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研究生： 宋敬之
論文名稱： 以核反應法分析真空中水氣吸附量之研究
Quantitation of Water Molecules Adsorbed on Aluminum Surface by Nuclear Reaction Analysis
指導教授： 羅建苗
陳俊榮
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 原子科學院 - 生醫工程與環境科學系
Department of Biomedical Engineering and Environmental Sciences
論文出版年： 2010
畢業學年度： 98
語文別： 中文
論文頁數： 108
中文關鍵詞： 核反應分析法 、深度解析度 、水分子
外文關鍵詞： NRA, depth resolution, water molecules
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    • 摘要
    本論文利用1H(19F, αγ)16O核反應分析法探討吸附於鋁合金表面的水氣含量。其中包含分析過程中二次電子對離子電流量測所造成的影響，低真空狀態時樣品表面水氣含量隨時間之變化，以及此方法之深度解析度。
    在入射離子束電流測量上，本實驗藉由施加不同的偏壓，在氣壓分別為2×10-6mbar，0.1mbar，0.4mbar及1mbar條件下，分析各種來源的二次電子對量測上所產生的影響，並推算出入射離子電流。實驗結果發現離子束引出管施加正偏壓可有效吸引空間中的二次電子，而在上述之氣壓條件下所對應的入射離子電流分別為100±10nA，75±112nA，60±300nA，45±265nA，其中，除了氣壓為2×10-6mbar外，入射離子電流數值的誤差度偏高，可能是來自氣體密度過高，相關之反應複雜所致，在二次電子源之分類及定量測量上，準確度待加強。
    從水氣吸附量與深度解析度之實驗結果，發現在開始抽氣後570秒時，樣品表面約含有4±0.4層水分子之含量；而在抽氣至1290秒時，約含有3±0.3層水分子之含量。並且在抽氣時間大於10小時，氣壓為2×10-6mbar下，鋁合金表面的水分子分佈於厚度約38nm之表層內，而此分析方法的深度解析度為18 nm。

    目錄 中文摘要--------------------------------------------------------------------------- i 英文摘要----------------------------------------------------------------------- ii 誌謝------------------------------------------------------------------------------ iii 目錄----------------------------------------------------------------------------- iv 表目錄-------------------------------------------------------------------------- viii 圖目錄-------------------------------------------------------------------------- ix 第一章、 引言----------------------------------------------------------1 第二章、 原理與文獻回顧---------------------------------------------6 2.1. 氣體的吸附與脫附現象--------------------------------------6 2.2. 絕熱膨脹--------------------------------------------------------7 2.3. 核反應分析法原理--------------------------------------------9 2.4. 差分抽氣--------------------------------------------------------12 2.5. 離子束撞擊氣體過程中的游離現象及能量損失--------13 第三章、 實驗系統與方法-----------------------------------------17 3.1. 實驗系統------------------------------------------------------17 3.1.1. 串極式靜電加速器----------------------------17 3.1.2. 差分抽氣系統---------------------------------------22 3.1.3. 主分析腔-----------------------------------------25 3.1.4. 伽瑪射線偵檢系統-----------------------------25 3.2. 實驗用樣品-----------------------------------------------26 3.2.1. 聚醯亞胺標準試片----------------------------26 3.2.2. 鋁合金樣品------------------------------------------27 3.3. 基本實驗參數之測量與調整--------------------------------28 3.3.1. 離子束產生與傳輸調整---------------------------28 3.3.2. 核反應能量及偵測效率參數之校正--------29 第四章、 實驗步驟與結果------------------------------------------------31 4.1. 離子電流量測------------------------------------------------31 4.1.1. 離子電流測量步驟------------------------------31 4.1.2. 電流量測結果------------------------------------32 4.2. 水氣吸附量與時間關係------------------------------33 4.2.1. 水氣吸附量與時間關係量測步驟------------33 4.2.2. 水氣吸附量與時間關係量測結果---------34 4.2.3. 量測系統常數K值------------------------------35 4.3. 鋁合金表面氫原子含量深度分布量測---------------35 4.3.1. 氫原子含量深度分布量測步驟---------------36 4.3.2. 氫原子含量深度分布量測結果---------------36 第五章、 討論------------------------------------------------------------------37 5.1.鋁合金表面的氫原子含量------------------------------------37 5.1.1計數值與氫原子含量的轉換-------------------37 5.1.2水氣吸附量與時間的關係----------------------40 5.2.氫原子的深度分布---------------------------------------------42 5.2.1.γ射線計數值與氫原子含量的轉換---------42 5.2.2.入射能量與反應深度轉換----------------------43 5.2.3.深度解析度----------------------------------------44 5.2.4. 氫原子深度分布與總含量--------------------45 5.3.離子電流量測---------------------------------------------------47 5.3.1.電流源種類與電流平衡模型-------------------47 5.3.2. 樣品及引出管加偏壓下的電流模型--------48 5.3.3. 不同氣壓下各種電流的推算-----------------50 5.3.4.電流平衡模型係數討論-------------------------56 5.3.5.入射離子電流與氣壓的關係-------------------57 5.3.6.樣品被離子束撞濺出的二次電子與氣壓關係--------------------------------------------------------58 5.3.7.電流誤差討論-------------------------------------59 5.3.8.引出管B段加偏壓的影響----------------------59 第六章、 結論--------------------------------------------------------------------61 參考文獻--------------------------------------------------------------------------64 附表--------------------------------------------------------------------------------68 附圖--------------------------------------------------------------------------------78 表目錄 表2-1、核反應特性表-------------------------------------------------------68 表 2-2、常見氣體γ值-------------------------------------------------------69 表 2-3、各種靶材的總阻擋本領-------------------------------------------70 表 3-1、離子束能量與終端電壓及磁場強度對應值---------------71 表 4-1、各氣壓與量測IS、IA、IB電流的關係----------------72 表 4 -2、離子束能量與終端電壓及磁場強度對應值--------------------73 表 5-1、氣壓在2×10-6mbar下的各電流估算-------------------74 表 5-2、氣壓在0.1mbar下的各電流估算-----------------------75 表 5-3、氣壓在0.4mbar下的各電流估算--------------------76 表 5-4、氣壓在1mbar下的各電流估算------------------------77 圖目錄 圖 2-1、物理吸附與化學吸附位能曲線示意圖---------------------------78 圖 2-2、水氣凝結量與曝水量關係圖---------------------------------------79 圖 2-3、差分抽氣原理示意圖------------------------------------------------80 圖 2-4、典型抽氣過程中氣壓與時間的變化曲線圖----------------------81 圖 2-5、離子束能量與阻擋本領關係圖------------------------------------82 圖 3-1、清華大學串級加速器平面圖---------------------------------------83 圖 3-2、正銫離子濺射離子源------------------------------------------------84 圖 3-3、射束位置偵測器示意圖---------------------------------------------85 圖 3-4、法拉第杯---------------------------------------------------------------86 圖 3-5、高壓鋼桶----------------------------------------------------------------87 圖 3-6、串級加速器充電系統------------------------------------------------88 圖 3-7、電荷剝離器------------------------------------------------------------89 圖 3-8、差分抽氣系統圖------------------------------------------------------90 圖 3-9、實驗分析腔------------------------------------------------------------91 圖 3-10、離子束引出管--------------------------------------------------------92 圖 3-11、伽瑪射線偵檢系統--------------------------------------------------93 圖 3-12、化學清洗流程--------------------------------------------------------94 圖 3-13、能量校正與伽瑪射線產量關係圖--------------------------------95 圖 3-14、聚醯亞胺薄膜靶材實驗能譜圖-----------------------------------96 圖 4-1、氣壓為2×10-6mbar下的各種偏壓的量測電流值---------------97 圖 4-2、氣壓為0.1mbar下的各種偏壓的量測電流值--------------------98 圖 4-3、氣壓為0.4mbar下的各種偏壓的量測電流值-------------------99 圖 4-4、氣壓為1mbar下的各種偏壓的量測電流值---------------------100 圖 4-5、抽氣時間與計數值Y的關係圖-----------------------------------101 圖 4-6、抽氣時間與氣壓關係圖-------------------------------------------102 圖 4-7、鋁合金樣品的計數值Y 對能量圖-------------------------------103 圖 5-1、抽氣時間與氫原子含量關係圖-----------------------------------104 圖 5-2、抽氣時間與氫原子含量關係圖(熱釋氣系統) ----------------105 圖 5-3、鋁合金樣品的氫原子含量對能量圖-----------------------------106 圖 5-4、鋁合金樣品的氫原子含量對深度圖-----------------------------107 圖 5-5、離子束撞擊樣品表面過程示意圖-------------------------------108

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