一台新建的核探针及其应用

　　引言

　　核探针(又名扫描质子微探针)的概念是源于扫描电子微探针。由于质子产生的物致辐射本底比电子产生的要低上千倍，作为X射线分析工具(PIXE)，它的检测限比用电子低得多。它具有微米级的空间分辨率，又有百万分之几的分析灵敏度。质子的穿透性比电子大，它不仅具有分析.试样表面的特性，而且能够提供表面下的深部信息。由于质子的弥散比电子小，在试样深部它仍能保持良好的空间分辨率。再加上核探针在微区内综合使用质子激发X射线荧光分析、核反应分析、弹性反冲分析、卢瑟福背散射和沟道效应等多种核效应，使一次分析能同时获得微区结构的多种信息。因此，核探针已成为许多先进科技领域中越益重要的手段。

　　核探针技术源于西欧，当时主要用于生物和医学的研究。目前，全世界约有核探针50台[1j气大部分集中于西欧、北美和日本，其应用领域已扩大到材料科学和地球科学等。例如日本在两年，中新建的八台核探针全部用于微电子材料的研究中，在美国、加拿大、法国和澳大利亚等国分别建立了主要应用于地球科学研究的核探针，它们掌握在地球科学家手中，每年分析数以万计的试样[2]，并且吸引着包括中国在内的各国地质科学家前去工作。由于核探针在地球化学、矿物学、痕量元素地温计和地压计、痕量元素指纹学、流体包裹体学、环带矿物、微生物古化石和陨石研究等方面发挥了重要的作用，在最近一次核探针国际会议上，人们预言:核探针的广泛应用将引起地球科学分析技术的一场革命图。为了适应我国经济发展，以及在高科技有关领域内赶上世界先进水平，中国科学院决定在上海原子核所建造核探针。经过三年努力，一台具有世界先进水平的长焦距核探针已全部建成。它吸引了国内外科学家的关注，在生命科学、材料科学和地球科学等领域，已开展了一些初步的应用。

　　核探针使用的激发手段是用能量0.5到几兆电子伏的带电粒子(质子或氦核等)，它们由一台静电加速器产生。由于要使用加速器，使核探针的推广受到限制;但是，这类小型静电加速器在我国已相当普遍(约20台)，加上束流聚焦系统和一些附属设备，便可以构成一台核探针，它的投资并不比建造一台电子探针贵多少。上海这台核探针的建成和应用，为推动我国核探针技术的发展提供了一个示范。

　　核探针的构造和特点

　　与电子相比，质子运动惯性很大，需要使用高强度四极透镜才能使其聚焦。由于四极透镜的聚焦特性是非旋转对称的，因而至少要两个四极透镜才能构成一个对称的聚焦透镜组。目前有两、三和四组合四极透镜三种结构，它们都能达到1微米左右的聚焦点，其中以四组合最佳，因为它的对称性好、象差小、调节容易。四极透镜焦距越长，透镜的“景深”越好，对于表面起伏的样品和在大范围内扫描时，仍能达到良好的聚焦;透镜和试样之间的工作距离越大，聚焦后微束的发散角越小，有利于深度分布的研究。上海这台核探针是采用长焦距四组合的透镜系统，图1表示它的整体结构。