El análisis de reacción nuclear (NRA) es un método nuclear de espectroscopía nuclear en la ciencia de los materiales para obtener distribuciones de concentración versus profundidad para ciertos elementos químicos objetivo en una película delgada sólida. [1]
Mecanismo de NRA
Si se irradia con núcleos de proyectil seleccionados a energías cinéticas E kin , los elementos químicos de película delgada sólidos objetivo pueden sufrir una reacción nuclear en condiciones de resonancia para una energía de resonancia claramente definida. El producto de reacción suele ser un núcleo en estado excitado que se desintegra inmediatamente y emite radiación ionizante .
Para obtener información de profundidad, se debe conocer la energía cinética inicial del núcleo del proyectil (que debe superar la energía de resonancia) y su poder de frenado (pérdida de energía por distancia recorrida) en la muestra. Para contribuir a la reacción nuclear, los núcleos del proyectil tienen que ralentizarse en la muestra para alcanzar la energía de resonancia. Así, cada energía cinética inicial corresponde a una profundidad en la muestra donde ocurre la reacción (cuanto mayor es la energía, más profunda es la reacción).
Perfiles NRA de hidrógeno
Por ejemplo, una reacción de uso común para perfilar el hidrógeno con un haz de iones de 15 N enérgico es
con una fuerte resonancia en la sección transversal de la reacción a 6.385 MeV de solo 1.8 keV. [3] Dado que el ion 15 N incidente pierde energía a lo largo de su trayectoria en el material, debe tener una energía superior a la energía de resonancia para inducir la reacción nuclear con núcleos de hidrógeno más profundos en el objetivo.
Esta reacción generalmente se escribe 1 H ( 15 N, αγ) 12 C. [4] Es inelástica porque el valor Q no es cero (en este caso es 4.965 MeV). Las reacciones de retrodispersión de Rutherford (RBS) son elásticas (Q = 0), y la sección transversal de interacción (dispersión) σ dada por la famosa fórmula derivada por Lord Rutherford en 1911. Pero las secciones transversales que no son de Rutherford (las denominadas EBS , elásticas espectrometría de retrodispersión ) también puede ser resonante: por ejemplo, la reacción de 16 O (α, α) 16 O tiene una resonancia fuerte y muy útil a 3038,1 ± 1,3 keV. [5]
En la reacción de 1 H ( 15 N, αγ) 12 C (o de hecho la reacción inversa de 15 N (p, αγ) 12 C ), el rayo γ energético emitido es característico de la reacción y el número que se detecta a cualquier energía incidente es proporcional a la concentración de hidrógeno a la profundidad respectiva en la muestra. Debido al pico estrecho en la sección transversal de la reacción, principalmente los iones de la energía de resonancia experimentan una reacción nuclear. Por lo tanto, la información sobre la distribución del hidrógeno se puede obtener directamente variando la energía del haz incidente de 15 N.
El hidrógeno es un elemento inaccesible a Rutherford espectrometría de retrodispersión ya que nada puede realizar copias de dispersión de H (ya que todos los átomos son más pesados que el hidrógeno!). Pero a menudo se analiza mediante detección de retroceso elástico .
NRA no resonante
NRA también se puede utilizar de forma no resonante (por supuesto, RBS no es resonante). Por ejemplo, el deuterio se puede perfilar fácilmente con un haz de 3 He sin cambiar la energía incidente utilizando el
- 3 He + D = α + p + 18,353 MeV
reacción, generalmente escrita 2 H ( 3 He, p) α. La energía del protón rápido detectado depende de la profundidad del átomo de deuterio en la muestra. [6]
Ver también
Referencias
- ^ Brundle, C. Richard; Evans, Jr., Charles A .; Wilson, Shaun (1992). Enciclopedia de caracterización de materiales: superficies, interfaces, películas delgadas . pag. 680–694.
- ^ Ajzenberg-Selove, F. (1 de enero de 1990). "Niveles de energía de los núcleos ligeros A = 11-12". Física Nuclear A . 506 (1): 1-158. Código Bibliográfico : 1990NuPhA.506 .... 1A . doi : 10.1016 / 0375-9474 (90) 90271-M . ISSN 0375-9474 .
- ^ Wilde, Markus; Fukutani, Katsuyuki (1 de diciembre de 2014). "Detección de hidrógeno cerca de superficies e interfaces poco profundas con análisis de reacción nuclear resonante" . Informes de ciencia de superficie . 69 (4): 196–295. Código bibliográfico : 2014SurSR..69..196W . doi : 10.1016 / j.surfrep.2014.08.002 . ISSN 0167-5729 .
- ^ https://www.tandemlab.uu.se/infrastructure/Accelerators/pelletron/t1/
- ^ Colaux, JL; Terwagne, G .; Jeynes, C. (2015). "Sobre la calibración de voltaje rastreablemente precisa de aceleradores electrostáticos" (PDF) . Instrumentos Nucleares y Métodos B . 349 : 173-183. Código bibliográfico : 2015NIMPB.349..173C . doi : 10.1016 / j.nimb.2015.02.048 .
- ^ Payne, RS; Clough, AS; Murphy, P .; Mills, PJ (1989). "Uso de la reacción d (3He, p) 4He para estudiar la difusión de polímeros en polímeros fundidos". Instrumentos Nucleares y Métodos B . 42 (1): 130-134. Código Bibliográfico : 1989NIMPB..42..130P . doi : 10.1016 / 0168-583X (89) 90018-9 .
enlaces externos
- El OIEA alberga detalles de muchas reacciones conocidas en http://www-nds.iaea.org/ibandl/ .
- La energía liberada en las reacciones nucleares (el "valor Q") se puede calcular fácilmente (a partir de E = mc 2 ): consulte http://nucleardata.nuclear.lu.se/database/masses/ .
- NRA en el centro de microanálisis JSI en Ljubljana, Eslovenia