卢瑟福背散射分析(RBS)

卢瑟福背散射（RBS）试验汇报何燃核科学与技术学院一、试验目旳1、掌握RBS分析原理，理解试验装置；2、初步掌握RBS旳分析措施。

二、试验原理当入射离子能量远不小于靶中原子旳结合能(~10ev量级),并低于与靶原子发生核反应旳能量(一般100kev/amu ≤E ≤1Mev/amu)时,离子在固体中沿直线运动,入射离子重要通过与电子互相作用而损失能量,直到与原子核发生库仑碰撞被散射后又沿直线回到表面.在这个背散射过程中包括四个基本物理概念.它们是:a)两体弹性碰撞旳运动学因子Kb)微分散射截面σc)固体旳制止截面εd)能量歧离这四个基本概念是背散射分析旳理论基础和应用旳出发点也是限制其应用旳最终原因.RBS旳分析原理详细来说如下：1、运动学因子和质量辨别率1）运动学因子旳定义：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）。

由于库伦散射是弹性散射，动量和能量守恒可以得到由运动学因子公式可以看出：当入射离子种类（m），能量（E0）和探测角度（θ）一定期，E1与M成单值函数关系。

图1 入射粒子与靶原之间旳弹性碰撞示意图因此，通过测量一定角度散射离子旳能量就可以确定靶原子旳质量数M。

这就是背散射定性分析靶元素种类旳基本原理。

2）质量辨别率旳定义如δE是RBS探测器系统旳能量辨别率，也就是可辨别旳背散射离子最小旳能量差异。

那么RBS旳质量辨别率δM为：δM是对样品中靶核质量差异旳辨别能力。

当一靶核质量数与另一靶核质量数M旳差异不不小于δM时RBS无法将这两种元素辨别开。

3）提高背散射质量辨别率旳措施有：a)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。

故不适宜过高。

b)通过提高离子探测系统旳能量辨别率，可采用静电分析器或飞行时间技术。

c)试验安排上要使θ尽量靠近180度。

d)运用大质量旳入射离子。

但金硅面垒探测器对重离子能量辨别率较差，因此M1一般选4~7。

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Z i , Z 2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，V o 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撞后为v i 和V 2,散射角为0o 可以证明，在 m<W 的条件下，B~,x 即实际上存在着被反向 散射的离子。

卢瑟福背散【摘要】卢瑟福背散射分析（RBS ）是一种对离子束进行分析的方法，其主要优点是能对材料表层的成分作纵向分析，并且无需材料的标准样品就能作定量分析。

本报告主要介绍了RBS 的分析原理、实验装置，并且对实验谱图和数据作了简单分析，重点是对实验谱图进行了能量刻度的标定以及计算薄膜的厚度。

【关键词】RBS 分析原理【引言】背散射分析就是在一束单能的质子、粒子或其他重离子束轰击固体表面时,通过探测卢瑟福背散射（库伦弹性散射、散射角大于90度）离子产额随能量的分布（能谱）确定样品中元素的种类（质量数）、含量及深度分布。

因此背散射分析通常被称为卢瑟福背散射谱学RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry).【实验原理】当比靶核轻的入射离子能量amu MeV E amu keV /1/100≤≤范围，靶原子核外电子对入射离子的屏蔽作用不大，且离子和靶原子核的短程相互作用（核力）影响也可以忽略时，离子在固体中沿直线运动，离子主要通过与电子相互作用而损失能量，直到与原子核发生库仑碰撞被散射后又沿直线回到表面。

这个过程就称为离子的背散射过程。

描述离子背散射过程的三个基本物理概念主要有两体弹性碰撞的运动学因子、微分散射截面、固体的阻止截面。

一． 运动学因子和质量分辨率：运动学因子的定义：01E E K =其中0E 是入射粒子能量（动能），1E 是散射粒子能量（动能）。

根据动量与能量守恒定律，可以推导得到：212111⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-==M mM m cos θM m sin θE E Ｋ (1-1)由运动学因子公式可以看出：当入射离子种类（m ），能量（0E ）和探测角度（θ）一定时，1E 与M 成单值函数关系。

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M 。

这就是背散射定性分析靶元素种类的基本原理。

RBS 实验一、实验原理和实验装置：背散射分析就是在一束单能的质子、α粒子或其他重离子束轰击固体表面时，通过探测卢瑟福背散射（弹性、散射角大于90度）离子的能量分布（能谱）和产额确定样品中元素的种类（质量数）、含量及深度分布。

基本的物理概念和计算： 1）运动学因子其中E 0是入射粒子动能，E 1是散射粒子动能。

由运动学因子公式可以看出：当入射离子种类（m ），能量（E 0）和探测角度（θ）一定时，E 1与M 成单值函数关系。

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M 。

这就是背散射定性分析靶元素种类的基本原理。

但是，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。

2）能量损失因子在离子在某固体中做直线运动的过程中，离子主要通过与靶原子的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的能量0dE lim dx xx E∆→∆=∆为比能量损失或叫作能量损失（率）。

也叫作这种固体的阻止本领。

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。

从而建立RBS 能谱宽度和靶厚度之间的关系。

对入射和出射路径的能量损失进行积分并整理得到1212cos cos 1cos cos in out in out dE Kx dE x E dx dx dE K dE x dx dx θθθθ⎧⎫⎡⎤⎡⎤∆=+⎨⎬⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎩⎭⎧⎫⎡⎤⎡⎤=+⎨⎬⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎩⎭定义[]121cos cos in out dE K dE S dx dx θθ⎧⎫⎡⎤⎡⎤=+⎨⎬⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎩⎭为能量损失因子，使得[]E S x ∆=∙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 的元素深度分布原理。

单原子靶材料的原子密度为N ，一定能量E 的入射离子。

则定义：1()()dEE E N dxε=为此种靶原子对能量E 的入射离子的阻止截面 ，则有[][]121cos cos in out K S N N εεεθθ⎧⎫=+=∙⎨⎬⎩⎭ε可查表得到，一般要看ε的单位而选择N 的单位。

卢瑟福背散射能谱分析卢瑟福背散射能谱分析Ernest Rutherford1908年诺贝尔化学奖30 August 1871 –19 October 1937卢瑟福背散射能谱分析卢瑟福背散射（Rutherford Backscattering Spectrometry，简称RBS）的理论卢福背散射简称的论基础是入射离子与靶原子核之间的大角度库仑散射。

入射离子一般用MeV量级的 粒子，。

（1）入射离子与靶原子核发生弹性碰撞，损失一些能量，通过对散射离子的能量的测定可定性确定靶原子的质量；（2）发生碰撞时，靶的原子浓度和散射截面决定了散射离子的产额，测定散射离子的产额可确定靶的原子浓度；（3）入射离子在散射前、后穿透靶物质要损失一些能量，测定散射离子的能谱，可以确定靶原子沿着深度的分布。

离子能量低于靶原子发生核反应阈能条件下，入射离子和靶原子核之间发生弹性碰撞而被散射。

通过测定散射离子的能谱，即可对样品中所含元素作定性、定量和深度分析。

散射还与晶体的好坏有关，通过测定沟道谱可以对样品的晶体性进行判断，进行缺陷测定等等。

卢瑟福背散射能谱分析RBS分析设备包括离子源、加速装置、离子束筛选装置、聚焦装装置离子束筛选装置聚焦装置、样品室、探测器等等。

离子束产生后经过加速、筛选和聚焦后达到样品上被散射，经过探测器得到RBS能谱。

卢瑟福背散射能谱分析RBS分析设备包括离子源、加速装置、离子束筛选装置、聚焦装装置离子束筛选装置聚焦装置、样品室、探测器等等。

离子束产生后经过加速、筛选和聚焦后达到样品上被散射，经过探测器得到RBS能谱。

卢瑟福背散射能谱分析RBS analysis of a thin GaAs layer on a Si substrate,by alpha particles with an f ll h f b k d l denergy of typically 2‐3MeV .The energy of backscattered particles determine the mass of the target atom.Particles scattered from below the surface lose energy at a measurable rate;hence the energy scale yields the depth of the scattering of the particle.The peak width of the Ga or As signal is proportional to the areal density or thickness of the GaAs film .卢瑟福背散射能谱分析RBS分析的优点：1、提供深度信息。

卢瑟福背散射分析（RBS）实验吴玉龙核科学与技术学院201121220011一、实验目的1.了解RBS分析原理，认识实验装置2.通过对选定的样品进行分析实验，初步掌握RBS分析方法，谱图分析及相关的应用二、实验装置RBS实验装置主要由四部分组成：1.加速器（一定能量离子束的的产生装置）2.靶室（离子散射和探测的地方）3.背散射离子的探测和能量分析装置4.放射源RBS三、实验原理背散射分析就是在一束单能的质子、(粒子或其他重离子束轰击固体表面时,通过探测卢瑟福背散射（弹性、散射角大于90度）离子的能量分布（能谱）和产额确定样品中元素的种类（质量数）、含量及深度分布。

当入射离子能量远大于靶中原子的结合能(约10ev量级)，并低于与靶原子发生核反应的能量(一般100kev<E<1Mev)时，离子在固体中沿直线运动，入射离子主要通过与电子相互作用而损失能量，直到与原子核发生库仑碰撞被散射后又沿直线回到表面。

在这个背散射过程中包含四个基本物理概念。

它们是：两体弹性碰撞的运动学因子K、微分散射截面、固体的阻止截面、能量歧离，这四个基本概念是背散射分析的理论基础和应用的出发点也是限制其应用的最终因素。

1）运动学因子和质量分辨率运动学因子K=E1/E0，其中E0是入射粒子能量，E1是散射粒子能量。

由于库仑散射是弹性散射，则根据动量守恒和能量守恒可得，22011cos sin 121⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡++⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎠⎞⎜⎝⎛−==M m M m M m E E K θθ由运动学因子公式可以看出：当入射离子种类（m ），能量（E 0）和探测角度（θ）一定时，E 1与M 成单值函数关系。

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M 。

这就是背散射定性分析靶元素种类的基本原理。

质量分辨率ΔM 定义1011011()(−∆=∆•=∆•=∆dMdK E E E KE d dM E dE dM M RBS 的质量分辨率10)(−=dM dK E E M δδ，δE 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。

卢瑟福背散射谱法
卢瑟福背散射谱法
英文名称：Rutherford back scattering spectroscopy 定义：以兆电子伏特级的高能氢元素离子通过针形电极(探针)以掠射方式射入试样，大部分离子由于试样原子核的库仑作用产生卢瑟福散射，改变了运动方向而形成背散射。

测量背散射离子的能量、数量，分析试样所含有元素、含量和晶格的方法。

卢瑟福背散射光谱(RBS)是一种离子散射技术,用于薄膜成份分析。

RBS在量化而不需要参考标准方面是独一无二的。

在RBS测量中，高能量(MeV)He+离子指向样品，这样给定角度下背向散射He离子产生的能量及分布情况被记录下来。

因为每种元素的背向散射截面已知，就有可能从RBS谱内获得定量深度剖析(薄膜要小于1毫米厚).
1、RBS分析的理想用途
薄膜组成成份/厚度
区域浓度测定
薄膜密度测的（已知厚度）
2、RBS分析的相关产业
航天航空国防显示器半导体通信
3、RBS分析的优势
非破坏性成分分析无标准定量分析整个晶圆分析（150, 200, 300 mm）以及非常规大样品导体和绝缘体分析氢元素测量
4、RBS分析的局限性
大面积分析（~2 mm）
有用信息局限于top ~1 μm。

rbs卢瑟福背散射光谱
RBS（Rutherford Backscattering Spectroscopy）是一种自然科
学中的研究技术，利用高能束流（例如离子束）与试样碰撞而产生的背散射来分析样品的物理和结构性质。

而RBS卢瑟福
背散射光谱则是一种利用RBS技术进行表面成分分析的方法。

RBS技术的原理是，在束流与样品碰撞过程中，离子束与样
品中原子核之间发生散射作用，散射角度与碰撞的原子核的质量和能量有关。

其中卢瑟福背散射是一种特殊的散射过程，背散射指的是入射粒子从样品背面发生散射，而不是穿透样品。

通过测量入射粒子的背散射角度和能量变化，可以得到样品中原子核的信息，如原子核的质量、浓度和分布等。

因此，RBS 卢瑟福背散射光谱可以用于研究样品的表面成分、薄膜厚度、晶体结构和晶格缺陷等信息。

RBS卢瑟福背散射光谱在材料科学、固态物理、核物理等领
域有广泛的应用，常用于研究材料薄膜、半导体器件、涂层材料等的成分分析和特性表征。

本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：卢瑟福背散射（RBS)测量数据的拟合学院：理学院专业：电子科学与技术班级：电技071学号：************学生姓名：***指导教师：***2011年 6 月14 日贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人呈交和毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。

毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已注明出处。

特此声明。

论文（设计）作者签名：日期：目录摘要 (III)Abstract (IV)第一章绪论 (1)1.1 卢瑟福散射实验的简介 (1)1.2 卢瑟福散射实验的原理 (1)1.2.1库仑散射偏转角公式 (1)1.2.2卢瑟福散射公式 (3)1.3 卢瑟福散射实验的验证方法 (5)1.4 卢瑟福散射实验的装置 (6)1.4.1 散射真空室的结构 (6)1.4.2 电子学系统结构 (6)1.4.3 步进电机及其控制系统 (7)第二章卢瑟福背散射分析介绍 (8)2.1 卢瑟福背散射概述 (8)2.2 卢瑟福背散射基本原理 (9)2.2.1 运动学关系 (9)2.2.2 能量损失 (11)2.2.3 散射截面 (12)2.2.4 质量分辨率 (14)2.2.5 深度分辨率 (16)2.2.6 分析灵敏度 (16)2.2.7 背散射产额和能谱 (17)2.3 卢瑟福背散射（RBS）实验设备 (18)2.3.1 真空系统与靶室 (19)2.3.2 数据获取系统 (20)2.4 卢瑟福背散射（RBS）数据处理 (21)2.5 卢瑟福背散射（RBS）最佳试验条件选择和样品要求 (22)2.5.1 卢瑟福背散射（RBS）最佳试验条件选择 (22)2.5.2 卢瑟福背散射（RBS）样品要求 (23)第三章卢瑟福背散射的应用及拟合 (24)3.1 卢瑟福背散射应用的简介 (24)3.2 薄膜分析 (24)3.2.1 厚度测定 (24)3.2.2 组分分析 (26)3.2.3 薄膜反应、界面原子迁移 (27)3.3 杂质分析 (27)3.3.1 表面杂质浓度分析 (27)3.3.2 离子注入杂质层分析 (28)3.4 在其他方面的应用 (29)3.4.1 离子能量损失和能量歧离测量 (29)3.4.2 与沟道技术配合，研究单晶样品 (29)第四章卢瑟福背散射的发展 (30)4.1 用重离子弹性反冲轻质元素 (30)4.2 高能量入射离子的非卢瑟福散射 (30)4.3 杂质原子精确定位的沟道技术 (30)第五章结语 (31)参考文献 (32)致谢 (33)附录 (34)卢瑟福背散射（RBS)测量数据的拟合摘要本文对卢瑟福背散射分析的基本原理作了概要的介绍。

题目：元素深度分布的卢瑟福背散射(RBS)分析元素深度分布的卢瑟福背散射(RBS)分析摘要卢瑟福背散射（RBS）分析是一种应用非常广泛的离子束分析技术。

1. 前言卢瑟福背散射分析是固体表面层和薄膜的简便、定量、可靠、非破坏性分析方法,是诸多的离子束分析技术中应用最为广泛的一种微分析技术。

其理论基础是在Rutherford、Gerger和Marsden发现了新原子模型（1909-1913）以后的一些年份里逐渐形成的。

在早期的应用中，背散射分析技术主要是用在一些与原子核有关的研究中，一般是通过分析背散射离子束来检测靶的玷污。

1967年背散射技术首次成功的应用于月球土壤成分分析，这是在非核领域第一个公开发表的实际应用例子。

发展至今，背散射技术已经成为一种十分成熟的离子分析技术。

它具有方法简单、可靠、快速（一般只需要30分钟）、无需标准样品就能得到定量分析结果、不必破坏样品宏观结构就能得到深度分布信息等独特优点。

背散射分析技术在固体物理、表面物理、材料科学、微电子学等领域得到广泛应用。

它是分析薄膜界面特性、固体表面层元素成分、杂质含量和元素深度分布以及化合物的化学配比不可缺少的分析手段。

此外，背散射分析与其他核核分析方法组合应用于同一样品，能获得更多的信息。

我国自七十年代起开始这方面的研究。

随着不断发展，背散射分析技术的应用范围也在不断的扩大。

例如，在考古领域，背散射分析可以研究一些大气中对环境不利的因素。

T.Huthwelker等提高利用卢瑟福背散射分析来研究大气浮质中痕量酸性气体（如HCl，HBr，SO2）的相互作用，这种相互作用与全球变暖、臭氧层耗损、酸雨等环境污染问题有很大的关系。

Ulrich K.Krieger等曾利用卢瑟福背散射测量易发挥物质在近表面层区的元素分布。

背散射分析技术分析速度快，能得出表面下不同种类原子的深度分布，并能进行定量分析。

结合沟道效应还能研究单晶样品的晶体完美性。

但它的深度分辨率不够高（一般为100～200埃），因而不能对最表面的原子层进行研究。