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1、王广甫 E-mail: guangfu_w 电话: 62208271,卢瑟福背散射分析 Rutherford Backscattering Spectrometry （RBS）,现代物理实验之,参考书目,核分析技术 赵国庆等，1989年，原子能出版社 离子束分析 杨福家 1985版 原子核物理实验方法（下） 复旦等 1985版 粒子同固体物质相互作用（上）王广厚 1988 背散射朱唯干 1981版,内容:,一、引言 二、RBS分析原理 三、RBS实验装置 四、RBS应用 五、总结 六、实验安排,一、引言,1、离子与物体的相互作用 2、常见离子束分析方法 3、RBS分析及其特点 4、RBS的发展
2、,电子为工具：扫描电子显微镜（SEM） 透射电子显微镜（TEM） 低能电子电子衍射（LEED） 中子为工具：中子衍射 中子活化分析（NAA） . 离子为工具：？,1、离子与固体的相互作用,THE ATOMIC ELECTRONS and/or THE ATOMIC NUCLEI,In its passage through matter, an ion may interact with,The interaction of an ion with an atomic electron is purely Coulomb (i.e. interaction governed by the Co
3、ulombs law).,An ionized/excited atom will eventually return to its ground state, accompanied by the emission of one or more x-rays/photons.,An electron ejected from its atomic orbit is called a secondary electron. It may further ionize or excite another atom, resulting in the emission of more x-rays
4、/photons. An secondary electron may also be decelerated by the coulomb field of a nucleus, losing part or all its energy in form of bremsstrahlung (braking radiation).,二次电子和轫致辐射,The interaction of an ion with an atomic nucleus can be,COULOMB ELASTIC SCATTERING COULOMB INELASTIC COLLISION COULOMB EXC
5、ITATION NUCLEAR INELASTIC SCATTERING NUCLEAR TRANSFORMATION,离子与原子核相互作用,离子与固体相互作用小结： 离子与核外电子作用： 电离，激发 离子与原子核相互作用， 库仑相互作用，核相互作用,离子束分析作用机制图,次级离子质谱 Secondary Ion Mass Spectrometry(SIMS),俄歇电子谱 Auger Electron Spectrometry(AES),粒子诱发X射线荧光分析 Particle Induced X-ray Emission(PIXE),核反应分析 Nuclear Reaction Analys
6、is(NRA),卢瑟福背散射分析 Rutherford Backscattering Spectrometry(RBS),离子-原子作用范畴,离子-原子核作用范畴,弹性反冲分析 Elastic Recoil Detection(ERD),2、常见离子束分析方法,离子与固体的相互作用及常见离子束分析方法 电离：产生俄歇电子俄歇电子能谱（AES） 产生特征X射线质子荧光分析(PIXE) 散射背散射分析(RBS)，质子弹性散射分析 （PESA） 沟道效应离子沟道（IC） 反冲弹性反冲分析（ERD） 核反应核反应分析(NRA) 透射扫描透射离子显微镜（STIM）,一、 引言,背散射分析就是在一束单能的
7、质子、粒子或其他重离子束轰击固体表面时,通过探测卢瑟福背散射（弹性、散射角大于90度）离子的能量分布（能谱）和产额确定样品中元素的种类（质量数）、含量及深度分布。因此背散射分析通常被称为卢瑟福背散射谱学RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry).,3、RBS分析及其特点,特点：,RBS分析及其特点,4、背散射分析的发展,1909年，盖革（H. Geiger）和马斯顿（E. Marsden）观察到了粒子散射实验现象,卢瑟福散射实验,Lord Ernest Rutherford,1911年，卢瑟福（Lord Ernest Rutherford）揭示了该
8、现象，并确立了原子的核式结构模型 1957年，茹宾（Rubin）首次利用质子和氘束分析收集在滤膜上的烟尘粒子的成份 1967年，美国的测量员5号空间飞船发回月球表面土壤的背散射分析结果,元素深度分布,内容:,一、引言 二、RBS分析原理 三、RBS实验装置 四、RBS应用 五、总结 六、实验安排,二、RBS分析原理 1、运动学因子和质量分辨率 2、散射截面和探测灵敏度 3、能量损失因子和深度分辨率 4、RBS能谱 5、能量歧离和探测器能量分辨率 对RBS能谱的影响,三个基本物理概念,二、 RBS分析原理,当入射离子能量远大于靶中原子的结合能(10ev量级),并低于与靶原子发生核反应的能量(一般
9、100kev/amu E 1Mev/amu)时,离子在固体中沿直线运动,入射离子主要通过与电子相互作用而损失能量,直到与原子核发生库仑碰撞被散射后又沿直线回到表面.在这个背散射过程中包含四个基本物理概念.它们是: 两体弹性碰撞的运动学因子K 微分散射截面 固体的阻止截面 能量歧离 这四个基本概念是背散射分析的理论基础和应用的出发点也是限制其应用的最终因素.,1、 运动学因子和质量分辨率,1）运动学因子 运动学因子的定义： K=E1/E0， 其中E0是入射粒子能量（动能），E1是散射粒子能量（动能）。,库仑散射是弹性散射 动能和动量守恒：,详细的推导参见王广厚-粒子同固体物质相互作用P102）,
10、可得：,由运动学因子公式可以看出：当入射离子种类（m），能量（E0）和探测角度（）一定时，E1与M成单值函数关系。所以，通过测量一定角度散射离子的能量就可以确定靶原子的质量数M。这就是背散射定性分析靶元素种类的基本原理。,M,M大，K大，E1大（相同E0）,注意：RBS适用于轻基体上重元素的分析，对重基体上轻元素不灵敏。,E1,2）质量分辨率,如E是RBS探测器系统的能量分辨率，也就是可分辨的背散射离子最小的能量差别。那么RBS的质量分辨率M为：,RBS质量分辨率: M是对样品中靶核质量差别的分辨能力。当一靶核质量数与另一靶核质量数M的差别小于M时RBS无法将这两种元素分辨开。,RBS质量分辨
11、率和以下因素有关： 探测器所在处的散射角 探测器能量分辨率E 入射离子种类m 入射离子能量E0 靶核质量数M,下面探讨这些因素对RBS质量分辨率的影响,探测器能量分辨率的影响,探测器能量分辨率越高，RBS质量分辨率越好。,增大，同样M下，K增大，M减小，质量分辨率提高。,K,对质量分辨率的影响,因此，卢瑟福背散射分析在实验安排上要使尽可能接近180度。因为越接近180度，RBS质量分辨率越高。,入射离子种类对质量分辨率的影响,因接近180度，令=-， 为一小量，且Mm，则对K因子公式求M的偏导数并化减得：,m增大，M 减小，RBS质量分辩提高。,注意： RBS常用的金硅面垒探测器的能量分辨率随
12、m增大变差，所以RBS一般选m为17。重离子做RBS时，可采用磁谱仪或飞行时间谱仪。,入射离子能量对RBS质量分辨率的影响,入射离子能量E0越高，RBS质量分辨率越好。但E0太高会产生非卢瑟福散射甚至核反应。一般：p 300KeV， 13MeV,M减小，M 减小，RBS质量分辩提高。所以RBS对重元素质量分辨率差。,注意： 上面公式的条件是mM。,M对RBS质量分辨率的影响,RBS对重元素质量分辨率较差,3）提高背散射质量分辨率的方法有： 提高入射离子能量，但入射离子能量过高会使入射离子和靶原子发生核反应。故不宜过高。 通过提高离子探测系统的能量分辨率，可采用静电分析器或飞行时间技术。 实验安
13、排上要使尽可能接近180度。 利用大质量的入射离子。但金硅面垒探测器对重离子能量分辨率较差，所以 M1一般选47。 另外： RBS适用于轻基体上重元素的分析，对重基体上轻元素不灵敏。,常规RBS的质量分辨率,He,H,对轻元素和中重元素分析，采用2MeV的4He离子有较高的质量分辨率，对很轻元素如D、T、He和Li等用质子束较好。,运动学因子小结： K=E1/E0 E1=KE0 是RBS定性分析理论基础 质量分辨率,二、RBS分析原理 1、运动学因子和质量分辨率 2、散射截面和探测灵敏度 3、能量损失因子和深度分辨率 4、RBS能谱 5、能量歧离和探测器能量分辨率 对RBS能谱的影响,2、 散
14、射截面,设Q为打到单元素薄靶上的离子总数，d为位于散射角上的探测器的微分立体角，dQ为此微分立体角中探测器接受到的背散射离子数，N为靶原子体积密度（atoms/cm3），t为薄靶的厚度(Nt为靶的面密度atoms/cm2)。定义微分散射截面为：,Nt,Z1 m E0,探测器,Z2 M,1）散射截面定义,平均散射截面：,因为探测器所张的立体角是有限的，故取平均散射截面： （其定义式如下）,探测器接收到的背散射离子数为:,2）RBS定量分析原理 对于一个具体的背散射实验，由于探测器所张立体角是可以测量的，如果知道散射截面。就可以通过测量探测器接受到的离子数A和入射离子总数Q由上式计算出靶原子的面密
15、度Nt。这便是背散射定量分析的基本原理。,3）卢瑟福散射截面,卢瑟福散射条件：,卢瑟福散射截面公式：,4）RBS分析灵敏度,由于散射粒子计数A正比于散射截面，故截面越大，计数越多，分辨越好,减小，E0,RBS对重元素探测灵敏度高,提高RBS分析灵敏度的方法： 微分散射截面正比于Z12。因此用较重入射离子可提高探测灵敏度。 微分散射截面正比于Z22。所以重元素的探测灵敏度高于分析轻元素。因此，背散射较适用于轻基体上的重元素分析，不适合重基体上的轻元素分析。 微分散射截面反比于E2。所以背散射分析灵敏度随入射离子能量降低而提高。 当mM时，将上式按m/M展开，略去高次项， 可以得到微分散射截面近似反比于 。因此当 散射角减小时，散射截面增大很快。因此当质量分辨率不成问题时，可利用此性质适当减小来提高灵敏度。 利用共振散射或非卢瑟福散射,RBS探测灵敏度的估计： 对2MeV的4He离子在探测轻基体（ZM）表面上重元素（Zi）污染时的探测灵敏度约为：,C表面Au污染，灵敏度可达1012atoms/cm2,对厚样品中的重杂质元素分析：,大约为100ppm,二、RBS分析原理 1、运动学因子和质量分辨率 2、散射截面和探测灵敏度 3、能量损失因子和深度分辨率 4、RBS能谱 5、能量歧离和探测器能量分辨率 对RBS能谱的影响,3 能量损失因子深度分辨率,1）能量损失 在离子在某固体中做
