RBS卢瑟福背散射实验报告.docx
- 文档编号:7452917
- 上传时间:2023-05-11
- 格式:DOCX
- 页数:12
- 大小:188KB
RBS卢瑟福背散射实验报告.docx
《RBS卢瑟福背散射实验报告.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《RBS卢瑟福背散射实验报告.docx(12页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
RBS卢瑟福背散射实验报告
实验报告
卢瑟福背散射分析(RBS实验
姓名:
学号:
院系:
物理学系
实验报告
一、实验名称
卢瑟福背散射分析(RBS实验
二、实验目的
1、了解RBS实验原理、仪器工作结构及应用;
2、通过对选定的样品的实验,初步掌握RBS实验方法及谱图分析;
3、学习背散射实验的操作方法。
三、RBS实验装置
主要包括四个部分:
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
图1背散射分析设备示意图
1•离子源2.加速器主体3•聚焦系统4.磁分析器5•光栅6.靶室7•样品
8.真空泵9.探测器10.前置放大器11.主放大器12.多道分析器13.输出
四、实验原理
当一束具有一定能量的离子入射到靶物质时,大部分离子沿入射方向穿透进去,并与靶
原子电子碰撞逐渐损失其能量,只有离子束中极小部分离子与靶原子核发生大角度库仑散射
而离开原来的入射方向。
入射离子与靶原子核之间的大角度库仑散射称为卢瑟福背散射(记
为RBS。
用探测器对这些背散射粒子进行侧量,能获得有关靶原子的质量、含量和深度分布等信
息。
入射离子与靶原子碰撞的运动学因子、散射截面和能量损失因子是背散射分析中的三个主要参数。
1、运动因子K和质量分辨率
1)运动学因子K
当一定能量(对应于一定速度)的离子射到靶上时,入射离子和靶原子发生弹性碰撞,人射离子的部分能量传给了被撞的靶原子,它本身则被散射,散射的方向随一些参量而变化,
如图2(质心坐标系)所示•设Zi,Z2分别为入射离子及靶原子的原子序数,m、M分别为它
们的原子质量,e为单位电子电荷量,Vo为入射离子的速度,b为碰撞参量或瞄准距离(即入射轨迹延伸线与靶原子核的距离),x为散射角•由分析力学可以推导出。
即存在着大角度的被反弹回来的离子,如图3所示。
RBS分析中正是这种离子,所
人射离于
*ff<□~~-
图2弹性散射(质心坐标系)
图3是实验室坐标系的背散射示意图
(1)
⑵
⑶
撞后为vi和V2,散射角为0o可以证明,在m 散射的离子。 按照能量守恒及动量守恒定律,可以得到下述三个关系式 121212 —mV—mV]—MV2 2022 mV0mVcosMV2cos 0mVsinMV2sin 在m 错误! 未找到引用源 =错误! 未找到引用源 ⑸ 假定人射离子碰撞后及碰撞前的能量之比为运动因子K,则有: 错误! 未找到引用源。 (6) 式中&、m和e均可由实验条件确定而为已知量,由运动学因子公式可看出: 当入射 离子种类(m),能量(&)和探测角度(0)一定时,曰与M成单值函数关系,M大则Ei M。 这 大(即K值大)。 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 由(6)式可得K与M的关系。 由于对上式分析的需要我们引入质量分辨率的概念: 如果SE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5M为M-E^dK)1,SM是对样品中靶核质量差别的分辨能力。 EodM (1)探测器能量分辨的影响 M上半厂 E0dM 故探测器能量分辨越高,RBS质量分辨率越好。 由于探测器的能量分辨率是有限的,因 入射离子能量E。 、靶核质量数M等因素有关。 (2)错误! 未找到引用源。 a入射时K随散射角的变化 此这个方法测定轻元素区的质量分辨率尚可,而测定重元素区的质量分辨率则较低。 对质量分辨率的影响 用源 1 错误! 未找到引用源。 =错误! 未找到引 B增大,同样AM下,AK增大,SM减小, 质量分辨率提高 因此,卢瑟福背散射分析在实验安排上要使尽可能接近180度,因为越接近180度, RBS质量分辨率越高。 3)入射粒子的种类对质量分辨率的影响 因B接近180度,令S=n-0,S为一小量,且M>>m,则对K因子公式求M的偏导数并化减得: 错误! 未找到引用源。 错误! 未找到引用源。 =错误! 未找到引用源。 m增大,SM减小,RBS质量分辩提高。 可以证明在常用条件下,当M/m=3.37时质量 分辨率最佳。 由于RBS常用的金硅面垒探测器的能量分辨率随m增大变差,所以RBS一般 选m为1~7。 重离子做RBS时,可采用磁谱仪或飞行时间谱仪。 4)入射粒子能量对RBS质量分辨率的影响 错误! 未找到引用源。 =错误! 未找到引用源。 入射离子能量Eo越高,RBS质量分辨率越好。 但Eo太高会产生非卢瑟福散射甚至核反 应。 一般: p~300KeV,错误! 未找到引用源。 : 1~3MeV 5)M对RBS质量分辨率的影响 错误! 未找到引用源。 =错误! 未找到引用源。 M减小,SM减小,RBS质量分辩提高。 所以RBS对重元素质量分辨率差。 (此公式成立的条件是m< 有以上分析可知提高背散射质量分辨率的方法有: 1)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。 2)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。 3)实验安排上要使错误! 未找到引用源。 尽可能接近180度。 4)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。 提高质量分辨率的方法有: (1)提高入射能量Eo。 如前所述,Eo过高会使入射离子和靶原子发生核反应,故不能过高。 (2)卢瑟福背散射分析在实验安排上要使尽可能接近18o度,因为越接近18o度,RBS质量分辨率越高。 (3)增大m,就是使用更重些的入射离子•可以证明在常用条件下,当M/m=3.37时质量分辨率最佳。 但对重离子,金硅面垒能量探测器的能量分辨率大大下降,因此用面垒探侧器法实际上不能利用增大m值的方法来提高质量分辨率。 (4)有待于探测器能量分辨率的提高。 静电分析器法的能量分辨率高于面垒探测器法, 但设备复杂,亦有它的弱点。 2、散射截面和探测灵敏度 散射截面的作用是测量发生散射的几率,它关系到背散射离子的数目,即与定量分析及灵敏度有关。 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)。 则定义微分散射截面为: d丄? 丄? 巴 丁"NTQ? 丁 1d 因为探测器所张的立体角是有限的,故取平均散射截面为: -—d,所以探 d 测器在一个立体较重接收到的背散射离子数为: ANt? Q? —dNtQ d 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 截面厅。 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。 由于散射粒子计数A正比于散射截面b. 射截面正比于Z12。 因此用较重入射离子可提高探测灵敏度。 微分散射截面正比于Z22。 所以 重元素的探测灵敏度高于分析轻元素。 因此,背散射较适用于轻基体上的重元素分析,不适 合重基体上的轻元素分析。 微分散射截面反比于E2。 所以背散射分析灵敏度随入射离子能 量降低而提高。 3、能量损失因子和深度分辨率 当入射离子进入靶内P时,它将和靶原子的电子和核发生作用从而损失能量。 设能量为 E0的离子穿透△x厚的靶后能量减少△E,如图3所示。 则定义: AEdE lim——=—— AXdx 为“能量损失(率”单位是eV/? 。 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。 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)来代替时得到了同深度x的关系为: E dE Kx dE x x dEK dE 1 dx inCOS1 dxout cos2 dxincos1 dx outCoS2 所以定义 S dE k dE 1 -为能量损失因子, 2 则有ES? x。 dx inCOS1 dxout cos 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,这是RBS的元素深度分布基本原理。 RBS技术的应用 1、 杂质总量分析 2、 杂质的深度分布 3、 化合物化学配比测定 4、 表面层厚度的分析 5、 应用于阻止本领和能量歧离的测量 五、实验条件及样品 4mm,距离样品 实验条件: Li++束,Eo=3.6MeV,散射角150度。 探测器有效面积直径 运动学因子: Ks=0.385,KGe=0.697, 样品: 1: Si衬底上W膜 样品结构: Kw=0.867,Kai=0.371,Kcr=0.603 A1、 W S102 * Si 67mm。 1用W、Ge对RBS能谱横轴进行能量刻度,将RBS能谱的横轴从道数转换为能量。 写出能量刻度方程。 2、Si衬底上W膜厚度的测量。 实验中,采集3.6MeVLi++为入射离子,散射角为160度 时的RBS能谱,用W薄膜峰的宽度或峰面积求薄膜厚度。 W的密度为19.29g/cm3。 数据图谱: 1、Si衬底上W膜 六、实验数据 Energy[keV] Channel 2、GeSi样品 Energy[keV] 读取数据(如上面三图所示) 数据点 全高道数 全高计数 半高道数 半高计数 W-a(前沿) 640 1287 650 633 W-b(后沿) 521 1516 507 721 Ge-a(前沿) 499 697 509 334 Ge-b(后沿) 449 698 440 368 七、数据处理 1、定标能量刻度方程 设能量E与道数channel之间的线性关系为: 错误味找到引用源。 ,错误味找到引用源。 为待定系数。 由W、Ge的前沿半高能量为已知的: Ew-a=KWB)=3106.8kev,Ese-a=KGeBo=2473.2kev,对 应道数为: chW-a=1287,chGel-a=697带入已设定的线性方程,可求出错误! 未找到引用源。 ,得: 拟合后的线性能量刻度方程为: E=4.494错误味找到引用源。 ch+185.949 用Si-a点进行检验: E=4.494X256+185.949=1336.413 理论值为: KsiEo=1335.6kev,相对误差n为0.06087%,可见在误差允许的范围内是可以认为是正确的。 2、Si衬底上W膜厚度 由公式: Ex[s]xN[] []{inout cos1cos2 in,out为阻止截面, 则膜的厚度公式为: 代入数据计算: 数据点 全高道数 全高计数 半高道数 半高计数 能量 W-b 后沿 521 1516 507 721 2695.092 W的前沿半高能量为Ew-a=3106.8kev,实验时读出的后沿半高处的能量Ew- b=2464.407kev错误味找到引用源。 ,错误味找到引用源。 =642.393kev 采用平均能量近似: En=E>1/4*△E=3439.40175keV,Eout=Ew-b+1/4*△E=2625.00525keV 查表可知: (Ein)696.117kevcm2mg (Eout)701.75kevcm2mg 由0=160°可得: 12[]inKout0.863696.1171.064701.751347.41kevcm/mg cos 642.393kev 2.472105cm2472(埃) 膜的厚度为: []N1347.41kevcm2/mg19.29g/cm3
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- RBS 卢瑟福 散射 实验 报告