RBS盧瑟福背散射-試驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告盧瑟福背散射分析（RBS實(shí)驗(yàn)姓名：學(xué)號(hào)：院系：物理學(xué)系實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)名稱盧瑟福背散射分析（RBS實(shí)驗(yàn)二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解RBS實(shí)驗(yàn)原理、儀器工作結(jié)構(gòu)及應(yīng)用；2、 通過對(duì)選定的樣品的實(shí)驗(yàn)，初步掌握RBS實(shí)驗(yàn)方法及譜圖分析;3、學(xué)習(xí)背散射實(shí)驗(yàn)的操作方法。三、RBS實(shí)驗(yàn)裝置主要包括四個(gè)部分：1、 一定能量離子束的的產(chǎn)生裝置-加速器2、離子散射和探測(cè)的地方-靶室3、背散射離子的探測(cè)和能量分析裝置4、放射源RBS圖1背散射分析設(shè)備示意圖1離子源2.加速器主體3聚焦系統(tǒng)4.磁分析器5光柵 6.靶室7樣品8.真空泵 9.探測(cè)器 10.前置放大器 11.主放大器 12.多道分析器 13.輸出四、實(shí)驗(yàn)

2、原理當(dāng)一束具有一定能量的離子入射到靶物質(zhì)時(shí)，大部分離子沿入射方向穿透進(jìn)去，并與靶原子電子碰撞逐漸損失其能量， 只有離子束中極小部分離子與靶原子核發(fā)生大角度庫侖散射而離開原來的入射方向。入射離子與靶原子核之間的大角度庫侖散射稱為盧瑟福背散射（記為 RBS。用探測(cè)器對(duì)這些背散射粒子進(jìn)行側(cè)量，能獲得有關(guān)靶原子的質(zhì)量、含量和深度分布等信息。入射離子與靶原子碰撞的運(yùn)動(dòng)學(xué)因子、散射截面和能量損失因子是背散射分析中的三個(gè) 主要參數(shù)。1、運(yùn)動(dòng)因子K和質(zhì)量分辨率1）運(yùn)動(dòng)學(xué)因子K當(dāng)一定能量（對(duì)應(yīng)于一定速度）的離子射到靶上時(shí)，入射離子和靶原子發(fā)生彈性碰撞，人 射離子的部分能量傳給了被撞的靶原子，它本身則被散射，散射

3、的方向隨一些參量而變化,如圖2（質(zhì)心坐標(biāo)系）所示設(shè)Zi, Z2分別為入射離子及靶原子的原子序數(shù)，m、 M分別為它此式實(shí)際上不是一個(gè)入射離子而是一束禽子,且b值有大有小。由上式可知x最大可達(dá)們的原子質(zhì)量，e為單位電子電荷量，Vo為入射離子的速度，b為碰撞參量或瞄準(zhǔn)距離（即入 射軌跡延伸線與靶原子核的距離 ），x為散射角由分析力學(xué)可以推導(dǎo)出。180以叫,即存在著大角度的被反彈回來的離子，如圖3所示。RBS分析中正是這種離子，所人射離于* ff< -圖3大角度散射示意圖（實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系）v和0，碰入射離子和靶原子碰撞前的速度分別為圖2彈性散射（質(zhì)心坐標(biāo)系）圖3是實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系的背散射示意圖(1)撞

4、后為vi和V2,散射角為0o可以證明，在 m<W的條件下，B,x即實(shí)際上存在著被反向散射的離子。按照能量守恒及動(dòng)量守恒定律，可以得到下述三個(gè)關(guān)系式12121 2 mVmV MV22022mV0mV cosMV2 cos0 mV sinMV2sin在m<Mk的條件下，可解得錯(cuò)誤!未找到引用源=錯(cuò)誤!未找到引用源假定人射離子碰撞后及碰撞前的能量之比為運(yùn)動(dòng)因子K,則有:錯(cuò)誤!未找到引用源。（6）式中&、m和e均可由實(shí)驗(yàn)條件確定而為已知量，由運(yùn)動(dòng)學(xué)因子公式可看出：當(dāng)入射離子種類（m）,能量（&）和探測(cè)角度（0 ）一定時(shí)，曰與M成單值函數(shù)關(guān)系，M大則Ei(7)M。這大(即K值

5、大)。所以，通過測(cè)量一定角度散射離子的能量就可以確定靶原子的質(zhì)量數(shù) 就是背散射定性分析靶元素種類的基本原理。2) 質(zhì)量分辨率由(6)式可得K與M的關(guān)系。由于對(duì)上式分析的需要我們引入質(zhì)量分辨率的概念:M 1? E1牆? E1書(尉如果S E是RBS探測(cè)器系統(tǒng)的能量分辨率，也就是可分辨的背散射離子最小的能量差別。那么RBS的質(zhì)量分辨率5M為M -EdK) 1 , SM是對(duì)樣品中靶核質(zhì)量差別的分辨能力。Eo dM當(dāng)一靶核質(zhì)量數(shù)與另一靶核質(zhì)量數(shù)M的差別小于AlZS M時(shí)，RBS無法將這兩種元素分辨開,RBS質(zhì)量分辨率和探測(cè)器所在處的散射角探測(cè)器能量分辨率S E、入射離子種類入射離子能量E。、靶核質(zhì)量數(shù)

6、 M等因素有關(guān)。(1)探測(cè)器能量分辨的影響M上半廠E0 dM故探測(cè)器能量分辨越高，RBS質(zhì)量分辨率越好。由于探測(cè)器的能量分辨率是有限的，因用源(2)錯(cuò)誤！未找到引用源。a入射時(shí)K隨散射角的變化1此這個(gè)方法測(cè)定輕元素區(qū)的質(zhì)量分辨率尚可，而測(cè)定重元素區(qū)的質(zhì)量分辨率則較低。對(duì)質(zhì)量分辨率的影響錯(cuò)誤!未找到引用源。=錯(cuò)誤!未找到引B增大，同樣AM下，A K增大，SM減小,質(zhì)量分辨率提高因此，盧瑟福背散射分析在實(shí)驗(yàn)安排上要使盡可能接近180度，因?yàn)樵浇咏?80度,RBS質(zhì)量分辨率越高。3) 入射粒子的種類對(duì)質(zhì)量分辨率的影響因B接近180度，令S = n -0 , S為一小量，且 M>>m，則對(duì)

7、K因子公式求 M的偏導(dǎo) 數(shù)并化減得：錯(cuò)誤！未找到引用源。錯(cuò)誤!未找到引用源。=錯(cuò)誤!未找到引用源。m增大，S M減小，RBS質(zhì)量分辯提高?？梢宰C明在常用條件下，當(dāng)M/m =3.37時(shí)質(zhì)量分辨率最佳。由于 RBS常用的金硅面壘探測(cè)器的能量分辨率隨m增大變差，所以 RBS一般選m為17。重離子做RBS時(shí)，可采用磁譜儀或飛行時(shí)間譜儀。4) 入射粒子能量對(duì) RBS質(zhì)量分辨率的影響錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =錯(cuò)誤 !未找到引用源。入射離子能量Eo越高，RBS質(zhì)量分辨率越好。但 Eo太高會(huì)產(chǎn)生非盧瑟福散射甚至核反應(yīng)。一般：p 300KeV,錯(cuò)誤！未找到引用源。：13MeV5) M對(duì)RBS質(zhì)量分辨率的影響錯(cuò)誤

8、 ！未找到引用源。 =錯(cuò)誤 ！未找到引用源。M減小，S M減小，RBS質(zhì)量分辯提高。所以 RBS對(duì)重元素質(zhì)量分辨率差。(此公式成 立的條件是 m<<M)有以上分析可知提高背散射質(zhì)量分辨率的方法有：1)提高入射離子能量，但入射離子能量過高會(huì)使入射離子和靶原子發(fā)生核反應(yīng)，故不宜過高。2)通過提高離子探測(cè)系統(tǒng)的能量分辨率，可采用靜電分析器或飛行時(shí)間技術(shù)。 3)實(shí)驗(yàn)安排上要使 錯(cuò)誤！未找到引用源。 盡 可能接近 180度。 4)利用大質(zhì)量的入射離子。 但金硅面壘探測(cè)器對(duì)重離子能量分辨率較差， 所以 M 1 一般選 47。另外：RBS適用于輕基體上重元素的分析，對(duì)重基體上輕元素不靈敏。 提高

9、質(zhì)量分辨率的方法有 :(1) 提高入射能量 Eo。如前所述，Eo過高會(huì)使入射離子和靶原子發(fā)生核反應(yīng)，故不能 過高。(2) 盧瑟福背散射分析在實(shí)驗(yàn)安排上要使盡可能接近 18o 度，因?yàn)樵浇咏?18o 度， RBS質(zhì)量分辨率越高。(3) 增大m,就是使用更重些的入射離子 可以證明在常用條件下，當(dāng) M/m =3.37時(shí)質(zhì) 量分辨率最佳。 但對(duì)重離子， 金硅面壘能量探測(cè)器的能量分辨率大大下降， 因此用面壘探側(cè) 器法實(shí)際上不能利用增大 m 值的方法來提高質(zhì)量分辨率。( 4)有待于探測(cè)器能量分辨率的提高。靜電分析器法的能量分辨率高于面壘探測(cè)器法,但設(shè)備復(fù)雜,亦有它的弱點(diǎn)。2、散射截面和探測(cè)靈敏度散射截面的

10、作用是測(cè)量發(fā)生散射的幾率, 它關(guān)系到背散射離子的數(shù)目, 即與定量分析及 靈敏度有關(guān)。圖4薄靶的背散射設(shè)Q為打到單元素薄靶上的離子總數(shù)，d為位于 散射角上的探測(cè)器的微分立體角，dQ為此微分立體角中探測(cè)器接受到的背散射離子數(shù)，N為靶原子體積密度（atoms/cm 3），t為薄靶的厚度（Nt為靶的面密度atoms/cm2）。則定義微分散射截面為：d丄？丄?巴丁 "NTQ ? 丁1 d因?yàn)樘綔y(cè)器所張的立體角是有限的，故取平均散射截面為：- d ，所以探d測(cè)器在一個(gè)立體較重接收到的背散射離子數(shù)為：A Nt?Q? d NtQd對(duì)于一個(gè)具體的背散射實(shí)驗(yàn)，由于探測(cè)器所張立體角是可以測(cè)量的，如果知道散

11、射截面廳。就可以通過測(cè)量探測(cè)器接受到的離子數(shù)A和入射離子總數(shù) Q由上式計(jì)算出靶原子的面密度Nt,這便是背散射定量分析的基本原理。由于散射粒子計(jì)數(shù) A正比于散射截面b.故截面越大，計(jì)數(shù)越多，分辨越好，這個(gè)特性用靈敏度因子來標(biāo)識(shí):Zi2ZE2微分散射截面正比于Z12。因此用較重入射離子可提高探測(cè)靈敏度。微分散射截面正比于Z22。所以重元素的探測(cè)靈敏度高于分析輕元素。因此，背散射較適用于輕基體上的重元素分析，不適合重基體上的輕元素分析。微分散射截面反比于E2。所以背散射分析靈敏度隨入射離子能量降低而提高。3、能量損失因子和深度分辨率當(dāng)入射離子進(jìn)入靶內(nèi) P時(shí)，它將和靶原子的電子和核發(fā)生作用從而損失能量

12、。設(shè)能量為E0的離子穿透 x厚的靶后能量減少 E,如圖3所示。則定義：A E dElim=A X dx為“能量損失（率”單位是eV/?。從而建定義能量損失后，可確定不同深度散射出的離子同表面散射出的離子能量之差。立RBS能譜寬度和靶厚度之間的關(guān)系在入射路徑上:E Eox/ COS 1 dEE1 dxdx，在出in射路徑上Ei KEx/cos 2 dEE dxdx。這樣在同一角度，探測(cè)到的被靶表面靶原子散out射的離子能量和被深度x處靶原子散射的離子能量之差為:E kEo E!x/COS 1 KodEdxdxinx/cos 2 dEdxdxout當(dāng)入射和出射路徑上的能量損失用一個(gè)常量（如平均能量

13、損失率）來代替時(shí)得到了 同深度x的關(guān)系為:EdEKxdExxdEKdE1dxin COS 1dx outcos 2dx in cos 1dxout CoS 2所以定義SdEkdE1-為能量損失因子，2則有 E S ?x。dxin COS 1dx outcos這樣，由能量損失因子就可以把背散射能譜中的能量坐標(biāo)換算成深度坐標(biāo)，并根據(jù)不同深度處能譜高度就可以得到元素的深度分布，這是RBS的元素深度分布基本原理。RBS技術(shù)的應(yīng)用1、雜質(zhì)總量分析2、雜質(zhì)的深度分布3、化合物化學(xué)配比測(cè)定4、表面層厚度的分析5、應(yīng)用于阻止本領(lǐng)和能量歧離的測(cè)量五、實(shí)驗(yàn)條件及樣品4mm，距離樣品實(shí)驗(yàn)條件：Li+束，Eo=3.6

14、MeV，散射角150度。探測(cè)器有效面積直徑67mm。運(yùn)動(dòng)學(xué)因子：Ks=0.385，KGe=0.697,樣品：1: Si襯底上W膜樣品結(jié)構(gòu)：Kw=0.867, Kai=0.371，Kcr=0.603A1、WS102*Si2： GeSi樣品樣品結(jié)構(gòu):1用W、Ge對(duì)RBS能譜橫軸進(jìn)行能量刻度，將RBS能譜的橫軸從道數(shù)轉(zhuǎn)換為能量。寫出能量刻度方程。2、Si襯底上 W膜厚度的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中，采集3.6MeV Li+為入射離子，散射角為 160度時(shí)的RBS能譜，用 W薄膜峰的寬度或峰面積求薄膜厚度。W的密度為19.29g/cm3。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)圖譜:1、Si襯底上W膜En ergy keV0540 _90

15、01000520500480460440420400380360340320300n u o C2802602402202001801601401201001002003004005006007008000501001502002503003504004505005506006507007508008509009501,000Siw-ll.txt Simulat dChannel2、GeSi樣品En ergy keV讀取數(shù)據(jù)（如上面三圖所示）數(shù)據(jù)點(diǎn)全高道數(shù)全高計(jì)數(shù)半高道數(shù)半高計(jì)數(shù)W-a （前沿）6401287650633W-b （后沿）5211516507721Ge-a （前沿）4996975

16、09334Ge-b （后沿）449698440368七、數(shù)據(jù)處理1、定標(biāo)能量刻度方程設(shè)能量E與道數(shù)channel之間的線性關(guān)系為：錯(cuò)誤味找到引用源。，錯(cuò)誤 味找到引用源。 為待定系數(shù)。由 W、Ge 的前沿半高能量為已知的：Ew-a=KWB）=3106.8kev, Ese-a=KGeBo=2473.2kev,對(duì)應(yīng)道數(shù)為：chW-a=1287, chGel-a=697帶入已設(shè)定的線性方程，可求出 錯(cuò)誤!未找到引用源。，得:擬合后的線性能量刻度方程為：E=4.494錯(cuò)誤味找到引用源。ch+185.949用Si-a點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)：E=4.494 X 256+185.949=1336.413理論值為：Ksi Eo=1335.6 kev，相對(duì)誤差n為0.06087%，可見在誤差允許的范圍內(nèi)是可以認(rèn) 為是正確的。2、Si襯底上 W膜厚度由公式：E xs x N inoutcos 1cos 2in , out為阻止截面，則膜的厚度公式為：代入數(shù)據(jù)計(jì)算:數(shù)據(jù)點(diǎn)全高道數(shù)全高計(jì)數(shù)半高道數(shù)半高計(jì)數(shù)能量W-b后沿52115165077212695.092W的前沿半高能量為 Ew-a=3106.8kev,實(shí)驗(yàn)時(shí)讀出的后沿半高處的能量Ew-b=2464.407kev錯(cuò)誤味找到引用源。，錯(cuò)誤味找到引用源。=642.393ke