EPBS方法分析含氘/氚鈦膜及與PVT法的比較

陳 浩, 安 竹, 劉慢天, 丁 偉

(1. 四川大學原子核科學技術研究所 輻射物理及技術教育部重點實驗室, 成都 610064；2. 中國工程物理研究院 核物理與化學研究所, 綿陽 621900)

1 引 言

氚及其化合物在核能與核技術等許多領域都得到了廣泛的應用. 氚可以作為聚變反應堆的燃料和中子發生器的靶材料, 在農業與醫學中用作同位素示蹤劑等, 因此精確分析材料中的氚含量及其深度分布具有重要的意義. 目前氚分析的方法有多種, 每種分析方法都各有優缺點[1]. 盧瑟福背散射分析方法(Rutherford Backscattering Spectrometry, RBS)[2]是一種粒子束分析方法, 被廣泛應用于材料分析中. 常規的盧瑟福背散射方法適合于分析輕元素基底中的重元素, 增強質子背散射方法(Enhanced Proton Backscattering Spectrometry, EPBS)[3]使用高能質子束替代RBS方法中的α粒子, 高能質子能夠突破氘(D)、氚(T)、氦(He)等輕元素的庫侖勢壘, 發生核勢散射, 從而大大增加輕元素(如T、D)的反應截面, 增加背散射過程中對輕元素的分析靈敏度. 本文使用2 MeV的質子完成EPBS實驗, 分析含氚及含氘與氚鈦樣品中氚/氘的含量與深度分布, 并將所獲得的氚總含量與PVT方法所得結果進行比較. EPBS實驗能譜使用SIMNRA軟件[4]進行模擬分析. 在EPBS實驗中, 由于質子在樣品的Mo襯底中多次散射等因素的影響, 在EPBS實驗能譜低能端D與T信號出現的區域, Mo的實驗譜與擬合譜差異較大[5-6], 會導致分析的結果不準確. 若能將EPBS實驗譜中的Mo譜扣除, 直接擬合D和T的實驗譜, 便可以消除Mo本底對模擬結果的影響. 本文使用一個Mo襯底TiH1.81樣品來扣除實驗樣品EPBS譜中的Mo本底信號, 得到樣品中D和T的含量與深度分布, 并將所得結果與PVT方法所得結果進行比較.

2 實驗樣品與實驗過程

2.1 樣品制備

本次實驗制備了7個鈦膜樣品, 使用1 mm厚的Mo材料作為襯底, 通過蒸發鍍膜法制得直徑為16 mm的圓形Ti膜, 使用稱量法測得Ti膜的質量, 用鈦膜的質量除以鈦膜的面積與鈦膜的密度, 可得到鈦膜的厚度, 使用此方法計算出的Ti膜厚度大約為5 μm. 使用EPBS方法也可以測量出Ti膜的厚度, 測量結果在表1中給出, 誤差為5%左右, 兩種方法得到的厚度值符合很好. 制備好Ti膜后, 3塊鈦膜用于吸收氚氣體, 3塊用于吸收氘氚混合氣體, 1塊用于吸收氫氣. 使用此方法制得了實驗所用的7個樣品. 根據測量吸收氣體前后氣體的壓強變化, 可以使用PVT法計算出樣品所吸收的氫同位素的含量. 樣品信息如表1所示.

2.2 實驗過程

本次EPBS實驗在四川大學原子核科學技術研究所的范德格拉夫靜電加速器上進行. 入射質子束的能量為2 MeV, 束斑直徑大小約為2 mm, 束流方向與靶表面垂直, 使用的探測器為Au(Si)面壘探測器, 并放置在與束流同一水平面內, 與束流方向夾角為165°, 靶室的真空度為2×10-4Pa, 死時間控制在2%～4%左右, 實驗過程中, 使用了BUSY與PUR信號.

表1 樣品信息. Ti-EPBS表示用EPBS方法測量所得的Ti膜厚度, 樣品24#中H/Ti比值為1.81

Tab.1 Sample information. The sample thickness measured by EPBS is denoted as Ti-EPBS and the ratio H to Ti in sample 24# is 1.81

樣品編號Ti膜層厚度/μmTiTi-EPBST/GBqT/Ti(D+T)/Ti制備日期18#4.514.63102.331.111.812017050419#4.714.52104.561.081.812017050420#4.544.5899.571.071.812017050421#4.504.54157.611.71—2017050422#4.544.66158.881.71—2017050423#4.494.41159.081.73—2017050424#4.604.44———20170504

3 結果與討論

3.1 扣除Mo本底產額

本次實驗能譜使用SIMNRA[4]軟件進行模擬分析, 模擬時, Ti膜被均分為5層, Dual scattering與Multiple scattering選項均選中, 阻止本領選用SRIM. 研究發現, 由于質子在基底Mo元素多次散射信號等因素的影響, 在EPBS能譜的低能端氘與氚信號出現的區域, Mo的擬合譜與實驗譜偏差較大[5-6], 會導致模擬結果不準確. 為了消除Mo襯底的影響, 使用了TiH1.81/Mo樣品(24#)來扣除EPBS實驗譜中的Mo本底產額. 扣除掉Mo本底產額后只剩下氘與氚的能譜, 此時可以直接模擬氘與氚的能譜. 使用SIMNRA程序, 比較了靶結構與實驗條件完全相同的條件下TiT/Mo與TiH/Mo的模擬譜, 其中Ti膜與Mo基底的厚度分別為5 μm和1 mm, H與Ti的比例和T與Ti的比例均為1.81(與24#樣品相同), 入射質子能量為2 MeV, 模擬計算結果如圖1所示.

從圖1可以看出, TiH樣品與TiT樣品的Ti譜和Mo譜吻合得很好, 所以樣品中T被替換成H不會對Mo和Ti的譜產生影響, 且24#樣品與表1所列出的其他樣品的Ti膜厚度差異微小, 也不會對D和T能譜區域內的Mo本底產額造成影響, 因此采用TiH/Mo扣除TiT/Mo的EPBS譜中的Mo本底產額是可行的. 扣除Mo本底產額的具體方法為：將TiH1.81樣品的EPBS實驗譜乘上一個常數, 使其歸一到各個含氚及含氘與氚樣品的EPBS實驗譜, 然后用含氚(或含氘氚)樣品的EPBS實驗譜減去歸一的TiH1.81實驗譜, 剩下的就是氘和氚的實驗譜.

圖1 TiT/Mo與TiH/Mo的模擬譜: (A)TiT/Mo與TiH/Mo的模擬譜; (B)TiT/Mo與TiH/Mo中的Mo模擬譜Fig.1 Simulation spectra of TiT and TiH samples with thick Mo substrates: (A) the total simulation spectra of the two samples; (B) the Mo simulation spectra of the two samples

圖2 21#樣品模擬結果: (A) 21#樣品原始實驗譜的模擬結果; (B)扣除Mo本底產額后直接模擬T的實驗譜的模擬結果Fig.2 Simulation results of sample 21#: (A) the original experimental spectrum of sample 21# and simulation result; (B) the experimental spectrum of sample 21# after subtracting Mo background yield and simulation result

3.2 含氚樣品的SIMNRA分析

使用3.1節中的方法扣除18#、19#和20#樣品EPBS實驗譜中的Mo本底產額, 可以得到T的實驗譜. 當入射粒子為2 MeV質子時, EPBS譜中只能夠觀測到約3 μm厚Ti膜內的T信號, 實驗中所使用的Ti膜厚度約為5 μm, 超過3 μm厚的Ti膜內的T信號不能直接通過模擬氚的實驗譜得到, 但是樣品中T/Ti的比值將直接影響EPBS譜中T信號與Ti信號的相對高度, 因此可以通過Ti信號來間接分析超過3 μm厚的Ti膜內的T的分布情況. 圖2為21#樣品的模擬結果.

從圖2中可以看出, 不扣除Mo信號時, 在能譜高能端, Ti信號與Mo信號擬合得很好, 但在低能端實驗譜與擬合譜的偏差較大；扣除Mo本底產額后直接模擬T譜, T的實驗譜可擬合得很好. 在圖2 (A)和(B)兩次模擬過程中, 靶結構完全相同, 結合這兩次模擬結果, 可以得到21#樣品中氚的含量及深度分布, 用同樣的方法, 可以得到樣品22#, 23#中氚的含量及深度分布, 圖3為幾種樣品中氚的深度分布圖.

圖3 由EPBS測量獲得的21#、22#和23#樣品中T的深度分布Fig. 3 Tritium depth profiles in samples 21#, 22# and 23# obtained by EPBS method

模擬中所使用的T(p,p)T反應截面來自于文獻[7], 誤差約為7.5%, 總氚含量的統計誤差低于0.1%, 每一層中氚含量的統計誤差低于1%. 從圖3可以看出, 樣品中T的含量逐層減少, 但總體上基本均勻分布.

3.3 含氘與氚樣品的SIMNRA分析

使用同樣的方法扣除樣品18#、19#和20#的EPBS實驗譜的Mo本底產額, 可以得到D和T的實驗譜. 當入射粒子為2 MeV質子時, 在EPBS譜中只能夠觀測到約1 μm厚Ti膜內的D信號[8]；實驗樣品厚約5 μm, 分析過程中, 樣品被平均分為5層, 每層厚約1 μm, 為了分析超過1 μm厚的Ti膜內的D深度分布情況, 在使用SIMNRA軟件模擬時, 每一層D與T的比例都設定為與第一層相同(假定在Ti膜中, D與T的擴散能力相同).

SIMNRA程序中沒有2 MeV質子入射情況下165°散射角D(p,p)D的反應截面, 我們的模擬中使用的D(p,p)D反應截面是基于復旦大學所發表的實驗結果[9]與IAEA網站所發布的ENDF/B-VII.1[10]數據庫. 文獻[9]中的入射質子能量范圍是1.8～3.2 MeV, ENDF/B-VII.1數據庫的入射質子能量范圍是0.5～3.6 MeV, 由于這兩個截面相互之間差異較大, 我們將ENDF/B-VII.1的理論截面歸一到文獻[9]的實驗結果之后用于我們的模擬分析. 文獻[9]中的D(p,p)D反應截面的實驗誤差作為我們模擬中所使用的D(p,p)D反應截面的誤差. 歸一化過程如圖4所示.

圖4 D(p,p)D反應截面Fig. 4 Cross-sections for D(p, p)D

圖5 18#樣品模擬結果: (A) 18#樣品的原始實驗譜模擬結果; (B)扣除Mo本底產額后直接模擬D與T的實驗譜的模擬結果Fig.5 Simulation results of sample 18#: (A) the original experimental spectrum of sample 18# and simulation result; (B) the experimental spectrum of sample 18# after subtracting Mo background yield and simulation result

圖5為18#樣品的模擬結果. 從圖5可見, 不扣除Mo信號時, 在能譜高能端, Ti信號與Mo信號擬合得很好, 但在能譜的低能端, 實驗譜與擬合譜偏差很大, 扣除Mo信號后直接模擬D和T的譜, D和T的實驗譜可擬合得很好. 在圖5(A)和(B)的兩次模擬過程中, 靶結構完全相同, 結合兩次模擬的結果, 可以得到18#樣品中D與T的含量與深度分布信息. 使用此方法同樣可得到18#、19#和20#樣品的D與T的含量與深度分布. 圖6為幾種樣品的D與T的深度分布圖.

圖6 由EPBS測量獲得的18#、19#和20#樣品中D與T的深度分布Fig.6 Tritium and deuterium depth profiles in samples 18#, 19# and 20# obtained by EPBS method

模擬中所使用的T(p,p)T和D(p,p)D截面誤差來自于文獻[7,9], 都為7.5%. 總氚含量的統計誤差低于0.1%, 每一層T含量的統計誤差在1%以內, 每一層D含量的統計誤差在1%～2%. 從圖6可以看出, 樣品中D與T的含量逐層減少, 但總體上基本均勻分布.

使用EPBS方法測得的含氚鈦樣品和含氘與氚鈦樣品中的氚總含量列于表2中, 表中同時也給出了PVT方法所測得的樣品中的氚總含量.

表2 EPBS方法與PVT方法測量所得的氚總含量

Tab.2 Total tritium contents obtained by EPBS method and PVT method

樣品編號氚總含量/GBqPVTEPBS18#102.3396.5719#104.5694.0620#99.5796.4521#157.61161.1722#158.88158.9723#159.08153.39

從表2可以看出, EPBS與PVT方法相比, 18#、19#與20#樣品中氚總含量的相差不超過10%, 21#、22#與23#樣品中氚的總含量的相差不超過5%.

4 結 論

本文使用EPBS方法測量了樣品中D與T的深度分布和T總含量, 實驗中使用了一個TiH1.81樣品用于扣除EPBS實驗譜中的Mo本底產額, 使測量結果更為精確, 并將EPBS方法測得的氚總含量與PVT方法所給的氚總含量進行了對比. 通過本文工作, 可得以下結論：(1)采用本文方法, 可成功扣除EPBS實驗譜中的Mo本底產額, 可以更精確的模擬D和T的能譜, 使得到的結果更為準確可靠; (2)使用EPBS方法測量得到的氚總含量與PVT方法結果在10%內符合; (3)使用EPBS方法測得了樣品中的D和T的深度分布, 結果表明D與T的深度分布由表及里逐層減少, 但總體上基本均勻.