离子束分析卢瑟福背散射分析

卢瑟福背散射分析RutherfordBackscatteringSpectrometry（RBS）,核科学技术学院,离子束分析概述卢瑟福背散射分析（RBS)概述卢瑟福背散射分析的原理最佳实验条件的选取实验设备背散射能谱和产额RBS技术的应用,离子束分析概述,粒子与离子的概念差异在微观领域，粒子是离子、电子、光子和亚核粒子等的总称离子束分析的概念总的来说：以离子束作为工具，通过它与物质相互作用来判断物质中元素组成及结构的一门学科具体来说：利用具有一定能量的离子（如：质子、alpha离子及其它重离子）束去轰击样品，使样品中的元素发生电离、激发、发射和核反应以及自身的散射等过程，通过测量这些过程中所产生的射线的能量和强度来确定样品中元素的种类和含量的一门学科为了对其概念有一深入的理解，大家来看离子束作用机制图,样品,离子束（E,q）,俄歇电子,离子束作用机制图,X射线,射线,发射粒子,背散射粒子,次级粒子,离子束分析作用机制图,次级离子质谱SecondaryIonMassSpectrometry(SIMS),俄歇电子谱AugerElectronSpectrometry(AES),粒子诱发X射线荧光分析ParticleInducedX-rayEmission(PIXE),核反应分析NuclearReactionAnalysis(NRA),卢瑟福背散射分析RutherfordBackscatteringSpectrometry(RBS),离子-原子作用范畴,离子-原子核作用范畴,弹性反冲分析ElasticRecoilDetection(ERD),离子束分析的发展史(两个阶段),一阶段（二十世纪60-70年代末）：基本方法的建立阶段卢瑟福背散射分析（RBS）和弹性反冲分析（ERD）粒子诱发X射线荧光分析（PIXE）核反应分析（NRA）次级粒子质谱（SIMS）俄歇电子谱（AES）等二阶段（二十世纪70年代末至今）：基本方法与新技术的结合阶段低能离子束分析超高真空离子束分析IBA与STM（ScanningTunnelingMicroscope）结合质子显微镜,离子束分析方法的优缺点,优点灵敏度高、分析时间短、不破坏样品、分析范围广和取样量少等优点，因此特别适用于痕量元素的分析缺点设备复杂、成本较高,返回,卢瑟福背散射分析（RBS)概述,1卢瑟福散射实验的思考基本思想：用“炮弹”轰击研究“对象”,分析实验现象和结果，推知弹与靶有关信息。,1911由于观测到大角度散射的粒子发现了原子核，表明大角度散射粒子载有原子核大小的信息。,散射粒子是否还载有其他信息呢？,背散射90,前向散射,2卢瑟福散射理论指出：在一定的实验条件下，散射粒子能量EbEb(Mi，Zi，)90散射粒子能量差别大背散射粒子能量和强度（数目）载有信息:1）样品成分（Zi,Mi)2）各元素的含量,0,180,90,E%,7Li,12C,27Al,197Au,散射能量损失E=E0-Eb,散射角,3卢瑟福背散射分析(RBS)原理示意图,基本实验方块图,靶样品,入射,信号放大分析和记录仪器,Au-Si半导体谱仪,加速器,=165,。,样品,入射,Z1M1,Z2M2,Z3M3,计数,能量Eb,是什麽有多少在哪里薄膜厚度成分组分分布,探测器测量背散射粒子能量,放射源,粒子穿过表面25.4,阿波罗月亮登陆舱中的散射实验1967年,背散射,探测器,4背散射方法首次用于分析月球表面元素,入射,5实验结果,月球土壤表面元素CaFeSiAlMgNaOC等,开辟了离子束分析技术的迅速发展和广泛应用：半导体材料，金属材料，薄膜材料以及材料改性等新材料新器件研制,1909年，盖革（H.Geiger）和马斯顿（E.Marsden）观察到了粒子散射实验现象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,6背散射研究的发展史,返回,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,返回,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。,运动学因子K的表达式推导详细的推导参见王广厚-粒子同固体物质相互作用P102实验室坐标系中，由能量守恒和动量守恒定律可得：,返回,运动学因子K的变化曲线,背散射微分截面含量分析,卢瑟福散射截面公式（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）,因为探测器所张的立体角是有限的，故取平均散射截面：（其定义式如下）,探测系统的计数与平均截面的关系：,返回,Np:入射粒子的数目；N0:靶核粒子的数目。,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：,在入射路程中,在出射路程中,综合上述两式可得：,背散射(即出射)离子能量与靶物质深度的关系,E与深度x的关系式比较复杂，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法和数值积分法,背散射离子能量与靶物质深度关系式的处理,表面能近似法合理假设由于薄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：,能损因子S,E与x的关系是可化简为：,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（对于粒子）,E=Sx,则有：,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法，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,数值积分法,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,返回,质量分辨,返回,令=-，为一小量，且M2M1，则对K因子公式求M2的偏导数并化减得质量分辨率：由上式得出要提高质量分辨率：1.增大入射离子能量2.增大入射离子质量3.增大散射角4.提高探测系统的分辨,含量分辨,由于散射粒子计数N正比于散射截面，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。因为：1）重元素的散射截面大；2）基体元素和杂质元素的K值相差大，在能谱线上，基体元素的谱线不会干扰杂质元素的谱线。重基体上的轻元素分辨差。因为：1）轻元素的散射截面小；2）轻元素的散射粒子能谱叠加在重元素的散射粒子能谱上。,返回,深度分辨,由表面能近似法可知不同深度x1和x2处散射的粒子能量差E=Sx，即：x=E/S由此式可知，要使x尽可能的小，应从两方面着手：提高探测系统的分辨，即减小E增大S采用重离子入射采用倾角入射，即增大12,返回,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）,电子学探测系统,返回,背散射能谱和产额,薄靶单元素多元素厚靶单元素多元素,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,下图为多元素元素薄靶的背散射图,返回,单元素厚靶,表面产额取E为探测系统每一道对应的能量，x为对应于能量间隔的靶厚度，则表面层的产额为：H=Np(E0)Nx/cos(1)为简化，令1=0H=Np(E0)Nx，利用表面能近似结论H=Np(E0)NE/S(E0),在某一深度处的背散射产额：H(E1)=Np(E)N(kE)/S(E)(kE)=(S(kE)/S(E1)E1H(E1)=Np(E)NS(kE)/S(E1)S(E)E1,返回,卢瑟福背散射(RBS)分析技术,RBS谱仪,RBS谱的一般特征,RBS谱的识别,表面杂质含量分析举例例如：玻璃碳基体上，用真空镀膜法镀上一层极薄的Au元素，用2Mev的4He+束做RBS分析，测的背散射谱如下：,0=(dE/dX)/N是阻止截面(dE/dX)是阻止本领N是靶核数目,玻璃碳基体上，用真空镀