现代物理实验之RBS省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

王广甫 E-mail:guangfu_ 电话:62208271卢瑟福背散射分析卢瑟福背散射分析RutherfordBackscatteringSpectrometry（RBS）当代物理试验当代物理试验之之第1页参考书目参考书目l核分析技术核分析技术赵国庆等，赵国庆等，1989年，年，原子能出版社原子能出版社l离子束分析离子束分析杨福家杨福家1985版版l原子核物理试验方法（下）原子核物理试验方法（下）复旦等复旦等1985版版l粒子同固体物质相互作用（上）王粒子同固体物质相互作用（上）王广厚广厚1988l背散射朱唯干背散射朱唯干1981版版第2页内容内容:一、引言一、引言二、二、RBS分析原理分析原理三、三、RBS试验装置试验装置四、四、RBS应用应用五、总结五、总结六、试验安排六、试验安排第3页一、引言一、引言1、离子与物体相互作用、离子与物体相互作用2、常见离子束分析方法、常见离子束分析方法3、RBS分析及其特点分析及其特点4、RBS发展发展第4页当代物理分析技术大都是经过外场（电磁场、当代物理分析技术大都是经过外场（电磁场、力场等）或粒子与物质相互来对物质元素组成和结构力场等）或粒子与物质相互来对物质元素组成和结构进行分析。进行分析。例：电磁场：扫描隧道显微镜（例：电磁场：扫描隧道显微镜（STM）核磁共振谱仪（核磁共振谱仪（NMR）质谱分析技术（质谱分析技术（MS）力场：原子力显微镜（力场：原子力显微镜（AFM）光子为工具：光子为工具：Raman光谱光谱红外光谱（红外光谱（IR）穆斯堡尔谱穆斯堡尔谱光电子能谱（光电子能谱（XPS）X射线衍射（射线衍射（XRD）X射线荧光（射线荧光（XFA）第5页电子为工具：电子为工具：扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEM）透射电子显微镜（透射电子显微镜（TEM）低能电子电子衍射（低能电子电子衍射（LEED）中子为工具：中子衍射中子为工具：中子衍射中子活化分析（中子活化分析（NAA）.离子为工具：离子为工具：？第6页1、离子与固体相互作用、离子与固体相互作用THEATOMICELECTRONSand/orTHEATOMICNUCLEIInitspassagethroughmatter,anionmayinteractwith第7页第8页TheinteractionofanionwithanatomicelectronispurelyCoulomb(i.e.interactiongovernedbytheCoulombslaw).IONIZATIONtheelectronisejectedfromitsatomicorbitSuchinteractionwillresultin:orATOMICEXCITATIONtheelectronisraisedtoanouterorbitAn ionized/excited atom will eventually return to itsgroundstate,accompaniedbytheemissionofoneormorex-rays/photons.第9页An electron ejected from its atomic orbit is called asecondary electron.It may further ionize or exciteanother atom,resulting in the emission of more x-rays/photons.An secondary electron may also be decelerated by thecoulombfieldofanucleus,losingpartorallitsenergyinformofbremsstrahlung(brakingradiation).二次电子和轫致辐射二次电子和轫致辐射第10页TheinteractionofanionwithanatomicnucleuscanbeCOULOMBELASTICSCATTERINGCOULOMBINELASTICCOLLISIONCOULOMBEXCITATIONNUCLEARINELASTICSCATTERINGNUCLEARTRANSFORMATION第11页离子与原子核相互作用离子与原子核相互作用INTERACTIONFORCEPROCESSEFFECTONPARTICLEEFFECTONNUCLEUSCoulombElasticscatteringChangeofdirection,noreductionofenergyNoeffectCoulombInelasticcollisionDecelerated,losingpartorallofitsenergyintheformofbremssstrahlungNoeffectCoulombCoulombexcitationChangeofdirectionandreductionofenergyExcitedNuclearInelasticscatteringChangeofdirectionandreductionofenergyExcitedNuclearNuclearreactionTransmutedorabsorbedTransmuted第12页离子与固体相互作用小结：离子与固体相互作用小结：l离子与核外电子作用：离子与核外电子作用：电离，激发电离，激发l离子与原子核相互作用，离子与原子核相互作用，库仑相互作用，核相互作用库仑相互作用，核相互作用第13页离子束分析作用机制图次级离子质谱Secondary Ion Mass Spectrometry(SIMS)俄歇电子谱Auger Electron Spectrometry(AES)粒子诱发X射线荧光分析Particle Induced X-ray Emission(PIXE)核反应分析Nuclear Reaction Analysis(NRA)卢瑟福背散射分析卢瑟福背散射分析RutherfordBackscatteringSpectrometry(RBS)离子-原子原子作用范围离子-原子核原子核作用范围弹性反冲分析Elastic Recoil Detection(ERD)2、常见离子束分析方法第14页离子与固体相互作用及常见离子束分析方法离子与固体相互作用及常见离子束分析方法电离：产生俄歇电子电离：产生俄歇电子俄歇电子能谱（俄歇电子能谱（AES）产生特征产生特征X射线射线质子荧光分析质子荧光分析(PIXE)散射散射背散射分析背散射分析(RBS)，质子弹性散射分析，质子弹性散射分析（PESA）沟道效应沟道效应离子沟道（离子沟道（IC）反冲反冲弹性反冲分析（弹性反冲分析（ERD）核反应核反应核反应分析核反应分析(NRA)透射透射扫描透射离子显微镜（扫描透射离子显微镜（STIM）第15页一、一、引言引言背散射分析就是在一束单能质子、背散射分析就是在一束单能质子、粒粒子或其它重离子束轰击固体表面时子或其它重离子束轰击固体表面时,经过经过探测探测卢瑟福背散射（弹性、散射角大于卢瑟福背散射（弹性、散射角大于90度）度）离子能量分布（能谱）和产额确定样离子能量分布（能谱）和产额确定样品中元素种类（质量数）、含量及深度分品中元素种类（质量数）、含量及深度分布。所以背散射分析通常被称为卢瑟福背布。所以背散射分析通常被称为卢瑟福背散射谱学散射谱学RBS(RutherfordBackscatteringSpectrometry).3、RBS分析及其特点第16页第17页特点：RBS分析及其特点分析及其特点第18页4、背散射分析发展q19，盖革（H.Geiger）和马斯顿（E.Marsden）观察到了粒子散射试验现象卢瑟福散射试验Lord Ernest Rutherford第19页19，卢瑟福（Lord Ernest Rutherford）揭示了该现象，并确立了原子核式结构模型1957年，茹宾（Rubin）首次利用质子和氘束分析搜集在滤膜上烟尘粒子成份1967年，美国测量员5号空间飞船发回月球表面土壤背散射分析结果第20页元素深度分布第21页内容内容:一、引言一、引言二、二、RBS分析原理分析原理三、三、RBS试验装置试验装置四、四、RBS应用应用五、总结五、总结六、试验安排六、试验安排第22页二、RBS分析原理1、运动学因子和质量分辨率2、散射截面和探测灵敏度3、能量损失因子和深度分辨率4、RBS能谱5、能量歧离和探测器能量分辨率 对RBS能谱影响三个基本物理概念第23页二、RBS分析原理当入射离子能量远大于靶中原子结合能当入射离子能量远大于靶中原子结合能(10ev量量级级),并低于与靶原子发生核反应能量并低于与靶原子发生核反应能量(普通普通100kev/amu E 1Mev/amu)时时,离子在固体中沿直离子在固体中沿直线运动线运动,入射离子主要经过与电子相互作用而损失能入射离子主要经过与电子相互作用而损失能量量,直到与原子核发生库仑碰撞被散射后又沿直线回直到与原子核发生库仑碰撞被散射后又沿直线回到表面到表面.在这个背散射过程中包含四个基本物理概念在这个背散射过程中包含四个基本物理概念.它们是它们是:两体弹性碰撞运动学因子两体弹性碰撞运动学因子K微分散射截面微分散射截面 固体阻止截面固体阻止截面 能量歧离能量歧离这四个基本概念是背散射分析理论基础和应用出这四个基本概念是背散射分析理论基础和应用出发点也是限制其应用最终原因发点也是限制其应用最终原因.第24页1、运动学因子和质量分辨率1）运动学因子运动学因子定义：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）。第25页v库仑散射是弹性散射 动能和动量守恒：动能和动量守恒：详细推导参见王广厚-粒子同固体物质相互作用P102）可得：第26页由运动学因子公式能够看出：当入射离子种类（m），能量（E0）和探测角度（）一定时，E1与M成单值函数关系。所以，经过测量一定角度散射离子能量就能够确定靶原子质量数M。这就是背散射定性分析背散射定性分析靶元素种类基本原理。第27页MM大，K大，E1大（相同E0）第28页注意：注意：RBS适合用于轻基体上重元素分析，对重适合用于轻基体上重元素分析，对重基体上轻元素不灵敏。基体上轻元素不灵敏。E1第29页2）质量分辨率如E是RBS探测器系统能量分辨率，也就是可分辨背散射离子最小能量差异。那么RBS质量分辨率M为：第30页RBS质量分辨率:M是对样品中靶核质量差异分辨能力。当一靶核质量数与另一靶核质量数M差异小于M时RBS无法将这两种元素分辨开。第31页RBS质量分辨率和以下原因相关：l探测器所在处散射角l探测器能量分辨率El入射离子种类ml入射离子能量E0l靶核质量数M下面探讨这些原因对RBS质量分辨率影响第32页l探测器能量分辨率影响探测器能量分辨率越高，RBS质量分辨率越好。第33页增大，一样M下，K增大，M减小，质量分辨率提升。Kl对质量分辨率影响第34页所以，卢瑟福背散射分析在试验安排上要使尽可能靠近180度。因为越靠近180度，RBS质量分辨率越高。第35页l入射离子种类对质量分辨率影响 因靠近180度，令=-，为一小量，且Mm，则对K因子公式求M偏导数并化减得：第36页m增大，M 减小，RBS质量分辩提升。注意：RBS惯用金硅面垒探测器能量分辨率随m增大变差，所以RBS普通选m为17。重离子做RBS时，可采取磁谱仪或飞行时间谱仪。第37页l入射离子能量对入射离子能量对RBS质量分辨率影质量分辨率影响响入射离子能量入射离子能量E0越高，越高，RBS质量分辨质量分辨率越好。但率越好。但E0太高会产生非卢瑟福散射太高会产生非卢瑟福散射甚至核反应。普通：甚至核反应。普通：p300KeV，13MeV第38页M减小，M 减小，RBS质量分辩提升。所以RBS对重元素质量分辨率差。注意：上面公式条件是mM。lM对RBS质量分辨率影响第39页RBS对重元素质量分辨率较差第40页第41页3）提升背散射质量分辨率方法有：）提升背散射质量分辨率方法有：提升入射离子能量，但入射离子能量过高会使提升入射离子能量，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。入射离子和靶原子发生核反应。故不宜过高。经过提升离子探测系统能量分辨率，可采取静经过提升离子探测系统能量分辨率，可采取静电分析器或飞行时间技术。电分析器或飞行时间技术。试验安排上要使试验安排上要使 尽可能靠近尽可能靠近180度。度。利用大质量入射离子。但金硅面垒探测器对重利用大质量入射离子。但金硅面垒探测器对重离子能量分辨率较差，所以离子能量分辨率较差，所以M1普通选普通选47。另外：另外：RBS适合用于轻基体上重元素分析，对适合用于轻基体上重元素分析，对重基体上轻元素不灵敏。重基体上轻元素不灵敏。第42页常规常规RBS质量分辨率质量分辨率HeH对轻元素和对轻元素和中重元素分析，中重元素分析，采取采取2MeV4He离离子有较高质量分子有较高质量分辨率，对很轻元辨率，对很轻元素如素如D、T、He和和Li等用质子束等用质子束很好。很好。第43页第44页运动学因子小结：运动学因子小结：K=E1/E0E1=KE0是是RBS定性分析理论基础定性分析理论基础质量分辨率质量分辨率第45页二、RBS分析原理1、运动学因子和质量分辨率2、散射截面和探测灵敏度3、能量损失因子和深度分辨率4、RBS能谱5、能量歧离和探测器能量分辨率 对RBS能谱影响第46页2、散射截面 设Q为打到单元素薄靶上离子总数，d为位于散射角上探测器微分立体角，dQ为此微分立体角中探测器接收到背散射离子数，N为靶原子体积密度（atoms/cm3），t为薄靶厚度(Nt为靶面密度atoms/cm2)。定义微分散射截面为：NtZ1mE0探测器Z2 M1）散射截面定义第47页平均散射截面：因为探测器所张立体角是有限，故取平均散射截面：（其定义式以下）探测器接收到背散射离子数为:第48页2）RBS定量分析原理定量分析原理对于一个详细背散射试验，因为探测器对于一个详细背散射试验，因为探测器所张立体角所张立体角 是能够测量，假如知道散射截是能够测量，假如知道散射截面面。就能够经过测量探测器接收到离子。就能够经过测量探测器接收到离子数数A和入射离子总数和入射离子总数Q由上式计算出靶原子由上式计算出靶原子面密度面密度Nt。这便是。这便是背散射定量分析基本原背散射定量分析基本原理。理。第49页3）卢瑟福散射截面卢瑟福散射条件：卢瑟福散射卢瑟福散射截面公式：截面公式：第50页4）RBS分析灵敏度分析灵敏度因为散射粒子计数因为散射粒子计数A正正比于散射截面比于散射截面，故截面越故截面越大，计数越多，分辨越好大，计数越多，分辨越好减小，E0第51页RBS对重元素探测灵敏度高对重元素探测灵敏度高第52页l提升提升RBS分析灵敏度方法：分析灵敏度方法：微分散射截面正比于Z12。所以用较重入射离子较重入射离子可提升探测灵敏度。微分散射截面正比于Z22。所以重元素探测灵敏度高重元素探测灵敏度高于于分析轻元素。所以，背散射较适合用于轻基体上重元素分析，不适合重基体上轻元素分析。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入射离子能量降低而提升。当mM时，将上式按m/M展开，略去高次项，能够得到微分散射截面近似反比于 。所以当散射角减小散射角减小时，散射截面增大很快。所以当质量分辨率不成问题时，可利用此性质适当减小来提升灵敏度。l利用共振散射或非卢瑟福散射利用共振散射或非卢瑟福散射第53页RBS探测灵敏度预计：对2MeV4He离子在探测轻基体（ZM）表面上重元素（Zi）污染时探测灵敏度约为：C表面Au污染，灵敏度可达1012atoms/cm2对厚样品中重杂质元素分析：大约为100ppm第54页二、RBS分析原理1、运动学因子和质量分辨率2、散射截面和探测灵敏度3、能量损失因子和深度分辨率4、RBS能谱5、能量歧离和探测器能量分辨率 对RBS能谱影响第55页3能量损失因子能量损失因子深度分辨率深度分辨率1）能量损失）能量损失在离子在某固体中做直线运动过程中，离子主在离子在某固体中做直线运动过程中，离子主要经过与靶原子电子相互作用而损失能量。定义要经过与靶原子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能量离子在单位径迹长度上损失能量为比能量损失或叫作能为比能量损失或叫作能量损失（率）。也叫作量损失（率）。也叫作这种固体阻止本事这种固体阻止本事.第56页在入射路径上：在入射路径上：在出射路径上：在出射路径上：2）能量损失因子定义能量损失定义能量损失后，可确定不后，可确定不一样深度散射一样深度散射出离子同表面出离子同表面散射出离子能散射出离子能量之差。从而量之差。从而建立建立RBS能谱能谱宽度和靶厚度宽度和靶厚度之间关系之间关系第57页这么在同一角度，探测到被靶表面靶原子散射离子这么在同一角度，探测到被靶表面靶原子散射离子能量和被深度能量和被深度x处靶原子散射离子能量之差为：处靶原子散射离子能量之差为：当入射和出射路径上当入射和出射路径上能量损失用一个常量能量损失用一个常量（如平（如平均能量损失率）来代替时得到了均能量损失率）来代替时得到了 E同深度同深度x关系为：关系为：第58页定义：定义：为能量损失因子为能量损失因子，则：，则：这么，由能量损失因子就能够把背散射能谱中能这么，由能量损失因子就能够把背散射能谱中能量坐标换算成深度坐标，并依据不一样深度处能谱高量坐标换算成深度坐标，并依据不一样深度处能谱高度就能够得到元素深度分布。度就能够得到元素深度分布。这是这是RBS元素深度分布元素深度分布原理原理。第59页3）阻止截面及其可加性）阻止截面及其可加性用能量损失来计算能量损失因子缺点是:它随靶元素组成及密度而改变，所以对于详细靶极难查到能量损失率数值。为此引入阻止截面或叫做阻止本事概念。单原子靶材料原子密度为N，一定能量E入射离子在此材料能量损失为。则定义：为此种靶原子对能量E入射离子阻止截面 第60页引入阻止截面优点引入阻止截面优点:阻止截面和靶原子种类、入射离子种类及能量相关，而同靶密度无关.能够由图表查到.阻止截面含有可加性 对分子式为AmBn化合物，其阻止本事为:第61页4）能量损失因子近似计算上面在能量损失因子介绍过程中，我们将入射和出射路径上阻止截面作为常数来对待。而对于给定靶材料和入射离子种类，阻止截面是离子能量E函数。离子在样品中运动时，能量在减小，用怎样一个常数来替换阻止截面呢？第62页l表面能量近似表面能量近似入射路径：出射路径：能量损失因子：能量损失因子：表面能量近似实际上是取x趋于零时能量损失来近似第63页特点：简单适合用于薄靶小于10000埃，近似误差大约在5%左右能量近似示意图平均能量近似平均能量近似平均能量近似平均能量近似第64页l平均能量近似平均能量近似平均能量近似，是分别采取入射和出射路径上离子平均能量来近似入射和出射路径上离子能量。即：入射路径：出射路径：这种方法精度较高，但因为E是未知，所以用起来较复杂，普通用迭代方法来计算。第65页l对称能量近似对称能量近似出射路径上：这种方法精度介于上述两种方法之间。因知道E0、E和E1各量，计算也相对简单。入射路径上：第66页5）求散射前能量散射前能量E方法方法 l能量损失比喻法能量损失比喻法 假定是出射路径能量损失和入射路径能量损失之比，并同深度相关 第67页表面能量近似下：这种方法对于表面近似适用薄样品很准确，对较厚样品也适用，因为能量损失比比阻止本事改变慢。第68页l数值方法数值方法将样品划分为许多厚度为x小薄层，在每一薄层内，能量损失率可看作常数，则有：入射路径上第69页6）RBS深度分辨率假如RBS探测系统能量分辨率为E,不一样深度x1和x2背散射到探测器离子能量差为E1.则只有在E1 E时,探测系统才能区分这两个不一样散射深度.把E对应深度差异x定义为RBS深度分辨率.第70页m增大增大探测探测器能器能量分量分辨率辨率变差变差第71页不一样材料不一样深度深度分辨不一样材料不一样深度深度分辨率率第72页l入射离子能量低，dE/dx大，S大，深度分辨率高。（各别例外）l重离子入射时，dE/dx大，S大，但因重离子E大,深度分辨率改进不显著。l掠角入射，即增大1 和2，S大，深度分辨率高。l靶核越重，dE/dx大，S大。所以，较重靶元素比轻元素深度分辨率高(但与靶密度相关)。l改进E，用致冷面垒探测器提升深度分辨率方法:掠角入射掠角入射第73页RBS深度分辨率第74页二、RBS分析原理1、运动学因子和质量分辨率2、散射截面和探测灵敏度3、能量损失因子和深度分辨率4、RBS能谱5、能量歧离和探测器能量分辨率 对RBS能谱影响第75页4、RBS能谱能谱背散射能谱是进行RBS定量分析依据.其横坐标为背散射离子能量,纵坐标为对应能量背散射离子产额。不一样成份和厚度样品,RBS能谱不一样.1)薄样品EE0为薄样品,可忽略离子能量改变对散射截面和能量损失影响.第76页l单元素较薄较薄(EEE)单元素薄样品理想RBS谱前沿高度前沿高度x为对应能量为E1表面薄层E1为多道分析器道宽E=Sx第78页l化合物薄化合物薄膜膜化合物化合物AmBn(ZAZB)理想理想RBS能谱能谱能谱宽度能谱宽度(表面近似表面近似):第79页化合物阻止截面因子化合物阻止截面因子阻止介质产生散射靶原子从A元素散射阻止截面因子从B元素散射阻止截面因子第80页2)厚样品能谱厚样品能谱l单元素厚样品单元素厚样品E1-E1xx对应产额对应产额:入射路径上取入射路径上取第81页出出射射路路径径上上E1-E1第82页如如E E1 1为多道道宽为多道道宽,可得可得单元素厚样品能谱中能量单元素厚样品能谱中能量为为E1某一道计数为：某一道计数为：E1-E1将将代入代入第83页l化合物厚样品化合物厚样品AmBn(ZAZB)xAxB第84页二、RBS分析原理1、运动学因子和质量分辨率2、散射截面和探测灵敏度3、能量损失因子和深度分辨率4、RBS能谱5、能量歧离和探测器能量分辨率、能量歧离和探测器能量分辨率对对RBS能谱影响能谱影响第85页5、能量歧离和探测器能量分辨率对、能量歧离和探测器能量分辨率对RBS能谱影响能谱影响1)能量歧离能量歧离单能离子束穿透某一厚度靶后，单能离子束穿透某一厚度靶后，会产生一定能量分散度。这就称会产生一定能量分散度。这就称为能量歧离。为能量歧离。造成能量歧离原因：造成能量歧离原因：电子能量损失歧离电子能量损失歧离:离子与靶原离子与靶原子电子大量碰撞是一个随机过程，子电子大量碰撞是一个随机过程，存在统计涨落。存在统计涨落。核能量损失歧离。核能量损失歧离。屡次小角度散射（各离子不一样）屡次小角度散射（各离子不一样）几何歧离，探测器立体角和束斑几何歧离，探测器立体角和束斑非无限小。非无限小。表面和界面粗糙表面和界面粗糙第86页l电子能量损失歧离电子能量损失歧离玻尔理论：玻尔理论：离子穿过固体样品时离子穿过固体样品时,同大量电子碰同大量电子碰撞后产生能量分散为高斯分布撞后产生能量分散为高斯分布入射离子原子序数入射离子原子序数靶原子原子序数靶原子原子序数穿过靶深度穿过靶深度1018atoms/cm2能散分布方差能散分布方差KeV2高斯分布半高全宽高斯分布半高全宽FWHM=2.355BohrBohrE0-E EFWHM第87页能量歧离可加性：能量歧离可加性：对于化合物对于化合物AmBn有有:核能量损失歧离核能量损失歧离对各种原因造成能量歧离：对各种原因造成能量歧离：第88页能量歧离随穿过样品深度改变能量歧离随穿过样品深度改变第89页能量歧离存在造成能量歧离存在造成RBS能谱前后沿能谱前后沿改变，同时会造成深度分辨率下降改变，同时会造成深度分辨率下降和靶内原子质量分辨率下降。和靶内原子质量分辨率下降。2）能量歧离和探测器能量分辨率对能谱影响）能量歧离和探测器能量分辨率对能谱影响表面主要是探测系统分辨率影表面主要是探测系统分辨率影响。深度增大响。深度增大,能量歧离增大能量歧离增大2.6MeV，He，=160=160C C靶靶第90页l屡次散射影响屡次散射影响小角度屡次散射小角度屡次散射随入射深度增大随入射深度增大,屡屡次散射几率增加次散射几率增加,屡屡次散射对次散射对RBS谱低谱低能部分影响显著能部分影响显著第91页内容内容:一、引言一、引言二、二、RBS分析原理分析原理三、三、RBS试验装置试验装置四、四、RBS应用应用五、总结五、总结六、试验安排六、试验安排第92页三、三、RBS试验装置试验装置1、一定能量离子束产生装置-加速器2、离子散射和探测地方-靶室3、背散射离子探测和能量分析装置4、放射源RBS第93页1、加速器粒子加速器是利用电场加速带电粒子装置粒子加速器是利用电场加速带电粒子装置F=qE=ma 阴极射线管（显像管）是加速器雏形阴极射线管（显像管）是加速器雏形加速器实际上是增能器。加速器实际上是增能器。W=qe Esds粒子能量单位：电子伏（粒子能量单位：电子伏（eV）1eV=1.602 10 19J第94页约束磁铁约束磁铁电磁聚焦电磁聚焦粒子源粒子源LEBT主加速器主加速器HEBT靶靶/探测器探测器机械机械真空真空电源电源束测束测控制控制微波微波超导超导低温低温激光激光数据获取数据获取/成像成像辐射防护辐射防护加速器组成加速器组成第95页高压倍加器高压倍加器高压倍加器组成高压倍加器组成：升压变压器、：升压变压器、高压电容、高反压整流器高压电容、高反压整流器第96页高频高压加速器高频高压加速器高频高压倍压加速器高频高压倍压加速器又称又称“地那米地那米”加速器加速器(dynami-tron),第97页范德格拉夫范德格拉夫(静电静电)加速器加速器第98页串列加速器高压电极电压高压电极电压V普通由高频普通由高频高压电源或静电高压电源提高压电源或静电高压电源提供，高压电极两端分别接一供，高压电极两端分别接一根真空加速管，高压电极内根真空加速管，高压电极内部有剥离器，用来将正离子部有剥离器，用来将正离子转换为负离子，实现二次加转换为负离子，实现二次加速。速。能量为能量为Ei负离子注入前加速管由地电位加速到高压电极，能量增负离子注入前加速管由地电位加速到高压电极，能量增加加Vq，经剥离掉，经剥离掉n+1个电子后变带个电子后变带n个电荷正离子，由高压电极个电荷正离子，由高压电极加速到地，能量增加加速到地，能量增加nqV。离子最终能量为：。离子最终能量为：Ei+Vq+nqV=Ei+(1+n)qV优点：较低电压取得较优点：较低电压取得较高能量；离子源和靶室高能量；离子源和靶室均处于地电位均处于地电位初始能量初始能量前加速管取得能量前加速管取得能量后加速管取得能量后加速管取得能量第99页l离子源离子源358型双等离子体离子源型双等离子体离子源第100页358型双等离子体离子源型双等离子体离子源第101页860A溅射离子源溅射离子源第102页l高压电源高压电源第103页l加速管和剥离器加速管和剥离器第104页l钢筒与高气压绝缘钢筒与高气压绝缘为了缩小加速器尺寸，又预防为了缩小加速器尺寸，又预防高压击穿。利用高气压气体能高压击穿。利用高气压气体能提升击穿强度特征，加速器放提升击穿强度特征，加速器放在一个充有在一个充有6 6个大气压个大气压SFSF6 6气体气体钢筒内。钢筒内。T T型钢筒垂直段是提供高压电型钢筒垂直段是提供高压电极电荷极电荷35kHz Cockroft35kHz Cockroft型高频型高频高压电源。高压电源。第105页北京师范大学2X1.7MeV串列加速器离离子子源源分析磁铁分析磁铁高压电源高压电源高压电极高压电极高压罐高压罐加速管加速管聚焦磁铁聚焦磁铁开关磁铁开关磁铁真空泵真空泵PIXERBS第106页三、三、RBS试验装置试验装置1、一定能量离子束产生装置-加速器2、离子散射和探测地方-靶室3、背散射离子探测和能量分析装置4、放射源RBS第107页2）靶室TargetVACUUMCHAMBERSi(Li)x-raydetector(forPIXE)Ge(Li)-raydetector(forPIGE)Annularparticledetector(forERDA)AnnularparticleDetector(forRBS)FaradaycupCOLLIMATORSIonbeamCONVENTIONALIBAEXPERIMENTALSETUP:第108页三、三、RBS试验装置试验装置1、一定能量离子束产生装置-加速器2、离子散射和探测地方-靶室3、背散射离子探测和能量分析装置4、放射源RBS第109页3)RBS离子探测和能量分析装置离子探测和能量分析装置RBS离子探测和能量离子探测和能量分析装置组成分析装置组成:探测器探测器前置放大器前置放大器主放大器主放大器偏压电源偏压电源多道计算机多道计算机束流积分仪束流积分仪RBS电子学系统框图电子学系统框图第110页l探测器探测器金硅面垒探测器金硅面垒探测器Au contactMetal electrode n-type siliconDetectorbias(+)Depletion region-+第111页第112页l前置放大器前置放大器l主放大器主放大器V=Q/Cf线性放大线性放大第113页l多道分析器探测器探测器前前置置主主放放多多道道QV2=AmV1V1=Q/Cf第114页三、三、RBS试验装置试验装置1、一定能量离子束产生装置-加速器2、离子散射和探测地方-靶室3、背散射离子探测和能量分析装置4、放射源RBS第115页“勇气”号、“机遇”号火星车车载APXS谱仪（）4）放射源）放射源RBS第116页勇气和探索者火星车车载勇气和探索者火星车车载APXS示意图示意图第117页APXS和x射线能谱第118页内容内容:一、引言一、引言二、二、RBS分析原理分析原理三、三、RBS试验装置试验装置四、四、RBS应用应用五、总结五、总结六、试验安排六、试验安排第119页四、四、RBS技术应用技术应用1.杂质总量分析杂质总量分析2.杂质深度分布杂质深度分布3.化合物化学配比测定化合物化学配比测定4.表面层厚度分析表面层厚度分析5.应用于阻止本事和能量歧离测量应用于阻止本事和能量歧离测量第120页1、杂质总量分析、杂质总量分析RBS分析对轻元素基体表面或体内重分析对轻元素基体表面或体内重元素含有较高分析灵敏度，所以尤其适合元素含有较高分析灵敏度，所以尤其适合用于测定微量重元素杂质浓度。用于测定微量重元素杂质浓度。CBmCmBBC峰面积峰面积AH0,B杂质浓度杂质浓度杂质峰面积杂质峰面积探测器探测器立体角立体角入射离子数入射离子数杂质散射截面杂质散射截面入射离子能量入射离子能量l能谱面积法能谱面积法入射角入射角第121页1、杂质总量分析、杂质总量分析CBmCmBBCAH0,B基体能谱基体能谱前沿高度前沿高度多多道道分分析析器器道道宽宽l基体能谱比较法基体能谱比较法基体核散基体核散射截面射截面基体元素阻止截面基体元素阻止截面优点：无需准确测量优点：无需准确测量Q，1，第122页1、杂质总量分析、杂质总量分析CBmCmBl样品体内杂质含量分析样品体内杂质含量分析对于近表面内分布很窄杂质，仍对于近表面内分布很窄杂质，仍能够采取上述能够采取上述2种方法。种方法。对于样品体内均匀分布杂质，可对于样品体内均匀分布杂质，可用杂质和基体前沿比较法。用杂质和基体前沿比较法。CBmCmB杂质前沿高度杂质前沿高度杂质浓度杂质浓度基体浓度基体浓度基体前沿高度基体前沿高度第123页1、杂质总量分析、杂质总量分析l样品体内均匀杂质含量分析样品体内均匀杂质含量分析阻止截面：阻止截面：因杂质含量低计因杂质含量低计算能量损失时，算能量损失时，仅考虑基体元素仅考虑基体元素第124页四、四、RBS技术应用技术应用1.杂质总量分析杂质总量分析2.杂质深度分布杂质深度分布3.化合物化学配比测定化合物化学配比测定4.表面层厚度分析表面层厚度分析5.应用于阻止本事和能量歧离测量应用于阻止本事和能量歧离测量第125页2、杂质深度分布分析、杂质深度分布分析l离子注入样品退火前深度分布离子注入样品退火前深度分布注量：由注入杂质峰面积和注量：由注入杂质峰面积和基体前沿高度比较得到。基体前沿高度比较得到。投影射程：由杂质峰位置确投影射程：由杂质峰位置确定：定：KASE0EAS第126页2、杂质深度分布分析、杂质深度分布分析l离子注入样品退火前深度分布离子注入样品退火前深度分布杂质分布：注入离子射程分布为高斯分布，射程杂质分布：注入离子射程分布为高斯分布，射程歧离由注入杂质峰半高宽确定。歧离由注入杂质峰半高宽确定。As峰半高宽峰半高宽RBS探测系统探测系统能量分辨率能量分辨率能量歧离能量歧离As分布引发分布引发能散能散FWHM为60KeV,ED由由Si峰前沿得到，峰前沿得到，为22KeV;s s可由可由BohrBohr理理论得到，得到，为7.5KeV7.5KeV，ERp=55.3KeV射程分布射程分布半高宽半高宽:射程分布标准偏差射程分布标准偏差=R Rp p/2.355=50nm第127页2、杂质深度分布分析、杂质深度分布分析l离子注入样品退火后深度分布离子注入样品退火后深度分布经过将能量坐标换成深度坐标，产额换算成浓度经过将能量坐标换成深度坐标，产额换算成浓度可得到深度分布曲线。可得到深度分布曲线。第128页四、四、RBS技术应用技术应用1.杂质总量分析杂质总量分析2.杂质深度分布杂质深度分布3.化合物化学配比测定化合物化学配比测定4.表面层厚度分析表面层厚度分析5.应用于阻止本事和能量歧离测量应用于阻止本事和能量歧离测量第129页3、化合物化学配比测定、化合物化学配比测定1）前沿高度比较）前沿高度比较用到用到m,n。可用迭代法求化学配比。三次迭代足够！。可用迭代法求化学配比。三次迭代足够！=1阻止截面计算中要阻止截面计算中要第130页3、化合物化学配比测定、化合物化学配比测定极少碰到上述自支极少碰到上述自支撑两元化合物薄膜。多撑两元化合物薄膜。多数情况下是衬底材料上数情况下是衬底材料上化合物薄膜分析。化合物薄膜分析。比如右图为比如右图为Si衬底衬底上氮化硅薄膜。上氮化硅薄膜。用迭代高度比较法用迭代高度比较法得到。硅和氮化学配比得到。硅和氮化学配比为为o.74。即。即Si3N4H0，NH0，Si第131页比如：半导体材料SiGe合金分析SiSiO2SiGe合金GeSiGe中SiSiO2中SiSi衬底O160度Ge前沿高为：Si前沿高为：迭代二次得到Si,Ge比为：经过将能量坐标换成深度，产额比换算化学配比，可取得SiGe化学配比及其深度分布。3.6MeV Li+束第132页2）多元素样品）多元素样品右图为陶瓷玻璃右图为陶瓷玻璃（CG）RBS能谱。元能谱。元素素X和和O原子比为：原子比为：取：取：可得各元素与氧元素原子可得各元素与氧元素原子比一级近似。代入：比一级近似。代入：迭代迭代第133页3）薄膜界面分析）薄膜界面分析SiFeAr,XeandAuionsFexSiy Ion energyIon energy100-700 keV100-700 keVFluenceFluence1x101x101515-2x10-2x101616 ions/cm ions/cm2 2Liquid nitrogen Liquid nitrogen room temperatureroom temperaturel离子束混合：用重离子轰击样品表面，可使薄膜离子束混合：用重离子轰击样品表面，可使薄膜与基体，或薄膜之间界面上形成原子混合层。与基体，或薄膜之间界面上形成原子混合层。第134页l离子束混合离子束混合SiFe 第135页第136页第137页四、四、RBS技术应用技术应用1.杂质总量分析杂质总量分析2.杂质深度分布杂质深度分布3.化合物化学配比测定化合物化学配比测定4.薄膜厚度分析薄膜厚度分析5.应用于阻止本事和能量歧离测量（略）应用于阻止本事和能量歧离测量（略）第138页4、薄膜厚