El análisis de reacción nuclear (NRA) es un método nuclear de espectroscopia nuclear en la ciencia de materiales para obtener distribuciones de concentración versus profundidad para ciertos elementos químicos objetivo en una película delgada sólida. [1]
Si se irradian con núcleos de proyectil seleccionados a energías cinéticas E kin , los elementos químicos sólidos de película delgada objetivo pueden sufrir una reacción nuclear en condiciones de resonancia para una energía de resonancia claramente definida. El producto de la reacción suele ser un núcleo en estado excitado que desintegra inmediatamente emitiendo radiación ionizante .
Para obtener información de profundidad se debe conocer la energía cinética inicial del núcleo del proyectil (que debe exceder 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 deben disminuir su velocidad 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).
Por ejemplo, una reacción comúnmente utilizada para perfilar el hidrógeno con un haz de iones energético de 15 N es
con una fuerte resonancia en la sección transversal de reacción a 6,385 MeV de sólo 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 está dada por la famosa fórmula derivada por Lord Rutherford en 1911. Pero las secciones transversales no Rutherford (las llamadas EBS , elásticas La 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 1 H( 15 N,αγ) 12 C (o incluso la reacción inversa 15 N(p,αγ) 12 C ), el rayo γ energético emitido es característico de la reacción y el número que se detecta con cualquier energía incidente. es proporcional a la concentración de hidrógeno en la profundidad respectiva de la muestra. Debido al estrecho pico 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 sencillamente variando la energía del haz incidente de 15 N.
El hidrógeno es un elemento inaccesible a la espectrometría de retrodispersión de Rutherford, ya que nada puede retrodispersarse del H (¡ya que todos los átomos son más pesados que el hidrógeno!). Pero a menudo se analiza mediante detección de retroceso elástico .
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
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]