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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。
