核分析课程设计

1、用沟道效应定位晶体Si中杂质原子技术原理： 沟道技术是利用带电粒子与单晶体的相互作用研究物质微观结构的一种分析技术。在单晶休中，原子是有规则地排列的，晶格原子构成一系列的晶轴和晶面。带电粒子入射到单晶体上时，相互作用情况与入射到无定形样品时会很不一样。当沿着单晶体的一定方向入射时，出现新的物理现象，离子约运动受到晶轴或晶面原子势的控制。当一束准直的正离子入射到单晶体靶上时，离子与靶原子之间相互作用几率，与离子的入射方向和单晶体晶轴或晶面间的相对取向有关。带电粒子与单晶体中的原子相互作用的这种强烈的方向效应就是沟道效应。用沟道效应进行杂质原子定位研究的基本原理是:间隙原子和替位原子与离子束碰撞的

2、几率在晶体不同取向时，有着不同的依赖关系，在不同晶轴方向进行测量，就可以定出其位置。下图是Si(110)面的原子排列图。图中用符号表示基体晶格原子，分别用符号、表示处于间隙位、替位、四面体中间位置的某种杂质原子。由图可以清楚看出，处于替位的杂质原子，入射束按,或定向入射，都不能与之发生背散射等近距作用，只有在偏离晶轴方向入射时才会发生。对于处于间隙位的杂质原子，无论从什么方向入射，都能与之发生近距作用，没有方向性。处于四面体中间位置的杂质原子，分析束从、的方向入射时不能发现它，从方向入射时可以发现它。从不同晶轴方向的测量，可以定量计算出杂质原子的替位率。特征参数：归一化产额的角分布半宽度（零点

3、几度到几度）和归一化产额的极小值。反映人射离子与晶格原子近距相互作用产额随着入射方向与晶轴7或晶面8夹角变化的角分布半宽度,它又可称为沟道坑一半宽度, 近距相互作用归一化产额极小值,用背散射作为近距相互作用事件时, 还有与定向谱归一化产额斜率相联系的沟道离子退道率和由晶体表面第一、二层面原子散射产生的表面峰产额等。用林德哈的连续模型可以确定这些参数。处理方法：对晶格原子的一系列相关的小角度碰撞，采用连续弦和连续势概念来进行讨论。对轴沟道，把位于一直线的、间隔为d的许多晶格原子看作是串联在一根弦上。设想把晶格原子的电荷分割，并连续地、均匀地分布在这弦上，所产生的势就是平均势(或称连续势)。用平行

4、于品轴的平均势来替代晶轴上实际存在着的周期性原子势。可求得： ； 式中 ； 实验装置设计以及主要实验装置：沟道技术的实验设备由4个基本部份组成：（1） 产生准直离子束的加速器；（2） 记录背散射粒子的探测器和数据处理系统；（3） 能精确地调整晶体方位的定位装置（步进马达控制系统）。实验几何条件选择：入射离子束经准直后打到单晶样品上。晶体安装在一个可以调整角度的定角器上。1、 薄样品采用透射几何装置在前向用探测器记录粒子。当入射束与晶轴(或晶面)方向一致时，产生沟道效应，透过的粒子数最多，在径迹探测器上得到星状图象，当用半导体位置灵敏探测器来记录粒子时，应采用很小的准直孔(0.1mm)使入射束强

5、度尽量弱，以免探测器受损。2、 厚样品采用散射几何装置在后向角度探测粒子。这些粒子可以是弹性散射粒子，也可以是核反应产生的各和粒子，以及入射束激发的X射线等。通常是测背散射粒子产额随入射束与晶轴(或晶面)夹角的变化。 晶轴定向手续：已知晶轴方向的单晶样品装在定角器上后，需调节定角器角度才能确定晶轴的方位使晶轴方向与入射束方向完全一致，这种调节步骤称为定向。1、单晶样品准备沿某一晶面方向从晶柱上切割下一块一定厚度的单晶样品。样品的晶轴方向与样品切面的法线间夹角一般在几度范围内，切割得好，可控制在零点几度。然后对样品抛光、退火处理，装在定角器上。2、随机谱测量 对于单晶靶的随机谱测量，总是将晶体倾

6、斜一个角度，使主晶轴不与入射束对准。为了防止高密勒指数晶面的面沟道效应出现，应连续转动晶休(改变方位角)，转动速度视各种定角器结构而定。在测量随机谱的时间内，应尽量使样品多转几圈，这样可把而沟道效应平均掉。3.定向手续在做沟道实验时，首先要确定装在定角器上的单晶样品的晶轴方向，然后才能使晶轴与入射束方向一致。由于晶体的晶轴是由几组晶面相交而成，所以当入射束对准这些晶面时，会发生面沟道效应。测量这些面沟道dip曲线，就可以确定晶轴方向。轴沟道dip曲线和定向谱测量 在晶轴方向与入射束方向基本一致时，对角扫描，就得到轴沟道dip曲线。在晶轴方向与入射束方向完全一致时，测量到的背散射能谱，就是定向谱

7、。实验探测与测量装置：半导体探测器背散射测量装置半导体探测器：探测记录散射粒子；前置放大器：放大信号；步进马达控制：样品安装在一个可以旋转角度的定角器上，可用步进马达控制转动；束流积分仪：记录束流；多道脉冲分析器：测量dip曲线；描图仪：画出显示谱线。干扰问题及处理：1、 沿沟道方向入射的粒子由于一系列前向小角散射，其运动方向能偏离原来方向。当同晶轴的夹角超过时,称之为“退道”。晶体表面第一层原子，表面无定形层、点阵热振动、点阵缺陷和位移原子等都会使退道加剧。由于退道现象随深度的增加而更加严重，在测量定向时的背散射产额时，这产额随深度增加而增加，因而随深度增加而变大，而且也随深度而变化。对实验

8、的测量产生了干扰。理论上，退道几率可以计算出来，这就要借助于各种退道模型估计退道对产额的贡献。2、 在进行杂质原子定位时，基体原子的信号会干扰杂质原子的信号。解决办法：对于轻元素基体中的重元素杂质，采用背散射测量；对于重元素基体中的轻元素杂质，则采用核反应分子。3、 通量呈峰效应:前面讨论中是认为沟道空间中粒子的通量是均匀分布的。从蒙特-卡罗法计算,或从连续势近似计算可知理想晶体沟道区中入射粒子通量分布并非均匀，往往在沟道区中心通量密度达极大，这就是所谓通量呈峰效应。原则上讲，通量呈峰效应为区分位置仅差0.10.2的杂质原子分布提供了可能性。金属中氢、氦离子往往处于各种隙位，它们位置分布情况是

9、反应堆物理中受重视的问题，通量呈峰效应为它提供了一种可能的研究途径。所以在进行分析的时候我们要考虑通量呈峰效应。4、 晶轴与入射束的定向精度的影响。可采用双定向几何来提高实验的灵敏度。国内外沟道效应的发展动态：沟道效应可以分析单晶体缺陷，晶格损伤量极其深度分布，杂质原子的晶格位置。(1)作为触发体的弯晶在重味粒子衰变研究中的应用;(2)重味粒子磁矩的测量;(3)应用阻塞技术测量粒子寿命;(4)应用沟道辐射进行粒子识别;(5)光子束;(6)带电粒子束的弯曲和聚焦;(7)晶体中相干Primakoff效应的研究;(8)生成粒子的沟道效应;(9)用于长基线中微子振荡实验的粒子束。目前已证实从正负电子到

10、重离子，kev能区至相对论能区都存在沟道效应和阻塞效应。相对论能区的介子和质子的沟道效应是沟道技术的新发展，这方面的进展不但发展了沟道效应，而且可以作为高能物理中的正负粒子鉴别器，测量基本粒子寿命并提供负粒子阻止本领的数据。电子通过沟道时，在周期场的作用下还会发射沟道辐射。使用条件与范围：沟道技术可用来确定单晶样品中注入离子的浓度、分布，晶格损伤量，退火后损伤恢复情况，杂质原子在晶格中的泣置，单晶体的表面和外延层结构、缺陷、成分、厚度。阻塞效应测量原子核寿命实验原理：下图是阻塞效应示意图。处在晶格位置的原子核发射带正电荷粒子(例如粒子)，发射粒子方向与晶轴夹角为。在偏离晶轴方向发射的粒子，能被

11、探测器记录到；而在沿着晶轴方向发射的粒子，它受到邻近晶格原子的散射，不能沿这方向出射，所以在方向记录到的粒子数最少，这种现象就成为阻滞现象。技术原理：上图是利用阻塞效应测量复合核寿命的示意图，入射粒子与晶体中原子核发生共振核反应，形成的复合核将反冲离开晶格位置。其反冲速度可以根据核反应运动学关系求得，典型的反冲速度cm/s。复合核衰变时发射正带电荷的粒子，衰变遵循指数规律。若复台核寿命很短，在复合核反冲离开晶轴的垂直距离不到0.01nm之前就发生衰变，这时沿主晶轴方向测量衰变粒子，就观察到阻塞效应，阻塞dip曲线为，上角标P表示“瞬发”。因为阻塞效应对晶格原子的位移极为灵敏（），只要处于激发态

12、的晶格原子核的反冲距离大于晶格原子热振动幅度，阻塞dip曲线就会发生变化。所以当复合核有一定寿命时，复合核反冲的垂直距离大于0.01nm后发生衰变时，沿这主晶轴方向所观察到得阻塞坑就变浅，变窄，dip曲线为，角标D表示“缓发”。 有关。因此，可以从阻塞坑的测量来确定核反冲距离，在射束与晶轴的夹角及已知的情况下，就可以求出核寿命。实验装置设计及主要实验设备：实验几何设计：样品要安放在定角器上，才可以调整角度。定角器的控制可用步进马达来控制。两种几何安排方式： 同沟道效应一样，我们要测出阻塞效应的dip曲线。所以我们所用的仪器和实验一是一样的，详情请见实验一。减小测量误差：1、 阻塞坑的不仅与核寿

13、命有关，而且与晶体性质（如晶格热振动、晶格缺陷、晶体表面状态）有关。为了能从阻塞坑的测量中正确反映出只与寿命有关的信息，可在相同实验条件下测量另一个阻塞坑（它与核寿命无关），比较这两个阻塞坑的相对变化。这种测量方法实际上也提供了确定时间绝对标度的零时间参考点。用一个没有寿命效应的阻塞坑作为核反冲飞行时间标度的零点，那么从两个阻塞坑的差异就能求得寿命的绝对值。更合适的办法是同时测量与束流方向成不同夹角的两个相同密勒指数晶轴的阻塞坑。2、 采用双定向实验几何。国内外发展动态：1、阻塞效应经常用于复合核寿命和激发态能级寿命的测定。阻塞效应是直接测量10-15秒到10-18秒范围内核寿命的唯一方法。可

14、用来检验其它核寿命间接测量方法的准确性。 2、在晶体结构学中的应用，利用阻塞图样，可以定出晶体的晶向、研究晶体的结构，例如仔细研究这种阻塞图样，可以显示出密勒指数高至9的晶线。而且，实验发现，阻塞效应显示的晶线强度，可以用X射线研究晶体结构时所熟知的几何结构常熟来解释。 3、在离子注入研究中的应用。正电子寿命谱的测量湮没机理：正电子进入物质在短时间内迅速慢化到热能区,同周围媒质中的电子相遇而湮没,全部质量(对应的能量为)转变成电磁辐射湮没光子。实验设备:塑料闪烁体和PET 正电子寿命谱仪作为时问谱仪要求它有优良的时间分辨率，因此要求闪烁体的光输出效率高并且发光时间短，光电倍增器光阴极上转换的光

15、电子多和光电子发射时间集中。于是在光电倍增器阳极可以得到幅度大和持续时间短的脉冲。塑料闪烁体有优越的时间特性，对射线有一定的探测效率。恒比定时甄别器（CFD）用来克服PET输出脉冲的噪声所引起的时间误差（晃动）和输出脉冲的上升时间不一致及幅度不一致所引起的时间游动（时移）。时间-脉冲高度转换器（TPHC）起始信号（来自1.28MeV）和终止信号（来自0.511MeV）分别经过两个恒比定时甄别器处理后，启动时间-脉冲高度转换器，对这两个脉冲的时间间隔进行记录。慢电路用于对TPHC输出的脉冲检测和鉴定，使其代表真正的核事件。本实验中，谱仪中慢电路用来鉴定1.28MeV的射线和0.511MeV的射线

16、。它的作用是去除1.28MeV的射线的自身散射符合或两个0.511MeV射线符合的假事件。快-快符合电路一个信号经过延迟箱送入时幅转换器（TPHC）作为起始信号，另一个作为符合输入信号送入快符合电路。符合电路将输出一个很宽的门信号去启动TPHC ,经过转换后的脉冲再送到多道分析器，记录正电子寿命谱。快一快符合系统的主要优点是可以用较强的正电子源，因而测量时问缩短。实验框图：干扰问题及处理：1、正电子源制备时，总会有一部分正电子在源托中发生湮灭，这无法避免，那么这会干扰正常的数据处理。所以我们必须尽量改进源托的材质，源托必须很薄而能插入所研究的样品中间，要有足够牢度和经得住来自样品或NaCl本身

17、的腐蚀，源衬底的Ps形成几率小。2、偶然符合的干扰也是无法避免的，当然如果选择合适的源，是可以有效减小这种干扰的。3、样品中的微量杂质也会引起正电子的湮没，从而对实验产生干扰。尽量要纯化样品。4、外界环境的干扰。调整外界环境至最佳状态。5、样品的热处理或表面的氧化层也会形成干扰。所以要尽量使样品纯净。应用范围及发展动态在固体物理中应用广泛，可用来研究晶体缺陷（空位、位错和辐照损伤等），固体中的相变，金属有序-无序相变等。在无损检验中可用来探测机械部件（入轮机叶片、飞机起落装置）的疲劳损伤。许多合金相变过程都能对正电子湮没参数产生明显的影响。因此，可以用PAT来确定合金相变的温度。因为正电子湮没

18、的寿命和湮没光子对的动量原则上与湮没处的电子密度和电子动量有关，因此，比较相变前后湮没参数，能得到不同相下材料微观结构特征的有关信息。用PAT研究过多种合金相变，例如有序无序转变、共析相变、马氏体相变、沉淀与时效现象等。湮没辐射的角关联测量原理：电子在湮没前，正电子已充分热化，其能量为0.01eV量级，动量近似看作零。这时若发生2湮没，那么两个0.511的Y光子是共线的，以相反方向发射。这个结论只是在正负电子湮没对的总动量为零时才成立。尽管正电子经热化后动量可以近似看作零，由于材料中自由电子的动能往往为几个eV，相应的动量不为零，所以湮没对的总动量不为零，于是湮没辐射方向的夹角不是180度,而是与180度相差一个角度如图所示。图中的失量分解中，P表示湮没对的动量，表示动量的纵向分量和表示湮没对动量的横向(垂直于光子的发射方向)分量。通常角作常小(1度，可以令。湮没后，两个光子的动量为和，按照动量守恒，有 通过动量与能量守恒关系，我们最终可得到由于角与材料中电子动量相联系，在某一方向上测量到的湮没事件的数目N（）表示了电子的动量分布，因此提供了材料中自由电子动量分布的信息，进而了解材料的性质。实验设计图：实验机理分析：用角关联装置测量的符台计数随的分布，称为一维角关联曲线。用横臂微分甄别器代替单道分析器可在较高