RBS实验报告.doc

卢瑟福背散射RBS）实验报告 一、实验目的 1、掌握RBS分析原理，了解实验装置； 2、初步掌握RBS的分析方法。 实验原理 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: a)两体弹性碰撞的运动学因子K b)微分散射截面( c)固体的阻止截面( d)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. RBS的分析原理具体来说如下： 1、运动学因子和质量分辨率 1）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）。 由于库伦散射是弹性散射，动量和能量守恒可以得到 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（θ）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。 2）质量分辨率的定义 如δE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δM为： RBS质量分辨率: δM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δM时RBS无法将这两种元素分辨开。 3）提高背散射质量分辨率的方法有： a)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。 b)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。 c)实验安排上要使(尽可能接近180度。 d)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4~7。 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。 2、散射截面和探测灵敏度 1)散射截面定义 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： 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σ。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度Nt。这便是背散射定量分析的基本原理。 3）RBS分析灵敏度 由于散射粒子计数A正比于散射截面σ，故截面越大，计数越多，分辨越好 3、能量损失因子和深度分辨率 1）能量损失 在离子在某固体中做直线运动的过程中，离子主要通过与靶原子的电子相互作用而损失能量。定义离子在单位径迹长度上损失的能量 2）能量损失因子 定义能量损失后，可确定不同深度散射出的离子同表面散射出的离子能量之差。从而建立RBS能谱宽度和靶厚度之间的关系。 在同一角度，探测到的被靶表面靶原子散射的离子能量和被深度x处靶原子散射的离子能量之差为： 当入射和出射路径上的能量损失用一个常量（如平均能量损失率）来代替时得到了?E同深度x的关系为： 定义s为能量损失因子，则： 这样，由能量损失因子就可以把背散射能谱中的能量坐标换算成深度坐标，并根据不同深度处能谱高度就可以得到元素的深度分布。 3）阻止截面及其可加性 用能量损失来计算能量损失因子的缺点是:它随靶的元素组成及密度而变化，因此对于具体的靶很难查到能量损失率数值。为此引入阻止截面或叫做阻止本领的概念。单原子靶材料的原子密度为N，一定能量E的入射离子在此材料的能量损失为 组织截面的优点在于阻止截面和靶原子种类、入射离子种类及能量有关，而同靶的密度无关.可以由图表查到.另外阻止截面具有可加性。 4、能量歧离和探测器能量分辨率对RBS能谱的影响 单能离子束穿透某一厚度的靶后，会产生一定的能量分散度。这就称为能量歧离。电子能量损失歧离，离子与靶原子的电子大量碰撞是一种随机过程，存在统计涨落。 能量歧离的存在造成RBS能谱的前后沿变化，同时会造成深度分辨率下降和靶内原子质量分辨率的下降 表面主要是探测系统分辨率的影响。深度增大,能量歧离增大。 实验装置 1）、一定能量离子束的的产生装置 ----加速器 2）、离子散射和探测的地方 ----靶室 3）、背散射离子的探测和能量分析装置 4）、放射源RBS 在我们学校使用的是2*1.7MeV串列加速器，如下图 图串列加速器图 背散射离子的探测和能量分析装置分为