Kärnreaktionsanalys
Kärnreaktionsanalys (NRA) är en nukleär metod för kärnspektroskopi inom materialvetenskap för att erhålla koncentrations- och djupfördelningar för vissa kemiska målelement i en solid tunn film.
NRA:s mekanism
Om de bestrålas med utvalda projektilkärnor vid kinetiska energier Ekin , kan målfasta tunnfilmskemiska element genomgå en kärnreaktion under resonansförhållanden för en skarpt definierad resonansenergi. Reaktionsprodukten är vanligtvis en kärna i ett exciterat tillstånd som omedelbart sönderfaller och avger joniserande strålning .
För att erhålla djupinformation måste den initiala kinetiska energin för projektilkärnan (som måste överskrida resonansenergin) och dess stoppkraft (energiförlust per tillryggalagd sträcka) i provet vara känd. För att bidra till kärnreaktionen måste projektilkärnorna sakta ner i provet för att nå resonansenergin. Således motsvarar varje initial kinetisk energi ett djup i provet där reaktionen sker (ju högre energi, desto djupare reaktion).
NRA-profilering av väte
Till exempel är en vanlig reaktion för att profilera väte med en energisk 15 N jonstråle
med en skarp resonans i reaktionstvärsnittet vid 6,385 MeV på endast 1,8 keV. Eftersom den infallande 15 N -jonen förlorar energi längs sin bana i materialet måste den ha en energi högre än resonansenergin för att inducera kärnreaktionen med vätekärnor djupare i målet.
Denna reaktion skrivs vanligtvis 1 H( 15 N,αγ) 12 C. Den är oelastisk eftersom Q-värdet inte är noll (i detta fall är det 4,965 MeV). Rutherford backscattering (RBS) reaktioner är elastiska (Q = 0), och interaktionen (spridning) tvärsnittet σ ges av den berömda formeln härledd av Lord Rutherford 1911. Men icke -Rutherford tvärsnitt (så kallade EBS , elastiska tillbakaspridningsspektrometri ) kan också vara resonant: till exempel har 16O (α,α) 16O -reaktionen en stark och mycket användbar resonans vid 3038,1 ± 1,3 keV.
I 1 H( 15 N,αγ) 12 C-reaktionen (eller faktiskt den 15 N(p,αγ) 12 C -omvända reaktionen ), är den energiutsända γ-strålen karakteristisk för reaktionen och antalet som detekteras vid varje infallande energi är proportionell mot vätekoncentrationen på respektive djup i provet. På grund av den smala toppen i reaktionstvärsnittet genomgår i första hand joner av resonansenergin en kärnreaktion. Således kan information om vätefördelningen erhållas direkt genom att variera den 15 N infallande strålenergin.
Väte är ett element som är otillgängligt för Rutherfords backscattering-spektrometri eftersom ingenting kan backa scatter från H (eftersom alla atomer är tyngre än väte!). Men det analyseras ofta med elastisk rekyldetektering .
Icke-resonant NRA
NRA kan också användas icke-resonant (naturligtvis är RBS icke-resonant). Till exempel deuterium enkelt profileras med en 3 He -stråle utan att ändra den infallande energin genom att använda
- 3He + D = a + p + 18,353 MeV
reaktion, vanligtvis skriven 2 H( 3 He,p)α. Energin hos den detekterade snabba protonen beror på djupet av deuteriumatomen i provet.
Se även
externa länkar
- Detaljer om många kända reaktioner finns hos IAEA på http://www-nds.iaea.org/ibandl/ .
- Energin som frigörs vid kärnreaktioner ("Q-värdet") kan enkelt beräknas (från E=mc 2 ): se http://nucleardata.nuclear.lu.se/database/masses/ .
- NRA vid JSI Microanalytical Center i Ljubljana, Slovenien