[發明專利]氫氦同位素核散射截面的測量方法

在審

• 申請號: 201710052608.2
• 申請日: 2017-01-24
• 公開（公告）號: CN106770401A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 張宏亮;施立群;宿冉冉;韓志斌
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01N23/203
• 分類號: G01N23/203;G01N1/28
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司31200
• 代理人: 陸飛,陸尤

技術領域

本發明屬于氫氦同位素測量技術領域，具體涉及一種氫氦同位素核散射截面的測量方法。

背景技術

精確的測量材料中的氫氦同位素含量和深度分布在核能、儲氫儲氚材料、太陽能電池以及氫燃料電池等許多領域都有著極為重要的意義。在現有的幾種測量氫氦同位素的方法中，離子束分析方法（主要包括彈性反沖分析，質子背散射分析）由于其準確、高效同時對材料的宏觀機構無損的特點成為最優的測量方法之一。

為了通過離子束分析的方法測量材料中的氫氦同位素含量和深度分布，首先要知道離子束所對應核素與氫氦的平均微分散射截面，這是測量能夠準確進行的先決條件。

微分散射截面是一個靶原子將一個入射粒子散射到散射角θ方向的單位立體角中的幾率。當入射粒子與靶核之間的作用只有庫倫作用，此時的微分散射截面滿足盧瑟福散射截面公式，此時的截面可由公式計算得到；但當入射粒子的能量比較低或比較高時，此時兩者之間的作用將不僅是庫倫作用，核外電子的屏蔽作用或核力作用將有很大影響，此時的微分散射截面將大大偏離盧瑟福散射截面，這一現象對于靶核為輕元素如氫氦同位素等尤為顯著。此時需通過實驗測定具體入射粒子對特定靶核在一定能量范圍內的微分散射截面。

測量非盧瑟福微分散射截面通常采用以下公式：

(1.1)

其中，A為探測器探測到的散射粒子數，Q為入射粒子數，N為單位面積樣品中的靶原子數，是能量對應的平均微分散射截面，Ω則是探測器所張立體角，是探測器的探測效率。

由公式（1.1）可知，對于已知輕元素含量的薄膜靶而言，通過測量背散射能譜中某元素峰面積計數A，入射粒子數Q，結合探測器對靶的立體角Ω，探測器的探測效率以及靶原子面密度N，即可求得對應的微分散射截面。但是在實際的測量過程中，對這其中每個參數的確定都會產生比較大的誤差，其中峰面積計數A的確定通常存在著3%左右的統計誤差；而入射粒子數Q的確定一般方法采用法拉第筒等方法，這類方法則存在著5%左右的誤差；探測器立體角Ω的確定也存在著2%-5%的誤差；確定探測器的探測效率帶來的誤差通常小于1%，甚至可忽略不計。一些截面測量過程中采用的相對方法，可消除Ω和Q引起的誤差。

然而，對于氫或氦同位素在靶中的原子密度N的精確確定是一難題，通常會帶來較大誤差。 目前原子密度N的確定一般有以下幾種方法：(1)采用固定劑量的H或He粒子注入樣品，這時注入的劑量不會到達很高，因此計數率比較低，電子學噪聲以及本底輻射的影響較大，由此造成的N誤差在5%左右；(2)采用有固定比例氫同位素比例的有機材料，但在測量過程中因高能粒子的轟擊會使化學鍵斷裂，成分比例被破壞造成誤差，此時的誤差可以達到5%~8%。(3)有的采用對樣品中的一部分做熱釋放實驗確定其中的氫氦同位素含量，這種方法對環境真空及儀器定量都有較高的要求，而且在定量過程中誤差較大，有時甚至超過6%；(4)還有通過核反應分析的方法來確定面密度，這種方法本身就存在著統計誤差以及核反應截面誤差等，通?？偟恼`差也在5%左右。綜上，若所有參量都用實驗方法確定，保守估計，則截面測量結果的總誤差也會超過8%。

此外，為了能夠精確測量入射粒子束中原子核與氫氦的核散射截面，對截面測量所用的靶材料也有著嚴格的要求：（1）靶中必須要有盡可能高的氫或氦含量，這是為了提高探測效率同時減小電子學噪聲、宇宙本底輻射等對測量精度的影響；（2）靶中的氫或氦的含量要盡可能穩定，不能隨著測量時間的增加有較大變化；（3）在保證靶材料有一定的氫或氦含量時，靶材相對于入射粒子要盡可能薄，以減小粒子在靶中能量損失引起的測量誤差。

氫氦同位素核截面測量過程中的種種難題和挑戰給截面的精確測量帶來了很大的困擾，使得同一截面不同的測量方法帶來的測量誤差極大，有的測量結果之間甚至超過了100%的差別，這給離子束分析進一步應用于氫氦同位素的含量與深度分布測量造成嚴重的阻礙。

發明內容

基于以上在氫氦同位素等輕元素核散射截面測量中存在的問題，本發明提供一種可以有效減小測量過程中的誤差，大大提高測量精度的測量氫氦同位素核散射截面的方法。

本發明提供的測量氫氦同位素核散射截面的方法，具體步驟為：

步驟一、氫氦同位素核截面測量用靶的制備，具體的說是采用磁控濺射沉積（同時包括射頻磁控濺射以及直流磁控濺射）的方法制一種新型的薄膜復合靶，復合靶的組成主要包含三部分：薄膜襯底、富含被測量元素的薄膜層和覆蓋于富含被測量元素的薄膜之上的覆蓋層。