A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 1

Interazioni non-coulombiane e reazioni nucleari

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 2

La distanza di minimo avvicinamento e la barriera coulombiana

E =

1

2M

av

0

2 =V (d) =Z

1Z

2e2

d

R =(1.4 ×10−5 )A1/ 3  Å :stima del raggio nucleare

d > R

MaMa

MX

Ione incidente Ione diffuso

Nucleo bersaglio

Nucleo di rinculo

X(a,a)X

Diffusione elastica: E

k

in =Ek

out

d < R

MaMb

MX

Ione incidente Ione diffuso

Nucleo bersaglio

Nucleo residuo

X(a,b)Y

Reazione nucleare: E

k

in ≠Ek

out

MY

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 3

Formazione del nucleo composto

a+X b+Y X(a, b)Y

a+X (a+X)* b+Y

b0

b1

b2

bn

(a+X)*

Y

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 4

Conservazione dell’ energia relativistica

X(a,b)Y: X +a +Q → Y +b E

k(X ) +M

xc2 +E

k(a) +M

ac2 =E

k(Y ) +M

Yc2 +E

k(b) +M

bc2

Q = E

k(Y ) +E

k(b)( ) − E

k(X ) +E

k(a)( ) = M

x+M

a( )c2 − M

Y+M

b( )c2

Energia a riposo: M c2

X(a,a)X: X +a→ X +a Q =0 Interazione elasticaX=Ya=b

M

X+M

a> M

Y+M

b Q > 0 Reazione nucleare esotermica

M

X+M

a< M

Y+M

b Q < 0 Reazione nucleare endotermica

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 5

Esempio: la rivelazione dell’ Ossigeno

16O(d, p) 17O

12d +

8

16O →9

18F →8

17O +1

1p

Q =(M

d+M

16O)c2 −(M

p+M

17O)c2 =1.955 MeV

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 6

Reazioni nucleari con ioni leggeri

Nucleo Reazione Eo(MeV) E( MeV)2H 2H(d,p)3H 1 2.32H 2H(3He,p)4He 0.7 13

3He 3He(d,p)4He 0.45 13.66Li 6Li(d,α)4He 0.7 9.77Li 7 ( ,Li p α)4He 1.5 7.79Be 9 ( ,Be dα)7Li 0.6 4.111B 11 ( ,B pα)8Be 0.65 5.5712C 12 ( , )C d p 13C 1.2 3.113C 13 ( , )C d p 14C 0.64 5.814N 14 ( ,N d α)12C 1.5 9.915N 15 ( ,N p α)12C 0.8 3.916O 16 ( , )O d p 17O 0.9 2.418O 18 ( ,O pα)15N 0.73 3.419F 19 ( ,F p α)16O 0.592 2.23827Al 27 ( ,Al p)28Si .992 10.7831P 31 ( ,P p α)28Si 1.514 2.734

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 7

Studi di impoverimento superficiale di Li

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 8

Esempio: la rivelazione dell’ Azoto e dell’ Ossigeno

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 9

Esempio: la rivelazione dell’ Azoto e dell’ Ossigeno

Proton spectrum recorded at 0.61 MeV for a TiNxOy/Si sample (1.67 X 1017 14N/cm2 and 7.7X 1016 160/cm2). The oxygen to nitrogen concentration ratio is 0.46.

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 10

La sezione d’ urto per la reazione 16O(d,p0)17O

Measured cross-section for the 160(d, p0)170 reaction.

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 11

La sezione d’ urto per la reazione 14N(d,p5)15N

Measured cross-section for the 14N(d,p5)15N reaction

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 12

Deviazioni dalla sezione d’ urto di Rutherford

16O(α, α)16O

Effetti di interazioni non coulombiane

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 13

Il “Backscattering risonante” r-RBS

5.75 MeV He rBS spectrum of the Au/C/Ag calibration target.

M. Berti et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 143 (1998) 357-370

12C(α, α)12C

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 14

La sezione d’ urto della reazione 12C(α, α)12C

Measured ratio of the C cross-section value with respect to the Rutherford one (R(E)), as a function of the mean energy in the C foil

M. Berti et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 143 (1998) 357-370

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 15

Spettro RBS in condizioni di non risonanza

3 MeV RBS spectrum of the SiGeC sample #254. The dashed line is the RBS computer simulation of the spectrum.

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 16

Spettro RBS in condizioni di risonanza

rBS spectrum of sample #254 obtained with a 5.72 MeV He beam, superposed to the corresponding spectrum of a Si sample.

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 17

Il segnale del Carbonio

Expanded view of the C energy region of the previous spectra

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 18

Uso di reazioni nucleari risonanti

E = ER

E > ER

15N

(4.4 MeV)

(4.4 MeV)

ER = 6.485 MeV

= 3.5 keV larghezza della risonanza

H(15N ,α ) 12C

E

R=E −

dE

dxdx

0

z

∫

Misura del profilo di concentrazione di Idrogeno

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 19

Profili di Idrogeno in LiNbO3

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 20

La rivelazione dei nuclei di rinculo

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 21

Elastic Recoil Detection - “ERD”

M1

M1

M2M2

θ

φEo

E1

E0=1

2M

1v

0

2 =1

2M

1v1

2 +1

2M

2v2

2

M1v

0=M

1v1cosϑ +M

2v2cosϕ

0 =M1v1sinϑ −M

2v2sinϕ

⎧

⎨

⎪⎪

⎩

⎪⎪

v2

v0

=4M

1M

2cos2 ϕ

(M1+M

2)2

E2

E0

=4M

1M

2cos2 ϕ

(M1+M

2)2

=KERD

(M1,M

2,ϕ )

per M1>M2

σ(Z2,E

0,φ) =

Z1Z

2e2 (M

1+M

2)

2M1E

0

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟

1

cos3 φ

Nell’ ipotesi di interazione puramente coulombiana

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 22

La costante elastica di “recoil”

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 20 40 60 80 100

K

M2

K(He,10°)

K(He,45°)

K(Si,10°)

K(Si,45°)

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 23

Costante k e sezione d’ urto

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100

Particle: SiE = 12 MeV

phi = 10°K

sigma

K sigma (barn)

Z

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 24

Misure di diffusione di Deuterio in materiale organico

4He++ ion beam

Eo = 3.0 MeV

forward scattered4He++ ions

recoil 1H and 2Hnuclei

mylar foil(adsorber)

deuterated sample

detector

φ

A.Carnera Scienza delle Superfici (Mod. B) 2005 25

Studio di impoverimento superficiale di Li