RBS盧瑟福背散射-實(shí)驗(yàn)報(bào)告

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(guò)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)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(kù)侖散射而離開(kāi)原來(lái)的入射方向。入射離子與靶原子核之間的大角度庫(kù)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)。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)Z1，Z2分別為入射離子及靶原子的原子序數(shù)，m、M分別為它們的原子質(zhì)量，e為單位電子電荷量，v0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。圖2彈性散射（質(zhì)心坐標(biāo)系）圖3大角度散射示意圖（實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系）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χ最大可達(dá)180°，即存在著大角度的被反彈回來(lái)的離子，如圖3所示。RBS分析中正是這種離子，所以叫“背”散射。圖2彈性散射（質(zhì)心坐標(biāo)系）圖3大角度散射示意圖（實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系）圖3是實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系的背散射示意圖.入射離子和靶原子碰撞前的速度分別為v和0，碰撞后為v1和v2，散射角為θ。可以證明，在m﹤﹤M的條件下，θ≈χ，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(1)(2)(3)在m﹤﹤M的條件下，可解得:QUOTE=QUOTE(5)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:QUOTE(6)式中E0、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（E0）和探測(cè)角度（θ）一定時(shí)，E1與M成單值函數(shù)關(guān)系，M大則E1大(即K值大)。所以，通過(guò)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)M。這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：（7）如果δE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δM為，δM是對(duì)樣品中靶核質(zhì)量差別的分辨能力。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δM時(shí)，RBS無(wú)法將這兩種元素分辨開(kāi)，RBS質(zhì)量分辨率和探測(cè)器所在處的散射角θ、探測(cè)器能量分辨率δE、入射離子種類m、入射離子能量E0、靶核質(zhì)量數(shù)M等因素有關(guān)。（1）探測(cè)器能量分辨的影響故探測(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。（2）QUOTE對(duì)質(zhì)量分辨率的影響QUOTE=QUOTEθ增大，同樣ΔM下，ΔK增大，δM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q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θ接近180度，令δ=π-θ，δ為一小量，且M>>m，則對(duì)K因子公式求M的偏導(dǎo)數(shù)并化減得：QUOTEQUOTE=QUOTEm增大，δM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1~7。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QUOTE=QUOTE入射離子能量E0越高，RBS質(zhì)量分辨率越好。但E0太高會(huì)產(chǎn)生非盧瑟福散射甚至核反應(yīng)。一般：p~300KeV，QUOTE：1~3MeV5）M對(duì)RBS質(zhì)量分辨率的影響QUOTE=QUOTEM減小，δM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(guò)高會(huì)使入射離子和靶原子發(fā)生核反應(yīng)，故不宜過(guò)高。2）通過(guò)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QUOTE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M1一般選4~7。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。提高質(zhì)量分辨率的方法有:（1）提高入射能量E0。如前所述，E0過(guò)高會(huì)使入射離子和靶原子發(fā)生核反應(yīng)，故不能過(guò)高。（2）盧瑟福背散射分析在實(shí)驗(yàn)安排上要使q盡可能接近180度，因?yàn)樵浇咏?80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(lái)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)，dW為位于q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/cm3)，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：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:,所以探測(cè)器在一個(gè)立體較重接收到的背散射離子數(shù)為：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W是可以測(cè)量的，如果知道散射截面σ。就可以通過(guò)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σ，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(lái)標(biāo)識(shí)：。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。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：

為“能量損失(率)”，單位是eV/?。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。從而建立RBS能譜寬度和靶厚度之間的關(guān)系在入射路徑上：，在出射路徑上。這樣在同一角度，探測(cè)到的被靶表面靶原子散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：當(dāng)入射和出射路徑上的能量損失用一個(gè)常量（如平均能量損失率）來(lái)代替時(shí)得到了DE同深度x的關(guān)系為：所以定義為能量損失因子，則有。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)用雜質(zhì)總量分析雜質(zhì)的深度分布化合物化學(xué)配比測(cè)定表面層厚度的分析應(yīng)用于阻止本領(lǐng)和能量歧離的測(cè)量五、實(shí)驗(yàn)條件及樣品實(shí)驗(yàn)條件：Li++束，E0=3.6MeV，散射角150度。探測(cè)器有效面積直徑4mm，距離樣品67mm。運(yùn)動(dòng)學(xué)因子:KSi=0.385，KGe=0.697，KW=0.867，KAl=0.371，KCr=0.603樣品：1：Si襯底上W膜樣品結(jié)構(gòu)：2：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(xiě)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3.6MeVLi++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2、GeSi樣品讀取數(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）499697509334Ge-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：QUOTE，QUOTE為待定系數(shù)。由W、Ge的前沿半高能量為已知的：EW-a=KWE0=3106.8kev，EGe-a=KGeE0=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QUOTE，得：擬合后的線性能量刻度方程為：E=4.494QUOTEch+185.949用Si-a點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)：E=4.494×256+185.949=1336.413

理論值為：KSiE0=1335.6kev，相對(duì)誤差η為0.06087%，可見(jiàn)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：