетически испускаемый γ-луч характерен для реакции, и число, которое обнаруживается при любой падающей энергии, пропорционально 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 напрямую, изменяя энергию падающего пучка 15 N.

Водород является элементом, недоступным для спектрометрии обратного рассеяния Резерфорда, поскольку ничто не может рассеиваться обратно от H (так как все атомы тяжелее водорода!). Но его часто анализируют с помощью обнаружения упругой отдачи .

Нерезонансный NRA

NRA также может использоваться нерезонансно (конечно, RBS нерезонансен). Например, дейтерий можно легко профилировать с помощью пучка 3He без изменения падающей энергии, используя

3 He + D = α + p + 18,353 МэВ

реакция, обычно записываемая как 2 H( 3 He,p)α. Энергия быстрого протона, обнаруженного, зависит от глубины атома дейтерия в образце. [6]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Брандл, К. Ричард; Эванс, младший, Чарльз А.; Уилсон, Шон (1992). Энциклопедия характеристик материалов: поверхности, интерфейсы, тонкие пленки . С. 680–694.
  2. ^ Ajzenberg-Selove, F. (1990-01-01). "Уровни энергии легких ядер A = 11−12". Nuclear Physics A . 506 (1): 1–158. Bibcode :1990NuPhA.506....1A. doi :10.1016/0375-9474(90)90271-M. ISSN  0375-9474.
  3. ^ Уайлд, Маркус; Фукутани, Кацуюки (2014-12-01). «Обнаружение водорода вблизи поверхностей и неглубоких интерфейсов с помощью анализа резонансной ядерной реакции». Surface Science Reports . 69 (4): 196–295. Bibcode : 2014SurSR..69..196W. doi : 10.1016/j.surfrep.2014.08.002 . ISSN  0167-5729.
  4. ^ "T1 - Тандемная лаборатория - Уппсальский университет, Швеция".
  5. ^ Colaux, JL; Terwagne, G.; Jeynes, C. (2015). «О прослеживаемой точной калибровке напряжения электростатических ускорителей» (PDF) . Nuclear Instruments and Methods B. 349 : 173–183. Bibcode : 2015NIMPB.349..173C. doi : 10.1016/j.nimb.2015.02.048.
  6. ^ Payne, RS; Clough, AS; Murphy, P.; Mills, PJ (1989). «Использование реакции d(3He,p)4He для изучения диффузии полимеров в расплавах полимеров». Nuclear Instruments and Methods B. 42 ( 1): 130–134. Bibcode :1989NIMPB..42..130P. doi :10.1016/0168-583X(89)90018-9.

Внешние ссылки