氚分析BIXS方法的深入研究

材料中氚的准确分析对能源研究、核技术应用等具有重要意义。本项目采用Monte Carlo模拟方法以及处理病态逆问题的Tikhonov正则化方法，深入研究在实际测量条件下，氚beta衰变的内韧致辐射、含氚样品表面粗糙度等对氚分析的beta射线诱发X射线谱方法（BIXS）测量结果的影响程度；讨论在实际测量条件下BIXS方法测量氚分布的深度分辨率；研究氚衰变beta电子与BIXS方法中使用的Ar气相互作用产生的极化轫致辐射对BIXS方法分析结果的影响程度，以及讨论用合适的固体薄膜材料代替Ar气的可行性。建立BIXS实验测量装置，实际测量含氚样品的氚含量及深度分布，同时与增强质子背散射方法测量结果进行比较，检验我们改进后的BIXS方法的可靠性。最终发展和完善BIXS方法，使BIXS方法成为一种分析氚含量及深度分布的可靠方法，为国家的能源研究、核技术应用服务。

材料中氚含量的准确分析对能源研究、核技术应用等都具有重要意义。目前已发展了多种方法来进行各种情况下的氚含量分析，不同的方法各有其优缺点。β电子诱发X射线谱方法（BIXS）是基于测量含氚材料中氚β衰变产生的β电子与材料相互作用产生的特征X射线和韧致辐射来进行氚分析。该方法具有一些独特的优点，例如，它是一种方便的非破坏性定量测量方法，可用于固体、液体等材料的原位测量，分析深度大等。虽然BIXS方法已经开始在实际中应用，但是该方法本身还有许多需要研究和改进的地方。针对BIXS方法，本项目开展的主要研究工作和取得的成果如下：1. 采用Monte Carlo方法和实验测量，研究了BIXS装置几何参数误差对氚测量结果的影响。研究结果表明，在我们的测量条件下，当探测器与样品的距离误差有1 mm时，将给测量的氚总量带来约10%的误差，同时也会较大地影响测得的氚深度分布形状。因此，确保BIXS装置几何尺寸的准确性具有重要意义。2. 基于并行Monte Carlo模拟计算和Tikhonov正则化反演算法，实现了对氚钛样品的实际BIXS测量，测得的氚含量在5%左右与传统的PVT方法结果相符。我们第一次将氚β衰变的内韧致辐射贡献考虑在BIXS方法的实际应用中。3. 采用解析算法的SIMNRA程序和Monte Carlo方法的CORTEO程序对氚分析的EPBS方法开展了实验研究，特别是针对氚信号出现的EPBS谱的低能部分，研究表明必须在多重和多次散射效应得到很好描述的情况下才能进行准确的氚分析。4. 采用改进的实验装置和数据分析方法，开展了理论计算的keV能区电子碰撞特征X射线产额和韧致辐射产额与实验结果的比较研究，发现理论结果与实验数据符合很好，这是BIXS方法准确性和实际应用的重要基础。5. 基于Monte Carlo模拟计算和正则化反演算法，研究了在BIXS方法中采用金属薄膜材料代替Ar气作为氚β射线阻挡层的可行性，结果表明，在Al、Ar、Au三种材料中，Al是BIXS技术最理想的β射线阻挡层。6. 完成了新BIXS装置的设计和加工，利用新BIXS装置在充Ar气和抽真空加Al膜两种状态下对四块含氚钛薄膜样品进行了BIXS测量，目前对BIXS实验数据的分析表明，在Al膜状态下测得的样品氚含量与EPBS测得的氚含量更为符合，充Ar气状态下测得的氚含量比Al膜状态下测得的氚含量高约10%。