核分析原理及技术第二章.ppt

核分析原理及技术第二章.ppt

《核分析原理及技术第二章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《核分析原理及技术第二章.ppt（74页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第二章卢瑟福背散射分析RutherfordBackscatteringSpectroscopy（RBS）1.原理1、卢瑟福散射、卢瑟福散射WinneroftheNobelPrizeinChemistry1908AlphaparticlescomefrompointR,hitfoilFandcollectedonaZnSphosphoratS荷电粒子，如p，d，等打到靶上，受靶原子核的库仑力作用而受散射，叫卢瑟福散射。

散射方向与入射方向的夹角为散射角90，为前向散射90，为背向散射WhyRBS?

RBS能分析什么？

能分析什么？

卢瑟福散射中四个重要的物理量1.两体弹性碰撞的运动学因子K;2.微分散射截面；3.阻止截面；4.能量歧离E。

三、运动学因子K，质量分辨，及元素分析1.运动学因子K根据动量和能量守恒定律，可以得到若令R=m2/m1，则有=90o=180o推导!

不同R下K因子随散射角的变化如果有两种靶元素A和B，相应的背散射粒子动能分别为E1A和E1B，则有意味着什么？

在特定条件下，各元素的K因子是一定的，若A是已知元素，在其它条件相同的情况下，由E1A/E1B的值就可以推知B是什么元素。

这正是背散射元素分析的依据。

2.质量分辨把K因子对m2进行微分，得到在近180o背散射时，能够分辨的最小质量差为E1包括加速器束流能散、探测器能量分辨和能量歧离m1m2时不同入射能量的背散射粒子对不同核素的质量分辨几点结论：

入射粒子越重，质量分辨越好；入射粒子能量越高，质量分辨越好；E1越小，质量分辨越好；探测角越接近180，质量分辨越好；靶核越轻，质量分辨越好。

1.微分散射截面卢瑟福公式四、微分散射截面，探测灵敏度及定量分析若入射粒子能量E0以MeV为单位，则当m1m2时，可将其按m1/m2展开，得1mb=10-3barn，1barn=10-28m2=10-24cm21MeV的粒子，约在几几十barn/Sr。

微分散射截面只与散射角有关，而与方位角无关，故散射粒子的分布是轴对称的。

当m1m2时，它正比于sin-4（/2）即散射产额随散射角的增加而迅速减小，因而弹性散射基本上是前向的.2.定量分析探测器对靶心（束斑点）张开立体角，则探测器接收到的散射粒子数（产额）为Q为入射粒子数，（Nt）为靶核面密度一般很小（10-2Sr），所以常用平均微分截面来代替。

Y可以写成这就是用背散射进行定量分析的依据。

3.探测灵敏度能探测到的最小含量（绝对灵敏度）或最小比含量（相对灵敏度）。

凡是影响散射截面的因素都会影响探测灵敏度！

从产额公式得对含有少量杂质的薄膜样品，我们常关心分析的绝对灵敏度。

从基体原子核从杂质原子核微分散射截面带入，得理论上探测到杂质存在的极限情况是YD至少为1。

因此绝对灵敏度的理论极限为（cm-2）对于块状材料，我们常关心相对灵敏度，既在所分析的层厚内，可能分析出的杂质的最低比含量。

相对灵敏度的经验公式为对于入射粒子为Mev能量的粒子和一般可接受的Q量可以用下面的经验公式来估计背散射分析的绝对灵敏度相对灵敏度例如，对Si中的As元素，可以估算出：

绝对灵敏度一般RBS分析的相对灵敏度在10-310-5之间。

影响灵敏度的几个因素：

（cm-2），入射离子能量越低，灵敏度越高；，入射离子较重时灵敏度高；，靶元素越重，越容易被探测；，即杂质原子序数越大，基体原子序数越小，灵敏度就越高，所以背散射适用于分析轻基体上的重杂质；只与角有关，而与方位角无关，即散射粒子是轴对称分布的；，散射产额随散射角的增加而迅速减小，因而散射基本上是前向的。

另外灵敏度还受实验条件的影响（如电子学线路抗堆积能力、探测器的噪声大小等）。

1.能量损失和阻止截面离子通过一段路程l后的能量损失损为五、能量损失因子、阻止截面因子及深度分析其中（-dE/dx）为单位路程上的能损，数值上等于阻止本领。

单个原子的阻止本领称为阻止截面对化合物有2.能量损失因子和阻止截面因子设靶为均匀单体靶表面散射离子能量与深度t处散射离子能量之差为若能找到和使可得：

能损因子阻止截面因子S或的引入在E和深度t之间提供了一种线性近似。

和？

和的近似值

（1）表面能量近似即

（2）平均能量近似即其中（3）数值积分法对称能量近似：

即即将厚靶分成若干层，使其成为薄靶，对每一层进行表面能量近似或对称能量近似，再进行积分。

表面能量近似-薄靶平均能量近似-厚靶例如：

8000的Si靶，2.0MeV的粒子分析表面能量近似t比t精确低5%；平均能量近似t与t精确差0.2%。

对称能量近似比表面能量近似好，但比平均能量近似差，在K1，12时有足够好的精确度。

1.能量歧离单能的荷能离子束进入靶体，离子通过随机碰撞损失能量。

经过一段路程后，平均能损为E。

由于能量损失过程的随机性，此时这些离子的能量不再是单一的，其能谱有一定展宽。

该能谱的半宽度就称为离子在该靶中能量损失E后的能量歧离E（E）。

六、能量歧离和深度分辨对于较轻的入射离子，如P、等，在背散射分析的能区，能损以电离能损为主，能量歧离可以写成E（E）与入射离子能量E0无关。

它随靶的电子面密度而增加,即上式适用于Bethe-Bloch能区，其计算的前提是离子能量分布符合高斯分布，即误差函数为其中B对应于误差函数中16%84%对应的宽度，FWHM（半高宽度）对应于误差函数中12%88%对应的宽度，实验上常用的是FWHM。

近似地可得到用此公式估计出的B值与实验值相差40%，多数情况下比实验值大。

2.深度分辨深度分辨用t表示。

定义深度分辨率E1由4部分贡献：

入射离子束能散（能量的标准偏差）Beam；入射路径上产生的能量歧离Bin；出射路径上产生的能量歧离Bout；探测器系统的能量分辨Det。

由此得到以下结论：

深度不同，深度分辨也不同表面只有Beam和Det起作用，随深度增加，s的贡献越来越大，甚至成为深度分辨的主要来源。

例如：

用2.0MeV的粒子对2000的Pt层进行RBS测量，170探测，Er为18keV，在表面处S0=148eV/，t121；在2000处Es为28.9keV，故t232。

能量歧离是不以人的意志为转移的，因而，无论怎样提高探测系统的能量分辨，都无法使厚样品的深度分辨提高。

入射能量低，S大，E就大，可以提高深度分辨率。

原子密度低的物质（N低，如碱金属），深度分辨较差。

将靶倾斜放置或采用掠角入射是提高深度分辨分辨的有效措施。

二、如何实现RBS能谱测量Au-Si面垒探测器射线源小加速器射线源放射性同位素1967年美国“测量员5号”飞船在月球表面对月土进行分析时用的就是242Cm-源。

锔2.背散射谱的分析谱：

依赖于某个或某些物理量上的事件统计或函数关系的图象化。

如能谱、频谱、波谱、空间谱、时间谱等。

背散射谱是能谱，记录了背散射粒子数随能量的分布状态。

一、单一元素薄样品的背散射谱一、单一元素薄样品的背散射谱离子束能够全部穿透的样品1.谱高度多道道宽E靶中一个薄层厚度谱中任意的第i道所对应的薄层厚度显然i是随Ei，也就是随深度变化的若离子束正入射该道的谱高度（计数）为背散射谱高度随E下降而升高2.谱前沿位置谱前沿位置由背散射离子的最高能量确定。

由K因子定义：

得到因此谱前沿位置对应于特定K因子，即根据它能够判断出靶核素。

3.谱前后沿宽度表面处t=0，则粗略地看,背散射谱前沿的微分就是由系统产生的能量分布。

其前沿高度的12%88%所占的宽度对应的就是能量分布的半高宽FWHM，即，也即系统的能量分布。

前沿宽度：

背散射谱后沿高度12%88%所占的宽度对应的就是包含了能量歧离的能量分辨。

后沿宽度：

4.谱宽度其中能损因子s可用表面能量近似或平均能量近似求出。

5.谱面积从谱面积可以求出靶的质量厚度二、厚衬底上薄膜（单一元素）厚度厚衬底上薄膜（单一元素）厚度1.轻元素衬底上的重元素膜薄膜层厚度足够薄，即tt，则EE。

不能从谱宽度得出膜厚。

而只能从谱面积得到膜得到质量厚度。

相对谱高法对衬底，由表面能量近似，有合并二式，消去Q、，得薄膜谱面积2.重元素衬底上的轻元素膜KfKs，膜元素的峰多半会被淹没在基体谱中。

设KfE0=Ei，膜元素峰位落在第i道上。

重元素衬底，轻元素膜，有ZfZs，Ei（Ni）s，否则有HfPHis，即不能分辨特例1如果Zf与Zs相差不太大，且（Nt）f较大，膜元素峰能清晰地从背景谱中分辨出来。

还可以通过膜元素峰的面积求出（Nt）f。

特例2如果Zf与Zs相差大，则不能从背景谱上将膜元素峰清晰地分辨出来（如左图），或根本无法分辨（如右图）。

但此时若（Nt）f足够大，满足会发现衬底谱前沿向低能方向发生移动，可以通过移动的距离或面积来估计出膜的质量厚度。

（Nt）f大，使衬底谱前沿发生的位移为其中1.后续膜层和衬底的前沿后移、变宽。

2.改变膜层A、B的顺序，会改变后续膜层前沿后移的程度及前沿宽度。

注意！

注意！

三、多层单元素膜厚度分析三、多层单元素膜厚度分析同单层膜或薄样品的求厚度方法。

四、均匀多元素厚靶成分分析四、均匀多元素厚靶成分分析二元靶AxBy，离子正入射。

一至二次循环一至二次循环，就能得到比较准确的x/y值!

=1五、元五、元素深度分布素深度分布分析分析靶内有两种元素，一种为杂质元素A，另一种为基体元素B。

元素A和B的实际深度分布fA（x）和fB（x）未知。

假设一种深度分布fA（x）和fB（x）1-fA（x），在任意深度x，有五、元五、元素深度分布素深度分布分析分析细化分层和计算RBS谱的关系图假设一种深度分布fA（x）和fB（x）1-fA（x），在任意深度x，有以上述假设的深度分布算出的第i道的谱高为各层中A核和B核上散射离子贡献的总和实测谱的第i道谱高为Hi，以假设分布算出的谱高与实测谱高的差为设谱共有I道，则只要要调节fA（x）和fB（x），使最小，就可以认为fA（x）和fB（x）足够逼近fA（x）和fB（x）。

3.新兴的背散射分析方法简介一、高分辨背散射（重离子，静电分析器）（HIghResolutionRBS）Marvelousresolution,maximum25doublelayersof0.57nmTa0.1Si0.9and5.17nmSionaSisubstrate）.RBSspectrummeasuredwith2MeVCionsatascatteringangleof35.5.在分析深度很浅时，离子能量转移不适宜用常规的“阻止本领”来确定，因为单次碰撞的电荷态分布与“平衡”电荷态分布有偏离。

二、中能离子散射（1keV200keV）（MediumEnergyIonScattering）1996年由英国DaresburyLaboratory首先实现100keV的离子散射分析。

主要用于表面层（如浅结）的元素分析和表面层晶格状态分析。

采用静电分析器，具有高能量分辨。

深度分辨在的量级，而沟道MEIS对表面层原子偏离晶格的位移分辨可达亚量级。

MEIS实验装置示意图三、低能离子散射（50eVkeV）（LowEnergyIonScattering）为表面结构十分敏感的分析方法。

它能得到表面结构的空间平均的定量数据。

不仅可以用于晶体表面分析，还可用于有机物同分异构体的分析。

LEIS是质量敏感的（常以ToF作为能量分析系统），但质量相差太小则分辨不出（如Co58.9和Ni58.7）。

LEIS发展较MEIS早，目前国际上有许多实验室建立了该分析方法，但国内尚无。

本章结束