[发明专利]氢氦同位素核散射截面的测量方法

说明书

技术领域

本发明属于氢氦同位素测量技术领域，具体涉及一种氢氦同位素核散射截面的测量方法。

背景技术

精确的测量材料中的氢氦同位素含量和深度分布在核能、储氢储氚材料、太阳能电池以及氢燃料电池等许多领域都有着极为重要的意义。在现有的几种测量氢氦同位素的方法中，离子束分析方法（主要包括弹性反冲分析，质子背散射分析）由于其准确、高效同时对材料的宏观机构无损的特点成为最优的测量方法之一。

为了通过离子束分析的方法测量材料中的氢氦同位素含量和深度分布，首先要知道离子束所对应核素与氢氦的平均微分散射截面，这是测量能够准确进行的先决条件。

微分散射截面是一个靶原子将一个入射粒子散射到散射角θ方向的单位立体角中的几率。当入射粒子与靶核之间的作用只有库伦作用，此时的微分散射截面满足卢瑟福散射截面公式，此时的截面可由公式计算得到；但当入射粒子的能量比较低或比较高时，此时两者之间的作用将不仅是库伦作用，核外电子的屏蔽作用或核力作用将有很大影响，此时的微分散射截面将大大偏离卢瑟福散射截面，这一现象对于靶核为轻元素如氢氦同位素等尤为显著。此时需通过实验测定具体入射粒子对特定靶核在一定能量范围内的微分散射截面。

测量非卢瑟福微分散射截面通常采用以下公式：

(1.1)

其中，A为探测器探测到的散射粒子数，Q为入射粒子数，N为单位面积样品中的靶原子数，是能量对应的平均微分散射截面，Ω则是探测器所张立体角，是探测器的探测效率。

由公式（1.1）可知，对于已知轻元素含量的薄膜靶而言，通过测量背散射能谱中某元素峰面积计数A，入射粒子数Q，结合探测器对靶的立体角Ω，探测器的探测效率以及靶原子面密度N，即可求得对应的微分散射截面。但是在实际的测量过程中，对这其中每个参数的确定都会产生比较大的误差，其中峰面积计数A的确定通常存在着3%左右的统计误差；而入射粒子数Q的确定一般方法采用法拉第筒等方法，这类方法则存在着5%左右的误差；探测器立体角Ω的确定也存在着2%-5%的误差；确定探测器的探测效率带来的误差通常小于1%，甚至可忽略不计。一些截面测量过程中采用的相对方法，可消除Ω和Q引起的误差。

然而，对于氢或氦同位素在靶中的原子密度N的精确确定是一难题，通常会带来较大误差。 目前原子密度N的确定一般有以下几种方法：(1)采用固定剂量的H或He粒子注入样品，这时注入的剂量不会到达很高，因此计数率比较低，电子学噪声以及本底辐射的影响较大，由此造成的N误差在5%左右；(2)采用有固定比例氢同位素比例的有机材料，但在测量过程中因高能粒子的轰击会使化学键断裂，成分比例被破坏造成误差，此时的误差可以达到5%~8%。(3)有的采用对样品中的一部分做热释放实验确定其中的氢氦同位素含量，这种方法对环境真空及仪器定量都有较高的要求，而且在定量过程中误差较大，有时甚至超过6%；(4)还有通过核反应分析的方法来确定面密度，这种方法本身就存在着统计误差以及核反应截面误差等，通常总的误差也在5%左右。综上，若所有参量都用实验方法确定，保守估计，则截面测量结果的总误差也会超过8%。

此外，为了能够精确测量入射粒子束中原子核与氢氦的核散射截面，对截面测量所用的靶材料也有着严格的要求：（1）靶中必须要有尽可能高的氢或氦含量，这是为了提高探测效率同时减小电子学噪声、宇宙本底辐射等对测量精度的影响；（2）靶中的氢或氦的含量要尽可能稳定，不能随着测量时间的增加有较大变化；（3）在保证靶材料有一定的氢或氦含量时，靶材相对于入射粒子要尽可能薄，以减小粒子在靶中能量损失引起的测量误差。

氢氦同位素核截面测量过程中的种种难题和挑战给截面的精确测量带来了很大的困扰，使得同一截面不同的测量方法带来的测量误差极大，有的测量结果之间甚至超过了100%的差别，这给离子束分析进一步应用于氢氦同位素的含量与深度分布测量造成严重的阻碍。

发明内容

基于以上在氢氦同位素等轻元素核散射截面测量中存在的问题，本发明提供一种可以有效减小测量过程中的误差，大大提高测量精度的测量氢氦同位素核散射截面的方法。

本发明提供的测量氢氦同位素核散射截面的方法，具体步骤为：

步骤一、氢氦同位素核截面测量用靶的制备，具体的说是采用磁控溅射沉积（同时包括射频磁控溅射以及直流磁控溅射）的方法制一种新型的薄膜复合靶，复合靶的组成主要包含三部分：薄膜衬底、富含被测量元素的薄膜层和覆盖于富含被测量元素的薄膜之上的覆盖层。