卢瑟福背散射分析.ppt

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1、卢瑟福背散射分析RutherfordBackscatteringSpectrometry（RBS）2.1背散射研究的发展史1909年，盖革（H.Geiger）和马斯顿（E.Marsden）观察到了α粒子散射实验现象1911年，卢瑟福（LordErnestRutherford）揭示了该现象，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2.2卢瑟福背散射分析的原理RBS是利用带电粒子与靶核间的大角度库仑散射的能谱和产额确定样品中元素的质量

2、数、含量及深度分布。该分析中有三个基本点，即：运动学因子—质量分析背散射微分截面—含量分析能损因子—深度分析2.3最佳实验条件的选取由背散射的原理可导出最佳的实验条件：质量分辨含量分辨深度分辨2.4实验设备一台小型加速器，目前实验式采用2X1.7MeV串列加速器（如图）2.4实验设备电子学探测系统2.5背散射能谱和产额薄靶单元素多元素厚靶单元素多元素2.6RBS技术的应用表面层厚度的分析杂质的深度分布应用于阻止本领测定利用共振背散射探测重基体上得轻元素结束2.2.1运动学因子—质量分析运动学因子的定义：K=E1/E0，其中E0是入射粒子能量，E1是散射粒子能量。2

3、.2.1运动学因子—质量分析实验室坐标系中的K因子的表达式为（详细的推导参见王广厚--《粒子同固体物质相互作用》P102）：2.2.1运动学因子—质量分析令δ=π-θ，δ为一小量，且M2>>M1，则对K因子公式求M2的偏导数并化减得：由上式得出要提高质量分辨率：1.增大入射离子能量2.利用大质量的入射离子3.散射角尽可能大返回2.2.2背散射微分截面—含量分析卢瑟福散射截面公式为：（参见下式，详细推导参见褚圣麟《原子物理学》P12或王广厚《粒子同固体物质的相互作用》P8和P105）2.2.2背散射微分截面—含量分析因为探测器所张的立体角是有限的，故取平均散射截面：

4、（其定义式如下）2.2.2背散射微分截面—含量分析探测系统的计数与平均截面的关系为：返回2.2.3能损因子—深度分析背散射中入射离子与靶物质的作用过程机制图：2.2.3能损因子—深度分析在入射路程中在出射路程中由上式可得：2.2.3能损因子—深度分析上面导出了ΔE与深度x的关系式，由于式子比较复杂，故在实际的应用中采用多种近似方法，（参见王广厚《粒子同固体物质的相互作用》P111)表面能近似—适用于薄靶或厚靶的近表面区平均能量近似—适用于厚靶能量损失比法—适用于薄靶，对厚靶也适用，但精度差数值积分法—适用于薄靶和厚靶这里只介绍表面能近似和数值积分法表面能近似由于薄

5、靶和厚靶的近表面区是一薄层，故近似认为其能损值为一常量入射路径上取：出射路径上取：ΔE与x的关系是可化简为：表面能近似则在表面能近似下能损因子S定义如下：说明：表面能近似适用于薄靶，靶厚一般要小于10000埃，近似误差大概在5%左右（对于alpha粒子）数值积分法该方法是建立在表面能近似的基础上的，对于厚靶，进行切片处理，对每一个薄片采用表面能近似，再进行积分，这样处理会提高精度，例：2Malpha粒子入射到Si上，厚度8000埃采用表面能近似误差为5%采用数值积分法误差为0.2%返回质量分辨在K因子的推导中曾得出这样一个结论：增大散射角增大入射粒子质量增大入射粒

6、子能量提高探测系统的分辨返回含量分辨由于散射粒子计数N正比于散射截面σ，故截面越大，计数越多，分辨越好轻基体上的重元素有很好的分辨重基体上的轻元素分辨差返回深度分辨由表面能近似可值不同深度x1和x2处散射的粒子能量差ΔE=SΔx，即：Δx=ΔE/S由此式可知，要使Δx尽可能的小，应从两方面着手：提高探测系统的分辨，即减小ΔE增大S采用重离子入射采用倾角入射，即增大θ1θ2返回单元素薄靶下图为单元素薄靶的背散射图返回多元素薄靶下图为单元素薄靶的背散射图返回单元素厚靶表面产额取δE为探测系统每一道对应的能量，δx为对应于能量间隔的靶厚度，则表面层的产额为：H=Npσ(

7、E0)ΩNδx/cosθ1为简化，令θ1=0H=Npσ(E0)ΩNδx，利用表面能近似结论H=Npσ(E0)ΩNδE/S(E0)单元素厚靶在某一深度处的背散射产额：H（E1）=Npσ(E)ΩNδkE/S(E)单元素厚靶δkE=(S（kE）/S（E1）)δE1H（E1）=Npσ(E)ΩN{S（kE）/[S（E1）S(E)]}δE1返回