α粒子能损失法精确测量膜厚

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1、第六届全国高等学校物理实验教学研讨会论文集(下)Alpha粒子能损法精确测量膜厚陈星，车彦明(浙江大学理学院物理系)摘要：薄膜厚度的精确测量有助于研究薄膜的物理性能．本文利用a射线与材料的相互作用设计测量薄膜厚度的方法．用SRIM软件模拟计算了a粒子在Au膜和核乳胶中的运动，对Au膜厚度、a粒子在核乳胶中的射程实验数据结果分别用Mathematica数值求解和SRIM软件计算，两种方法进行比较．可根据径迹的长短、粗细鉴定粒子的种类和能量．关键词：a粒子；厚度；核乳胶；SRIM软件中图分类号：0562．32文献标识码：A1引言金属箔在现代工业中、尤其在电子器件等元

2、器件设备中，得到了越来越广泛的应用。普通的测厚方法，如干涉法、衍射法、椭圆偏振法等光学方法由于金属箔的不透明性不再适用或过于复杂有很大的局限性。a粒子、p射线和x(丫)射线对薄膜具有不同程度的穿透能力，它们在厚度测量的原理上有所不同：x(D、p测厚是通过测量穿过被测材料的射线强度的改变实现的，因此，膜厚测量的准确性将受射线强度统计涨落的影响较大13-41：u粒子测厚是通过测量穿过薄膜的粒子能量的变化实现的，a粒子能量是分立的。单能a粒子穿过一定厚度的薄膜后因能量损失的歧离效应将使能量有一定展宽，但中心能量是通过q能谱的峰位确定的。因此，’测量结果不象B、X∽测量

3、那样易受统计涨落的影响。因此，理论上a粒子测量薄膜厚度有更小的测量误差．求解已知能量的a粒子在乳胶中的射程，并用SRIM软件模拟计算了a粒子在核乳胶中的运动，给出射程，和核乳胶说明书上【I】的能量射程关系比较得到理论预测的结果。对比实验结果和理论预测，定性及定量地证实了所探测到的径迹即为镅241的a射线。2基本原理当高能带电粒子穿过介质时，与介质相互作用而损失能量，如果介质厚度足够，入射粒子最后会停止在介质中，将其所带能量全部沉积在介质中。带电粒子和介质相互作用(这里仅考虑库仑相互作用)入射粒子刚进入介质时，能量很高且带有较多电荷，容易和核外电子云相互作用而使靶

4、原子电离或激发，这时带电主要来自电离损失。在我们的理论计算中只考虑电离损失，电子对入射带电粒子的阻止能力(stopingpower)用粒子在在介质中单位位移的能量损失(譬)。来衡量。对高速入射的带电粒子，靶原子核外电子对其阻止能力(譬)。满足Bethe---Bloch公式【2l，其相对论形式如下所丝=一等·芳·(』)2似2”me州c2fl』2)_f12_v-dxme4，re0争(1)一=⋯一·●一●·IlTlI·一l●I-c2∥2、’P“(1一州』2’V7其中E为入射粒子的能量(动能)，X为粒子在介质中的位移，rl为靶原子的粒子数密度，Z为靶的原子序数，巩为电子

5、静止质量，c真空中光速，e基本电荷量，ze为入射粒子带电量，∥为真空中介电常数，I是靶原子的平均电离能，实验中所用镅241源放射出的a粒子，能—_23争一第六届夺国高等学校帕理实I}截学研讨套论文尊(下)茸约为s485Mev，可必计算其速度约为v-0054c(c为真空中光速在满足口<<1。有dE=2ZNP4m，1．，4m，￡、瓦一面i=i“【i‘了J‘2’对现有卢瑟福散射实验装置进行改装，用多道分析器代替计数器．进行q粒子能谱测量。所测薄膜为卢瑟福散射金膜。由于。粒子质量比核外电子大很多，与核外电子一次非弹性碰撞损失很小，不会导致a粒子运动方向有明显的改变，它的

6、径迹是直线，井且口粒子在同一种材料中射程相同。射程即为路径七∈度，由电离损失积分可得。由测得Ⅱ粒子^射能最E(0)=5485Mev和通过金膜后的能量为E(d)-4385Mev作为积分上下瑚对(2)片jRK4方法数值求解．SRIM2008程序是用来定量计算带电粒子在物质中运动的阻止以及射程的软件，功能强大，用米快速计算不同能量的带电粒子在物质中的能量损失和射程．得到能量射程关系。程序运用Monte-Carlo力法计算机模拟蹋踪一大批入射粒子．将粒子运动过程中的各种运动学信息贮存F来，晟后给出我们感兴趣的物理量的期望值和统计涨落。由n粒子入射能蜮和通过金膜后的能量分

7、别ⅢSRIM2008程序计算a粒子在金中的射程。相减印为金膜的』f度。厂—1而面函■]图2能量为5485Mev的a粒于在盘箔中的射程f——丽■——五■—丽C啪叫国1n桩子通过金且；{前后能谱幽3能量为43845MevMCV的d牲于在金箔中的射样第六届全国高等学校物理实验教学研讨会论文集(下)表l二种测量金膜厚度方法比较入射能量过箔能量公式2结果Srim结果MveMev数值5．4854．3852．376m2．38m【2)瓦计算电子阻止就力阴公式只针对成分早一嗣靶材科向舌，对十由多种兀柔组成的化合物，定义电子阻止截面来衡量单个原子的电子对总的阻止截面。的贡献Ⅲ21：

8、仃=抬dE=一东·嚣扣等