中子深度定量分析的相对分析法

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1、第31卷第2期计算物理Vo1．31．No．22014年3月CHINESEJOURNALOFCOMPUTATIONALPHYSICSMar．，2014文章编号：1001-246X(2014)02-0185-06中子深度定量分析的相对分析法王姝驭，李润东，唐彬，窦海峰，杨鑫，袁姝，高产，冷军(中15I工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳621900)摘要：在中子深度分析中，为了定量分析样品中某种元素的含量，采用与标准样品测量范围内的总离子计数进行比对的方法，对相对定量分析技术进行研究．主要应用最小二乘法，根据实验情况，在能量

2、展宽修正与深度分布反演的基础上，进行定量分析的理论公式推导与FORTRAN编程；并且进行了模拟实验数据研究，通过对样品中B元素进行定量分析，验证相对定量分析方法的可行性．经验证，采用同类标准样品对未知样品的相同元素进行对比测量的定量分析法是可行的．关键词：中子深度分析；相对定量分析；最小二乘法中图分类号：TL817．3，0242．2，0517．5文献标志码：A0引言中子深度分析(Neutrondepthprofiling，简称NDP)技术是获取某种轻元素(He、mB、Li7Be或Na等)在材料中近表面深度分布信息的无损检测技术

3、．实验时，样品放置在真空容器里被热(或冷)中子照射，中子与待测的同位素发生反应，产生的离子在穿行过程中损失初始动能后到达样品表面，通过测量离子能量分布来推定同位素原子密度与深度的关系，从而得到该同位素在样品近表面的深度分布情况．1972年，Ziegler首次报道了NDP技术．目前该技术主要用于对半导体器件和新能源功能材料的失效机理研究和可靠性评价，以及聚变堆材料的性能研究等I4．在中子深度分析中，不仅可以定性地给出待测元素的深度分布信息，还可以分析待测元素的含量．含量信息对于材料的性能与机理的研究意义重大，因此有必要对NDP技

4、术分析样品中某元素含量的方法及其可靠性、可行性进行研究．本文主要介绍在进行中子深度分析时，与标准样品测量谱进行比对的定量分析方法，应用Tablecurve软件进行数据函数拟合，采用Fortran软件编程，建立相对定量分析技术的基本流程，并且通过对实验模拟数据进行分析处理，验证相对定量分析法的可行性．I1NDP原理介绍图1为NDP原理图．在一个真空容器中，热中子束横截面积为A、注量率为。，以与样品表面法线成0的角度照射样品．样品与中子反应所产生的离子(如B(n，)Li反应所产生的和Li离子)具有确定的初始动能．在所产生的各向同性

5、带电离子中，一些穿过样品到达表面，在真空中穿过距离到达离子探测器．假定探测器表面积为A，并且其法线与样品表I样品n／cos面法线的夹角为0．在深度处产生的离子在向样品表面运动图1NDP原理图的过程中，通常与电子(而不是和原子核)发生反应而损失动Fig．1NDPtheorylayout能．到达样品表面穿行的距离越远，其逃出样品表面时的动能收稿日期：2013—05—08；修回日期：2013—10—11基金项目：中国工程物理研究院中子物理学重点实验室基金(2013BB01)资助项目作者简介：王姝驭(1979一)，女，硕士，助理研究员

6、，主要从事核物理研究，E-mail：xiaoying9117@163．tom186计算物理第31卷就越小．可通过测量逃出样品表面的离子能量分布Ⅳ(E)计算出发生反应的同位素原子密度的深度分布C()．假定热中子注量率在空间上是均匀的，测量的深度分布在m数量级，因此中子穿过样品时的衰减可以忽略；在中子束照射下，样品深度X处单位体积内离子的产生率为F()=C()／=。。咖，(1)式中，C()为同位素原子密度的深度分布；为中子反应平均微观截面；。为每次反应的离子产额；咖为热中子注量率．在距样品表面深度为处范围内受照样品的体积为AV=(

7、A／cos0)dx，因此在AV体积内单位时间产生的离子数为Ni。()dx=F()△=c()。。(、—ldx，(2)COS，式中，A／cos0为样品受中子束照射的表面面积．因为样品受中子束照射的表面面积(A／cos)足够小，以致在样品受照体积内产生且到达探测器的所有离子均认为是垂直入射到探测器表面；另外产生离子的深度X与样品到探测器的距离r相比很小(离子的最大射程通常为Ixm量级，而r通常为几个厘米)．则一个由产生点各向同性发射的离子概率为=，式中，A／2为探测器表面向样品被照射表面所张开的立体角；为单个入射离子在多道谱上产生一

8、个计数的概率，对大多数固体探测器来说s1．在样品深度X处的范围内产生的离子被探测到的数目xNio~㈩[Pd]=()深度X处的范围内产生的离子必须在样品中穿行距离s=x／cos0s才能到达样品表面，进而进入到探测器．从深度X处逃逸出的离子能量E(X)由式(5)给出．s==毒)：