核分析課程設(shè)計(jì)

1、用溝道效應(yīng)定位晶體Si中雜質(zhì)原子技術(shù)原理： 溝道技術(shù)是利用帶電粒子與單晶體的相互作用研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的一種分析技術(shù)。在單晶休中，原子是有規(guī)則地排列的，晶格原子構(gòu)成一系列的晶軸和晶面。帶電粒子入射到單晶體上時(shí)，相互作用情況與入射到無(wú)定形樣品時(shí)會(huì)很不一樣。當(dāng)沿著單晶體的一定方向入射時(shí)，出現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，離子約運(yùn)動(dòng)受到晶軸或晶面原子勢(shì)的控制。當(dāng)一束準(zhǔn)直的正離子入射到單晶體靶上時(shí)，離子與靶原子之間相互作用幾率，與離子的入射方向和單晶體晶軸或晶面間的相對(duì)取向有關(guān)。帶電粒子與單晶體中的原子相互作用的這種強(qiáng)烈的方向效應(yīng)就是溝道效應(yīng)。用溝道效應(yīng)進(jìn)行雜質(zhì)原子定位研究的基本原理是:間隙原子和替位原子與離子束碰撞的

2、幾率在晶體不同取向時(shí)，有著不同的依賴(lài)關(guān)系，在不同晶軸方向進(jìn)行測(cè)量，就可以定出其位置。下圖是Si(110)面的原子排列圖。圖中用符號(hào)表示基體晶格原子，分別用符號(hào)、表示處于間隙位、替位、四面體中間位置的某種雜質(zhì)原子。由圖可以清楚看出，處于替位的雜質(zhì)原子，入射束按,或定向入射，都不能與之發(fā)生背散射等近距作用，只有在偏離晶軸方向入射時(shí)才會(huì)發(fā)生。對(duì)于處于間隙位的雜質(zhì)原子，無(wú)論從什么方向入射，都能與之發(fā)生近距作用，沒(méi)有方向性。處于四面體中間位置的雜質(zhì)原子，分析束從、的方向入射時(shí)不能發(fā)現(xiàn)它，從方向入射時(shí)可以發(fā)現(xiàn)它。從不同晶軸方向的測(cè)量，可以定量計(jì)算出雜質(zhì)原子的替位率。特征參數(shù)：歸一化產(chǎn)額的角分布半寬度（零點(diǎn)

3、幾度到幾度）和歸一化產(chǎn)額的極小值。反映人射離子與晶格原子近距相互作用產(chǎn)額隨著入射方向與晶軸7或晶面8夾角變化的角分布半寬度,它又可稱(chēng)為溝道坑一半寬度, 近距相互作用歸一化產(chǎn)額極小值,用背散射作為近距相互作用事件時(shí), 還有與定向譜歸一化產(chǎn)額斜率相聯(lián)系的溝道離子退道率和由晶體表面第一、二層面原子散射產(chǎn)生的表面峰產(chǎn)額等。用林德哈的連續(xù)模型可以確定這些參數(shù)。處理方法：對(duì)晶格原子的一系列相關(guān)的小角度碰撞，采用連續(xù)弦和連續(xù)勢(shì)概念來(lái)進(jìn)行討論。對(duì)軸溝道，把位于一直線的、間隔為d的許多晶格原子看作是串聯(lián)在一根弦上。設(shè)想把晶格原子的電荷分割，并連續(xù)地、均勻地分布在這弦上，所產(chǎn)生的勢(shì)就是平均勢(shì)(或稱(chēng)連續(xù)勢(shì))。用平行

4、于品軸的平均勢(shì)來(lái)替代晶軸上實(shí)際存在著的周期性原子勢(shì)?？汕蟮茫?； 式中 ； 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)以及主要實(shí)驗(yàn)裝置：溝道技術(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備由4個(gè)基本部份組成：（1） 產(chǎn)生準(zhǔn)直離子束的加速器；（2） 記錄背散射粒子的探測(cè)器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；（3） 能精確地調(diào)整晶體方位的定位裝置（步進(jìn)馬達(dá)控制系統(tǒng)）。實(shí)驗(yàn)幾何條件選擇：入射離子束經(jīng)準(zhǔn)直后打到單晶樣品上。晶體安裝在一個(gè)可以調(diào)整角度的定角器上。1、 薄樣品采用透射幾何裝置在前向用探測(cè)器記錄粒子。當(dāng)入射束與晶軸(或晶面)方向一致時(shí)，產(chǎn)生溝道效應(yīng)，透過(guò)的粒子數(shù)最多，在徑跡探測(cè)器上得到星狀圖象，當(dāng)用半導(dǎo)體位置靈敏探測(cè)器來(lái)記錄粒子時(shí)，應(yīng)采用很小的準(zhǔn)直孔(0.1mm)使入射束強(qiáng)

5、度盡量弱，以免探測(cè)器受損。2、 厚樣品采用散射幾何裝置在后向角度探測(cè)粒子。這些粒子可以是彈性散射粒子，也可以是核反應(yīng)產(chǎn)生的各和粒子，以及入射束激發(fā)的X射線等。通常是測(cè)背散射粒子產(chǎn)額隨入射束與晶軸(或晶面)夾角的變化。 晶軸定向手續(xù)：已知晶軸方向的單晶樣品裝在定角器上后，需調(diào)節(jié)定角器角度才能確定晶軸的方位使晶軸方向與入射束方向完全一致，這種調(diào)節(jié)步驟稱(chēng)為定向。1、單晶樣品準(zhǔn)備沿某一晶面方向從晶柱上切割下一塊一定厚度的單晶樣品。樣品的晶軸方向與樣品切面的法線間夾角一般在幾度范圍內(nèi)，切割得好，可控制在零點(diǎn)幾度。然后對(duì)樣品拋光、退火處理，裝在定角器上。2、隨機(jī)譜測(cè)量 對(duì)于單晶靶的隨機(jī)譜測(cè)量，總是將晶體傾

6、斜一個(gè)角度，使主晶軸不與入射束對(duì)準(zhǔn)。為了防止高密勒指數(shù)晶面的面溝道效應(yīng)出現(xiàn)，應(yīng)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)晶休(改變方位角)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度視各種定角器結(jié)構(gòu)而定。在測(cè)量隨機(jī)譜的時(shí)間內(nèi)，應(yīng)盡量使樣品多轉(zhuǎn)幾圈，這樣可把而溝道效應(yīng)平均掉。3.定向手續(xù)在做溝道實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先要確定裝在定角器上的單晶樣品的晶軸方向，然后才能使晶軸與入射束方向一致。由于晶體的晶軸是由幾組晶面相交而成，所以當(dāng)入射束對(duì)準(zhǔn)這些晶面時(shí)，會(huì)發(fā)生面溝道效應(yīng)。測(cè)量這些面溝道dip曲線，就可以確定晶軸方向。軸溝道dip曲線和定向譜測(cè)量 在晶軸方向與入射束方向基本一致時(shí)，對(duì)角掃描，就得到軸溝道dip曲線。在晶軸方向與入射束方向完全一致時(shí)，測(cè)量到的背散射能譜，就是定向譜

7、。實(shí)驗(yàn)探測(cè)與測(cè)量裝置：半導(dǎo)體探測(cè)器背散射測(cè)量裝置半導(dǎo)體探測(cè)器：探測(cè)記錄散射粒子；前置放大器：放大信號(hào)；步進(jìn)馬達(dá)控制：樣品安裝在一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)角度的定角器上，可用步進(jìn)馬達(dá)控制轉(zhuǎn)動(dòng)；束流積分儀：記錄束流；多道脈沖分析器：測(cè)量dip曲線；描圖儀：畫(huà)出顯示譜線。干擾問(wèn)題及處理：1、 沿溝道方向入射的粒子由于一系列前向小角散射，其運(yùn)動(dòng)方向能偏離原來(lái)方向。當(dāng)同晶軸的夾角超過(guò)時(shí),稱(chēng)之為“退道”。晶體表面第一層原子，表面無(wú)定形層、點(diǎn)陣熱振動(dòng)、點(diǎn)陣缺陷和位移原子等都會(huì)使退道加劇。由于退道現(xiàn)象隨深度的增加而更加嚴(yán)重，在測(cè)量定向時(shí)的背散射產(chǎn)額時(shí)，這產(chǎn)額隨深度增加而增加，因而隨深度增加而變大，而且也隨深度而變化。對(duì)實(shí)驗(yàn)

8、的測(cè)量產(chǎn)生了干擾。理論上，退道幾率可以計(jì)算出來(lái)，這就要借助于各種退道模型估計(jì)退道對(duì)產(chǎn)額的貢獻(xiàn)。2、 在進(jìn)行雜質(zhì)原子定位時(shí)，基體原子的信號(hào)會(huì)干擾雜質(zhì)原子的信號(hào)。解決辦法：對(duì)于輕元素基體中的重元素雜質(zhì)，采用背散射測(cè)量；對(duì)于重元素基體中的輕元素雜質(zhì)，則采用核反應(yīng)分子。3、 通量呈峰效應(yīng):前面討論中是認(rèn)為溝道空間中粒子的通量是均勻分布的。從蒙特-卡羅法計(jì)算,或從連續(xù)勢(shì)近似計(jì)算可知理想晶體溝道區(qū)中入射粒子通量分布并非均勻，往往在溝道區(qū)中心通量密度達(dá)極大，這就是所謂通量呈峰效應(yīng)。原則上講，通量呈峰效應(yīng)為區(qū)分位置僅差0.10.2的雜質(zhì)原子分布提供了可能性。金屬中氫、氦離子往往處于各種隙位，它們位置分布情況是

9、反應(yīng)堆物理中受重視的問(wèn)題，通量呈峰效應(yīng)為它提供了一種可能的研究途徑。所以在進(jìn)行分析的時(shí)候我們要考慮通量呈峰效應(yīng)。4、 晶軸與入射束的定向精度的影響?？刹捎秒p定向幾何來(lái)提高實(shí)驗(yàn)的靈敏度。國(guó)內(nèi)外溝道效應(yīng)的發(fā)展動(dòng)態(tài)：溝道效應(yīng)可以分析單晶體缺陷，晶格損傷量極其深度分布，雜質(zhì)原子的晶格位置。(1)作為觸發(fā)體的彎晶在重味粒子衰變研究中的應(yīng)用;(2)重味粒子磁矩的測(cè)量;(3)應(yīng)用阻塞技術(shù)測(cè)量粒子壽命;(4)應(yīng)用溝道輻射進(jìn)行粒子識(shí)別;(5)光子束;(6)帶電粒子束的彎曲和聚焦;(7)晶體中相干Primakoff效應(yīng)的研究;(8)生成粒子的溝道效應(yīng);(9)用于長(zhǎng)基線中微子振蕩實(shí)驗(yàn)的粒子束。目前已證實(shí)從正負(fù)電子到

10、重離子，kev能區(qū)至相對(duì)論能區(qū)都存在溝道效應(yīng)和阻塞效應(yīng)。相對(duì)論能區(qū)的介子和質(zhì)子的溝道效應(yīng)是溝道技術(shù)的新發(fā)展，這方面的進(jìn)展不但發(fā)展了溝道效應(yīng)，而且可以作為高能物理中的正負(fù)粒子鑒別器，測(cè)量基本粒子壽命并提供負(fù)粒子阻止本領(lǐng)的數(shù)據(jù)。電子通過(guò)溝道時(shí)，在周期場(chǎng)的作用下還會(huì)發(fā)射溝道輻射。使用條件與范圍：溝道技術(shù)可用來(lái)確定單晶樣品中注入離子的濃度、分布，晶格損傷量，退火后損傷恢復(fù)情況，雜質(zhì)原子在晶格中的泣置，單晶體的表面和外延層結(jié)構(gòu)、缺陷、成分、厚度。阻塞效應(yīng)測(cè)量原子核壽命實(shí)驗(yàn)原理：下圖是阻塞效應(yīng)示意圖。處在晶格位置的原子核發(fā)射帶正電荷粒子(例如粒子)，發(fā)射粒子方向與晶軸夾角為。在偏離晶軸方向發(fā)射的粒子，能被

11、探測(cè)器記錄到；而在沿著晶軸方向發(fā)射的粒子，它受到鄰近晶格原子的散射，不能沿這方向出射，所以在方向記錄到的粒子數(shù)最少，這種現(xiàn)象就成為阻滯現(xiàn)象。技術(shù)原理：上圖是利用阻塞效應(yīng)測(cè)量復(fù)合核壽命的示意圖，入射粒子與晶體中原子核發(fā)生共振核反應(yīng)，形成的復(fù)合核將反沖離開(kāi)晶格位置。其反沖速度可以根據(jù)核反應(yīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系求得，典型的反沖速度cm/s。復(fù)合核衰變時(shí)發(fā)射正帶電荷的粒子，衰變遵循指數(shù)規(guī)律。若復(fù)臺(tái)核壽命很短，在復(fù)合核反沖離開(kāi)晶軸的垂直距離不到0.01nm之前就發(fā)生衰變，這時(shí)沿主晶軸方向測(cè)量衰變粒子，就觀察到阻塞效應(yīng)，阻塞dip曲線為，上角標(biāo)P表示“瞬發(fā)”。因?yàn)樽枞?yīng)對(duì)晶格原子的位移極為靈敏（），只要處于激發(fā)態(tài)

12、的晶格原子核的反沖距離大于晶格原子熱振動(dòng)幅度，阻塞dip曲線就會(huì)發(fā)生變化。所以當(dāng)復(fù)合核有一定壽命時(shí)，復(fù)合核反沖的垂直距離大于0.01nm后發(fā)生衰變時(shí)，沿這主晶軸方向所觀察到得阻塞坑就變淺，變窄，dip曲線為，角標(biāo)D表示“緩發(fā)”。 有關(guān)。因此，可以從阻塞坑的測(cè)量來(lái)確定核反沖距離，在射束與晶軸的夾角及已知的情況下，就可以求出核壽命。實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備：實(shí)驗(yàn)幾何設(shè)計(jì)：樣品要安放在定角器上，才可以調(diào)整角度。定角器的控制可用步進(jìn)馬達(dá)來(lái)控制。兩種幾何安排方式： 同溝道效應(yīng)一樣，我們要測(cè)出阻塞效應(yīng)的dip曲線。所以我們所用的儀器和實(shí)驗(yàn)一是一樣的，詳情請(qǐng)見(jiàn)實(shí)驗(yàn)一。減小測(cè)量誤差：1、 阻塞坑的不僅與核壽

13、命有關(guān)，而且與晶體性質(zhì)（如晶格熱振動(dòng)、晶格缺陷、晶體表面狀態(tài)）有關(guān)。為了能從阻塞坑的測(cè)量中正確反映出只與壽命有關(guān)的信息，可在相同實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)量另一個(gè)阻塞坑（它與核壽命無(wú)關(guān)），比較這兩個(gè)阻塞坑的相對(duì)變化。這種測(cè)量方法實(shí)際上也提供了確定時(shí)間絕對(duì)標(biāo)度的零時(shí)間參考點(diǎn)。用一個(gè)沒(méi)有壽命效應(yīng)的阻塞坑作為核反沖飛行時(shí)間標(biāo)度的零點(diǎn)，那么從兩個(gè)阻塞坑的差異就能求得壽命的絕對(duì)值。更合適的辦法是同時(shí)測(cè)量與束流方向成不同夾角的兩個(gè)相同密勒指數(shù)晶軸的阻塞坑。2、 采用雙定向?qū)嶒?yàn)幾何。國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)：1、阻塞效應(yīng)經(jīng)常用于復(fù)合核壽命和激發(fā)態(tài)能級(jí)壽命的測(cè)定。阻塞效應(yīng)是直接測(cè)量10-15秒到10-18秒范圍內(nèi)核壽命的唯一方法?？?/p>

14、用來(lái)檢驗(yàn)其它核壽命間接測(cè)量方法的準(zhǔn)確性。 2、在晶體結(jié)構(gòu)學(xué)中的應(yīng)用，利用阻塞圖樣，可以定出晶體的晶向、研究晶體的結(jié)構(gòu)，例如仔細(xì)研究這種阻塞圖樣，可以顯示出密勒指數(shù)高至9的晶線。而且，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，阻塞效應(yīng)顯示的晶線強(qiáng)度，可以用X射線研究晶體結(jié)構(gòu)時(shí)所熟知的幾何結(jié)構(gòu)常熟來(lái)解釋。 3、在離子注入研究中的應(yīng)用。正電子壽命譜的測(cè)量湮沒(méi)機(jī)理：正電子進(jìn)入物質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)迅速慢化到熱能區(qū),同周?chē)劫|(zhì)中的電子相遇而湮沒(méi),全部質(zhì)量(對(duì)應(yīng)的能量為)轉(zhuǎn)變成電磁輻射湮沒(méi)光子。實(shí)驗(yàn)設(shè)備:塑料閃爍體和PET 正電子壽命譜儀作為時(shí)問(wèn)譜儀要求它有優(yōu)良的時(shí)間分辨率，因此要求閃爍體的光輸出效率高并且發(fā)光時(shí)間短，光電倍增器光陰極上轉(zhuǎn)換的光

15、電子多和光電子發(fā)射時(shí)間集中。于是在光電倍增器陽(yáng)極可以得到幅度大和持續(xù)時(shí)間短的脈沖。塑料閃爍體有優(yōu)越的時(shí)間特性，對(duì)射線有一定的探測(cè)效率。恒比定時(shí)甄別器（CFD）用來(lái)克服PET輸出脈沖的噪聲所引起的時(shí)間誤差（晃動(dòng)）和輸出脈沖的上升時(shí)間不一致及幅度不一致所引起的時(shí)間游動(dòng)（時(shí)移）。時(shí)間-脈沖高度轉(zhuǎn)換器（TPHC）起始信號(hào)（來(lái)自1.28MeV）和終止信號(hào)（來(lái)自0.511MeV）分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)恒比定時(shí)甄別器處理后，啟動(dòng)時(shí)間-脈沖高度轉(zhuǎn)換器，對(duì)這兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔進(jìn)行記錄。慢電路用于對(duì)TPHC輸出的脈沖檢測(cè)和鑒定，使其代表真正的核事件。本實(shí)驗(yàn)中，譜儀中慢電路用來(lái)鑒定1.28MeV的射線和0.511MeV的射線

16、。它的作用是去除1.28MeV的射線的自身散射符合或兩個(gè)0.511MeV射線符合的假事件。快-快符合電路一個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)延遲箱送入時(shí)幅轉(zhuǎn)換器（TPHC）作為起始信號(hào)，另一個(gè)作為符合輸入信號(hào)送入快符合電路。符合電路將輸出一個(gè)很寬的門(mén)信號(hào)去啟動(dòng)TPHC ,經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的脈沖再送到多道分析器，記錄正電子壽命譜。快一快符合系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以用較強(qiáng)的正電子源，因而測(cè)量時(shí)問(wèn)縮短。實(shí)驗(yàn)框圖：干擾問(wèn)題及處理：1、正電子源制備時(shí)，總會(huì)有一部分正電子在源托中發(fā)生湮滅，這無(wú)法避免，那么這會(huì)干擾正常的數(shù)據(jù)處理。所以我們必須盡量改進(jìn)源托的材質(zhì)，源托必須很薄而能插入所研究的樣品中間，要有足夠牢度和經(jīng)得住來(lái)自樣品或NaCl本身

17、的腐蝕，源襯底的Ps形成幾率小。2、偶然符合的干擾也是無(wú)法避免的，當(dāng)然如果選擇合適的源，是可以有效減小這種干擾的。3、樣品中的微量雜質(zhì)也會(huì)引起正電子的湮沒(méi)，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾。盡量要純化樣品。4、外界環(huán)境的干擾。調(diào)整外界環(huán)境至最佳狀態(tài)。5、樣品的熱處理或表面的氧化層也會(huì)形成干擾。所以要盡量使樣品純凈。應(yīng)用范圍及發(fā)展動(dòng)態(tài)在固體物理中應(yīng)用廣泛，可用來(lái)研究晶體缺陷（空位、位錯(cuò)和輻照損傷等），固體中的相變，金屬有序-無(wú)序相變等。在無(wú)損檢驗(yàn)中可用來(lái)探測(cè)機(jī)械部件（入輪機(jī)葉片、飛機(jī)起落裝置）的疲勞損傷。許多合金相變過(guò)程都能對(duì)正電子湮沒(méi)參數(shù)產(chǎn)生明顯的影響。因此，可以用PAT來(lái)確定合金相變的溫度。因?yàn)檎娮愉螞](méi)

18、的壽命和湮沒(méi)光子對(duì)的動(dòng)量原則上與湮沒(méi)處的電子密度和電子動(dòng)量有關(guān)，因此，比較相變前后湮沒(méi)參數(shù)，能得到不同相下材料微觀結(jié)構(gòu)特征的有關(guān)信息。用PAT研究過(guò)多種合金相變，例如有序無(wú)序轉(zhuǎn)變、共析相變、馬氏體相變、沉淀與時(shí)效現(xiàn)象等。湮沒(méi)輻射的角關(guān)聯(lián)測(cè)量原理：電子在湮沒(méi)前，正電子已充分熱化，其能量為0.01eV量級(jí)，動(dòng)量近似看作零。這時(shí)若發(fā)生2湮沒(méi)，那么兩個(gè)0.511的Y光子是共線的，以相反方向發(fā)射。這個(gè)結(jié)論只是在正負(fù)電子湮沒(méi)對(duì)的總動(dòng)量為零時(shí)才成立。盡管正電子經(jīng)熱化后動(dòng)量可以近似看作零，由于材料中自由電子的動(dòng)能往往為幾個(gè)eV，相應(yīng)的動(dòng)量不為零，所以湮沒(méi)對(duì)的總動(dòng)量不為零，于是湮沒(méi)輻射方向的夾角不是180度,而是與180度相差一個(gè)角度如圖所示。圖中的失量分解中，P表示湮沒(méi)對(duì)的動(dòng)量，表示動(dòng)量的縱向分量和表示湮沒(méi)對(duì)動(dòng)量的橫向(垂直于光子的發(fā)射方向)分量。通常角作常小(1度，可以令。湮沒(méi)后，兩個(gè)光子的動(dòng)量為和，按照動(dòng)量守恒，有 通過(guò)動(dòng)量與能量守恒關(guān)系，我們最終可得到由于角與材料中電子動(dòng)量相聯(lián)系，在某一方向上測(cè)量到的湮沒(méi)事件的數(shù)目N（）表示了電子的動(dòng)量分布，因此提供了材料中自由電子動(dòng)量分布的信息，進(jìn)而了解材料的性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖：實(shí)驗(yàn)機(jī)理分析：用角關(guān)聯(lián)裝置測(cè)量的符臺(tái)計(jì)數(shù)隨的分布，稱(chēng)為一維角關(guān)聯(lián)曲線。用橫臂微分甄別器代替單道分析器可在較高