核分析的技术-优秀PPT.ppt

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1、核分析基础成都理工高校成都理工高校 核自学院核自学院其次章 带电粒子活化分析lCharged Particle Activation Analysis核活化分析除了核活化分析除了中子中子活化分析外，还有活化分析外，还有带电粒子带电粒子活化分析和活化分析和光子光子活化分析。活化分析。这些活化分析技术的这些活化分析技术的辐照条件辐照条件各各不相同不相同，但但测量方法测量方法大体大体相同相同。分析。分析元素的元素的范围范围和和灵敏度灵敏度，以及分析的，以及分析的样品样品厚度厚度也有差也有差异。异。其次章 带电粒子活化分析lCharged Particle Activation Analysisl自自

2、1938年用氘年用氘d束轰击样品用于分析以来，束轰击样品用于分析以来，带电粒子活化分析有了较大的发展，从带电粒子活化分析有了较大的发展，从p、d、He等重带电粒子活化发展到重离等重带电粒子活化发展到重离子活化。应用也不断推广，已成为样品表子活化。应用也不断推广，已成为样品表面层轻元素分析的重要工具。面层轻元素分析的重要工具。lCPAA起始于上世纪五十年头后期，已发展起始于上世纪五十年头后期，已发展成为一种较为成熟的材料分析手段。成为一种较为成熟的材料分析手段。其次章 带电粒子活化分析l概述概述l具有确定能量的带电粒子与原子核发具有确定能量的带电粒子与原子核发生核反应时，假如反应的剩余核是放生核

3、反应时，假如反应的剩余核是放射性核素，则测量这放射性核素的半射性核素，则测量这放射性核素的半衰期和活度，就可以确定样品中被分衰期和活度，就可以确定样品中被分析元素的种类和含量。析元素的种类和含量。l带电粒子活化分析也包括三个主要步带电粒子活化分析也包括三个主要步骤：辐照、冷却和测量。骤：辐照、冷却和测量。其次章 带电粒子活化分析l概述概述l在冷却阶段可进行必要的放射性化学在冷却阶段可进行必要的放射性化学分别和样品表面沾污层腐蚀处理工作。分别和样品表面沾污层腐蚀处理工作。l由测得的放射性活度按确定的标准化由测得的放射性活度按确定的标准化方法计算出元素浓度。方法计算出元素浓度。其次章 带电粒子活化

4、分析l概述概述l由于带电粒子在靶物质中运动时经受由于带电粒子在靶物质中运动时经受能量损失，在靶中不同深度处粒子能能量损失，在靶中不同深度处粒子能量不同，因而反应截面不同，反应产量不同，因而反应截面不同，反应产额随之而变更。所以，在推导带电粒额随之而变更。所以，在推导带电粒子活化分析公式时，要区分薄样品和子活化分析公式时，要区分薄样品和厚样品。厚样品。t为总的截面，a为某一特定反应道的截面；Eth为某一能量，叫反应阈能反应阈能其次章 带电粒子活化分析l带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理l入射粒子和靶发生核反应的条件入射粒子和靶发生核反应的条件l入射粒子和靶和发生核反应的条件是入射粒子和靶和

5、发生核反应的条件是两者的相对动能必需满足：两者的相对动能必需满足：其次章 带电粒子活化分析l带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理l带电粒子引起的核反应表达式带电粒子引起的核反应表达式l反应前后总电荷值和能量守恒，反应反应前后总电荷值和能量守恒，反应规律遵从微观量子力学的运动规律，规律遵从微观量子力学的运动规律，一般状况下放射粒子为一般状况下放射粒子为光子、中子、光子、中子、质子和质子和粒子。粒子。其次章 带电粒子活化分析l带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理l核反应的产生率核反应的产生率l定义：定义：单位时间入射粒子在靶中引起单位时间入射粒子在靶中引起的核反应数，用的核反应数，用P(t

6、)表示。表示。l产生率的一般表达式：产生率的一般表达式：la)加速器束流的品质有确定的能量分加速器束流的品质有确定的能量分布布g(E0,Ei)，代表具有能量在，代表具有能量在Ei到到Ei+dEi之间的粒子数占总数的份额，之间的粒子数占总数的份额，也就是粒子具有能量为也就是粒子具有能量为Ei的几率。的几率。lb)粒子穿透确定的深度后会产生确定粒子穿透确定的深度后会产生确定的能量歧离的能量歧离f(Ei,E,x)，表示能量为，表示能量为Ei的粒子在进入深度为的粒子在进入深度为x处时，由于能损，处时，由于能损，使其能量变为使其能量变为E到到E+dE之间的几率。之间的几率。其次章 带电粒子活化分析l带电

7、粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理核反应的核反应的产生率产生率l定义：定义：单位时间入射粒子在靶中引起的核反单位时间入射粒子在靶中引起的核反应数，用应数，用P(t)P(t)表示。表示。l所以，所以，深度深度x x处，处，待测元素含量待测元素含量为为C(x)C(x)的的反应反应产生率产生率为：为：其次章 带电粒子活化分析l带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理核反应的核反应的产生率产生率l1 1）薄样品分析）薄样品分析l设样品厚度为设样品厚度为x x，若能量为，若能量为E E0 0的带电粒子的带电粒子穿透穿透 x x时能量损失时能量损失 E E很小，则我们称这很小，则我们称这种样品为薄样品。

8、在薄样品中种样品为薄样品。在薄样品中反应截面反应截面 几几乎不变乎不变，可视为，可视为常数常数。l可用能量可用能量E E0 0和和 E E0 0 E E间隔内的间隔内的平均截面平均截面作作为活化截面。为活化截面。其次章 带电粒子活化分析l带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理核反应的核反应的产生率产生率l1 1）薄样品分析）薄样品分析l在薄样品内，元素的浓度分布可看作为常数，在薄样品内，元素的浓度分布可看作为常数，即即C(X)=CC(X)=C0 0。l则反应产生率为：则反应产生率为：其次章 带电粒子活化分析l带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理核反应的产生率核反应的产生率D cmA cm

9、2C atoms/cm3I s-1束流强度 S-1单位体积内的原子数cm-3截面 cm-2样品厚度 cm其次章 带电粒子活化分析l带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理核反应的核反应的产生率产生率l2 2）厚样品分析）厚样品分析D*E0EthE=0R(Eth)R(E0)D*:活化有效路径活化有效路径 D*=R(E0)-R(Eth)Eth:带电粒子核反应带电粒子核反应阈能阈能R(Eth),R(E0):能量分别为Eth 和 E0时的射程射程 其次章 带电粒子活化分析l带电粒子活化分析原理带电粒子活化分析原理l核反应的产生率核反应的产生率l2）厚样品分析）厚样品分析l入射粒子能量单一，待测元素匀整

10、分入射粒子能量单一，待测元素匀整分布，即布，即C(x)为常数，能量歧离现象忽为常数，能量歧离现象忽视，则反应产生率为：视，则反应产生率为：理论计算与试验结果表明，对不同的靶材料Z2=457,平均截面变更仅为3%，可认为与靶材料性质无关。其次章 带电粒子活化分析l基本原理公式基本原理公式束流强度恒定，即放射性核的产生率不束流强度恒定，即放射性核的产生率不变，则与中子活化分析原理类似有：变，则与中子活化分析原理类似有：其次章 带电粒子活化分析l辐照样品的放射性核数目辐照样品的放射性核数目辐照辐照ti时刻，样品中的放射性核数目：时刻，样品中的放射性核数目：辐照结束时辐照结束时 t0时刻时刻样品中的放

11、射性活度：样品中的放射性活度：冷却到冷却到t1时刻的活度：时刻的活度：探测器测量到的总计数：探测器测量到的总计数：其次章 带电粒子活化分析l测量方法测量方法l含量测定方法可分为确定测定和相对含量测定方法可分为确定测定和相对测定两种。测定两种。l1）确定测量）确定测量l利用上述公式，并求出或测量出入射利用上述公式，并求出或测量出入射粒子的总数（即束流强度）、探测器粒子的总数（即束流强度）、探测器的立体角、反应截面和探测效率等量。的立体角、反应截面和探测效率等量。因此，确定测量结果精度不高，而且因此，确定测量结果精度不高，而且计算繁琐。计算繁琐。其次章 带电粒子活化分析l测量方法测量方法2 2）相

12、对测量）相对测量l已知元素含量的已知元素含量的标准样品标准样品与与待测样品待测样品在在相同相同的粒子能量下的粒子能量下辐照辐照，相同的测量条件下，相同的测量条件下测量测量其次章 带电粒子活化分析常用的带电粒子常用的带电粒子 proton,deuteron,tritium,3He,4He常用的带电粒子活化核反应常用的带电粒子活化核反应 (d,n)AX(n,gamma)A+1X X(d,p)A+1 X 放射性核素多为放射性核素多为beta+衰变。衰变。设备设备 加速器：静电，串列，回旋加速器：静电，串列，回旋 冷却系统冷却系统 样品制备与表面腐蚀处理，样品制备与表面腐蚀处理，固样，直径约固样，直径

13、约15mm,厚度约厚度约 5mm 其次章 带电粒子活化分析l干扰问题干扰问题l不同元素经照射后生成相同放射性核不同元素经照射后生成相同放射性核素的干扰素的干扰l例：例：11B(p,n)11C 分析分析 B 阈能：阈能：2.8MeVl 14N(p,)11C 阈能：阈能：4.0MeV依据阈能，变更入射粒子能量依据阈能，变更入射粒子能量入射粒子(p)的能量(E0)小于4.0MeV即可其次章 带电粒子活化分析l干扰问题干扰问题l不同元素经照射后生成不同放射性核不同元素经照射后生成不同放射性核素素,但放射的但放射的射线能量相同的干扰射线能量相同的干扰l18O(p,n)18F 分析浓缩分析浓缩 18Ol1

14、6O(p,)13N 和和 13C(p,n)13N18F 和13N都是+衰变核素,对 0.511 Mev 峰都有贡献,但是T1/2(18F)=110min T1/2(13N)=10min依据半衰期，增加辐照后的冷照时间依据半衰期，增加辐照后的冷照时间 t其次章 带电粒子活化分析l干扰问题干扰问题l不同元素经照射后生成不同放射性核不同元素经照射后生成不同放射性核素素,但放射的但放射的射线能量相同的干扰射线能量相同的干扰50100150103104105计数率 min-1t min18FHybrid（混合物）13N其次章 带电粒子活化分析l带电粒子活化分析技术主要应用于带电粒子活化分析技术主要应用于

15、样样品表面层品表面层的的痕量轻元素痕量轻元素分析以及分析以及某些某些重元素重元素分析。如分析。如B、C、N，O、P、S、Pb、Nb等。等。l入射带电粒子与轻元素之间的入射带电粒子与轻元素之间的库伦势库伦势垒低垒低；其次章 带电粒子活化分析l入射带电粒子与重元素之间的库伦势入射带电粒子与重元素之间的库伦势垒虽然较高，但对有些重元素（如垒虽然较高，但对有些重元素（如Pb，Nb），其它分析方法灵敏度低。），其它分析方法灵敏度低。l虽然带电粒子活化做常规分析不是特虽然带电粒子活化做常规分析不是特别便利，但可用来标定其它分析方法别便利，但可用来标定其它分析方法的测量结果。的测量结果。其次章 带电粒子活化

16、分析l分析的主要基体材料分析的主要基体材料：Si,Ge,GaAs半导体材料半导体材料和各种和各种金属金属、合金合金材料材料l分析的主要元素：分析的主要元素：B、C、N，O、P、S。如：如：ZrZr合金合金是一种熔点高、强度大、抗是一种熔点高、强度大、抗腐蚀性好、中子俘获截面小的材料，是腐蚀性好、中子俘获截面小的材料，是核动力工程中重要的结构和包装材料核动力工程中重要的结构和包装材料要求要求极低的硼极低的硼含量含量1111B(p,n)B(p,n)1111C C或或 1010B(d,n)B(d,n)1111C C其次章 带电粒子活化分析lC：12C(d,n)13NlN：14N(d,n)15OlO：

17、16O(3He,p)18F第三章带电粒子核反应瞬发分析l带电粒子核反应分析包括带电粒子核反应分析包括l带电粒子缓发分析带电粒子缓发分析(即带电粒子活化分即带电粒子活化分析析)l带电粒子瞬发分析。带电粒子瞬发分析。l带电粒子核反应瞬发分析法是干脆测带电粒子核反应瞬发分析法是干脆测量核反应过程中伴随放射的辐射确定量核反应过程中伴随放射的辐射确定反应原子核的种类和元素浓度的方法。反应原子核的种类和元素浓度的方法。第三章带电粒子核反应瞬发分析l伴随放射的辐射包括出射的带电粒子、伴随放射的辐射包括出射的带电粒子、射线，以及出射的中子。射线，以及出射的中子。l这种分析方法较之带电粒子活化分析这种分析方法较

18、之带电粒子活化分析法具有更多的优越性：方法简便、分法具有更多的优越性：方法简便、分析速度快，可利用不同的核反应道、析速度快，可利用不同的核反应道、不同的出射粒子和核反应运动学关系不同的出射粒子和核反应运动学关系更有利地鉴别元素和消退干扰反应，更有利地鉴别元素和消退干扰反应，特殊是它能在不破坏样品结构的状况特殊是它能在不破坏样品结构的状况下供应元素深度分布信息。下供应元素深度分布信息。第三章带电粒子核反应瞬发分析l带电粒子与轻元素的反应带电粒子与轻元素的反应Q值大，产额值大，产额高，只用几个高，只用几个MeV能量的带电粒子就可能量的带电粒子就可以进行高灵敏度元素分析。以进行高灵敏度元素分析。l带

19、电粒子核反应瞬发分析是样品表面层带电粒子核反应瞬发分析是样品表面层轻元素分析不行缺少的一种分析方法。轻元素分析不行缺少的一种分析方法。它的应用范围很广，早在它的应用范围很广，早在60年头就被年头就被用来分析靶物质中的杂质成分。近些年用来分析靶物质中的杂质成分。近些年来在提高分析灵敏度和深度辨别率方面来在提高分析灵敏度和深度辨别率方面有了不少进展。有了不少进展。第三章带电粒子核反应瞬发分析l基本原理基本原理设设入射粒子的数目入射粒子的数目为为Q Q，对样品的，对样品的入射角入射角为为，探测器的，探测器的立体角立体角和和探测效率探测效率分别分别为为和和，样品中待分析元素的，样品中待分析元素的原子密

20、原子密度度为为N N，厚度厚度为为t t，则通过核反应所探测，则通过核反应所探测到的出射粒子的到的出射粒子的Y Y计数为计数为:第三章带电粒子核反应瞬发分析l基本原理基本原理lE0和和Ex分别为入射粒子在样品表面和分别为入射粒子在样品表面和深度深度x处的能量处的能量,(Ex)为入射粒子在为入射粒子在能量能量Ex时的核反应截面。若为薄样品，时的核反应截面。若为薄样品，入射粒子的能量在样品中变更不大，入射粒子的能量在样品中变更不大，Ex E0和和(Ex)(E0)，则上式，则上式简化为：简化为：第三章带电粒子核反应瞬发分析l基本原理基本原理l为避开核反应截面的计算困难，样品为避开核反应截面的计算困难

21、，样品的定量分析常用相对法进行，对于标的定量分析常用相对法进行，对于标准样品，用角标准样品，用角标s表示，则可计算待测表示，则可计算待测样品的元素含量样品的元素含量Nt(即单位面积上待分即单位面积上待分析原子的数目析原子的数目)：第三章带电粒子核反应瞬发分析l工作方法工作方法l 核反应分析多运用能量在核反应分析多运用能量在0.54MeV范围的质子范围的质子(p)、氘核、氘核(d)或氦核或氦核(粒粒子子)为入射粒子。相应选用的反应如为入射粒子。相应选用的反应如:l质子：质子：(p，d)，(p，)，(p，n)l氘核：氘核：(d，p)，(d，)，(d，n)l此外，有时也用重粒子，如此外，有时也用重粒

22、子，如16O，14N，19F等。等。第三章带电粒子核反应瞬发分析l工作方法工作方法l出射粒子有三种：出射粒子有三种：l带电粒子：如带电粒子：如p，运用金硅面垒半，运用金硅面垒半导体探测器探测；导体探测器探测；l射线：用射线：用NaI(Tl)闪烁谱仪、半导体探闪烁谱仪、半导体探测器探测；测器探测；l中子中子(n)：可用中子管或塑料闪烁晶体：可用中子管或塑料闪烁晶体测量强度，用中子飞行时间谱仪测量测量强度，用中子飞行时间谱仪测量能谱。能谱。第三章带电粒子核反应瞬发分析l工作方法工作方法l进行分析用的核反应依据其激发曲线进行分析用的核反应依据其激发曲线(反应截面反应截面能量能量)有以下两种状况。有以

23、下两种状况。l(1)非共振或宽共振的核反应。即激发非共振或宽共振的核反应。即激发曲线有变更缓慢的部分，利用在这部曲线有变更缓慢的部分，利用在这部分能量范围内发生的核反应进行分析。分能量范围内发生的核反应进行分析。入射束的能量是固定的而记录由反应入射束的能量是固定的而记录由反应放射出的粒子能谱。这样可以用表面放射出的粒子能谱。这样可以用表面能量近似估算反应截面和阻挡截面，能量近似估算反应截面和阻挡截面，对于测定薄膜中杂质含量或薄膜厚度对于测定薄膜中杂质含量或薄膜厚度比较便利，也可以从能谱推导出深度比较便利，也可以从能谱推导出深度分布。分布。第三章带电粒子核反应瞬发分析l工作方法工作方法l进行分析

24、用的核反应依据其激发曲线进行分析用的核反应依据其激发曲线(反应截面反应截面能量能量)有以下两种状况，有以下两种状况，相应地有两种方法：相应地有两种方法：l(2)窄共振核反应。即反应截面曲线上窄共振核反应。即反应截面曲线上有一个或数个尖锐的有一个或数个尖锐的(共振共振)峰，利用峰，利用这种能量值的核反应进行分析。在分这种能量值的核反应进行分析。在分析中，变更入射束的能量，记录由反析中，变更入射束的能量，记录由反应放射出的粒子数的变更，可以得到应放射出的粒子数的变更，可以得到杂质含量的深度分布。杂质含量的深度分布。第三章带电粒子核反应瞬发分析l试验设备试验设备第三章带电粒子核反应瞬发分析l应用实例

25、应用实例金膜表面氧的测定金膜表面氧的测定 l用能量为用能量为900kev900kev的的d d粒粒子子分析金单晶薄膜表分析金单晶薄膜表面的氧，得到如图的面的氧，得到如图的能谱。能谱。l反应为反应为1616O(dO(d，p)p)1717O O，探测出射的质子探测出射的质子。AuAu膜厚度为膜厚度为800nm800nm。第三章带电粒子核反应瞬发分析l应用实例应用实例l能谱上有两个较宽的峰，右边较高能能谱上有两个较宽的峰，右边较高能量的来自前表面，左边较低能量的来量的来自前表面，左边较低能量的来自后表面自后表面(穿过金膜有能量损失穿过金膜有能量损失)。接。接受表面能量近似，由两峰的总计数计受表面能量

26、近似，由两峰的总计数计算出氧的含量为算出氧的含量为(3.40.2)X1015 atom/cm2，即仅约为单原子层。，即仅约为单原子层。第三章带电粒子核反应瞬发分析l带电粒子瞬发分析的特点带电粒子瞬发分析的特点l1.有极高的选择性，干扰小。有极高的选择性，干扰小。l2.核反应特性不受靶所处的物理和化学核反应特性不受靶所处的物理和化学状态的影响，（条件允许时）样品可状态的影响，（条件允许时）样品可以在高温顺高压下被分析。以在高温顺高压下被分析。l3.适合分析重基体中的轻元素，特殊适合分析重基体中的轻元素，特殊是是B、H、He、Li、Be、C、N、O、F、Na、Mg和和A1 等元素。等元素。第三章带

27、电粒子核反应瞬发分析l带电粒子瞬发分析的特点带电粒子瞬发分析的特点l4.有较高的灵敏度和精密度，检出限可有较高的灵敏度和精密度，检出限可达达10-710-4 gg-1。l5.适合对表面和近表面层内的元素进适合对表面和近表面层内的元素进行分析，应用行分析，应用23MeV以下的粒子，以下的粒子，比较适合的分析深度在比较适合的分析深度在1m以下，其以下，其最大分析深度可达几个最大分析深度可达几个m到十几个到十几个m。l6.可给出表面或近表面层内杂质浓度随可给出表面或近表面层内杂质浓度随深度分布的状况深度分布的状况。第三章带电粒子核反应瞬发分析l带电粒子瞬发分析的特点带电粒子瞬发分析的特点7.7.经过

28、高度准直和聚焦的微米束，可以进经过高度准直和聚焦的微米束，可以进行行杂质空间分布杂质空间分布分析分析 。8.8.和固体的沟道效应相结合，可以确定和固体的沟道效应相结合，可以确定杂杂质在晶格中的位置质在晶格中的位置和进行和进行晶体损伤晶体损伤的测的测量。量。9.9.方法简便，分析方法简便，分析速度快速度快。10.10.不破坏样品。不破坏样品。第四章 带电粒子弹性散射分析l带电粒子弹性散射分析，包括：带电粒子弹性散射分析，包括：l卢瑟福背散射分析卢瑟福背散射分析l前向弹性反冲分析前向弹性反冲分析l自自1967年背散射技术首次成功地用于年背散射技术首次成功地用于月球土壤成分分析以来，背散射分析月球土

29、壤成分分析以来，背散射分析技术已快速发展成一种特别成熟的离技术已快速发展成一种特别成熟的离子束分析技术。子束分析技术。第四章 带电粒子弹性散射分析l背散射分析具有方法简便、牢靠；不背散射分析具有方法简便、牢靠；不须要依靠于标准样品就能得到定量的须要依靠于标准样品就能得到定量的分析结果；不必用剥层方法破坏样品分析结果；不必用剥层方法破坏样品宏观结构就能获得深度分布信息等优宏观结构就能获得深度分布信息等优点。点。第四章 带电粒子弹性散射分析l它是固体表面层元素成分，杂质含量它是固体表面层元素成分，杂质含量和元素浓度分布分析，以及薄膜界面和元素浓度分布分析，以及薄膜界面特性分析不行缺少的分析手段，与

30、弹特性分析不行缺少的分析手段，与弹性反冲分析结合，能对样品无损分析性反冲分析结合，能对样品无损分析从轻到重的各种元素。从轻到重的各种元素。l背散射与沟道技术的组合应用还能给背散射与沟道技术的组合应用还能给出晶体的微观结构、缺陷、损伤及其出晶体的微观结构、缺陷、损伤及其深度分布等信息。深度分布等信息。第四章 带电粒子弹性散射分析l目前，背散射分析技术巳成为很多试目前，背散射分析技术巳成为很多试验室和电子工业部门的一种常规的分验室和电子工业部门的一种常规的分析工具。析工具。l它在离子注入半导体材料、金属材料，它在离子注入半导体材料、金属材料，各种薄膜材料，以及材料改性等探讨各种薄膜材料，以及材料改

31、性等探讨领域中有着广泛的应用，为新材料、领域中有着广泛的应用，为新材料、新器件的研制和新能源的开发起着推新器件的研制和新能源的开发起着推动作用。动作用。第四章 带电粒子弹性散射分析l卢瑟福背散射分析原理卢瑟福背散射分析原理l当一束具有确定能量的离子入射到靶当一束具有确定能量的离子入射到靶物质时，大部分别子沿入射方向穿透物质时，大部分别子沿入射方向穿透进去，并与靶原子电子碰撞渐渐损失进去，并与靶原子电子碰撞渐渐损失其能量，只有离子束中微小部分别子其能量，只有离子束中微小部分别子与靶原子核发生大角度库仑散射而离与靶原子核发生大角度库仑散射而离开原来的入射方向。入射离子与靶原开原来的入射方向。入射离

32、子与靶原子核之间的大角度库仑散射为卢瑟福子核之间的大角度库仑散射为卢瑟福背散射背散射(记为记为RBS)。第四章 带电粒子弹性散射分析l卢瑟福背散射分析原理卢瑟福背散射分析原理用探测器对这些用探测器对这些背散射粒子背散射粒子进行测量，进行测量，能获得有关能获得有关靶原子靶原子的的质量质量、含量含量和和深度深度分布分布等信息，入射离子与靶原子碰撞的等信息，入射离子与靶原子碰撞的运动学因子运动学因子、散射截面散射截面和和能量损失因子能量损失因子是背散射分析中的是背散射分析中的三个主要参量三个主要参量。第四章 带电粒子弹性散射分析l卢瑟福背散射分析原理卢瑟福背散射分析原理散射粒子散射粒子的的能量能量与

33、原子与原子核的质量核的质量与与散射散射角度角度有关；有关；散射粒子的散射粒子的强度强度与样品中含有这种类型与样品中含有这种类型的原子的原子核数目核数目有关。有关。通过测量散射粒子通过测量散射粒子能量能量和和强度强度，就能实，就能实现样品的现样品的定性定性、定量定量分析。分析。第四章 带电粒子弹性散射分析l卢瑟福背散射分析原理卢瑟福背散射分析原理l运动学因子运动学因子l假如入射粒子的能量远比原子在靶物假如入射粒子的能量远比原子在靶物质中的化学结合能大，但其能量又不质中的化学结合能大，但其能量又不足以引起核反应和核共振时，我们可足以引起核反应和核共振时，我们可以用简洁的两个孤立原子之间的弹性以用简

34、洁的两个孤立原子之间的弹性碰撞来描写它们之间的相互作用。碰撞来描写它们之间的相互作用。第四章 带电粒子弹性散射分析l卢瑟福背散射分析原理卢瑟福背散射分析原理运动学因子运动学因子l如图表示了入射粒子如图表示了入射粒子m m与靶原子核与靶原子核MM之间的之间的弹性散射关系。由入射离子与靶原子碰撞时弹性散射关系。由入射离子与靶原子碰撞时的能量和动量守恒，可以求得散射后粒子的的能量和动量守恒，可以求得散射后粒子的能量能量E1E1。我们把。我们把离子碰撞后和碰撞前的离子碰撞后和碰撞前的能量能量之比之比K K称为称为运动学因子运动学因子。mMmME0E1mE2第四章 带电粒子弹性散射分析l卢瑟福背散射分析

35、原理卢瑟福背散射分析原理散射截面散射截面l入射带电粒子与靶原子核之间的弹性散射截入射带电粒子与靶原子核之间的弹性散射截面，一般可以写成面，一般可以写成库仑散射截面库仑散射截面和和核散射截核散射截面面这两部分贡献之这两部分贡献之和和。l核散射核散射包括包括核势散射核势散射和和核共振散射核共振散射，只有当，只有当入射粒子能量很高入射粒子能量很高时，才会有这部分散射的时，才会有这部分散射的贡献。贡献。第四章 带电粒子弹性散射分析l卢瑟福背散射分析原理卢瑟福背散射分析原理l散射截面散射截面l在卢瑟福背散射分析中，探讨的是入在卢瑟福背散射分析中，探讨的是入射粒子与靶原子核之间的库仑排斥力射粒子与靶原子核

36、之间的库仑排斥力作用下的弹性散射过程。这种散射过作用下的弹性散射过程。这种散射过程的微分截面就是卢瑟福散射截面。程的微分截面就是卢瑟福散射截面。第四章 带电粒子弹性散射分析l卢瑟福散射截面卢瑟福散射截面定义定义：入射粒子与靶原子核之间的入射粒子与靶原子核之间的库仑排斥力库仑排斥力作用下的作用下的弹性散射过程弹性散射过程的的微分截面微分截面称为称为卢瑟福散射截面。卢瑟福散射截面。第四章 带电粒子弹性散射分析l卢瑟福卢瑟福散射截面散射截面第四章 带电粒子弹性散射分析l卢瑟福背散射分析原理卢瑟福背散射分析原理能量损失因子能量损失因子l当入射粒子从靶样品表面当入射粒子从靶样品表面穿透穿透到靶内某一深到

37、靶内某一深度处发生度处发生大角度散射大角度散射时，离子在这段时，离子在这段入射路入射路径径上要上要损失一小部分能量损失一小部分能量，同样，在发生散，同样，在发生散射后，背散射粒子从靶内射出样品表面到达射后，背散射粒子从靶内射出样品表面到达探测器，在这段探测器，在这段出射路径出射路径上也要上也要损失一小部损失一小部分能量分能量。第四章 带电粒子弹性散射分析l卢瑟福背散射分析原理卢瑟福背散射分析原理能量损失因子能量损失因子l离子在样品中离子在样品中入射和出射路径入射和出射路径上的电离上的电离能量能量损失损失，使在，使在样品深部样品深部发生背散射的发生背散射的粒子的粒子的能能量量在在能谱能谱上相对于

38、上相对于样品表面样品表面发生背散射的粒发生背散射的粒子子能量往低能量侧展宽能量往低能量侧展宽。第四章 带电粒子弹性散射分析l背散射几何和散射能量与深度的关系背散射几何和散射能量与深度的关系第四章 带电粒子弹性散射分析l卢瑟福背散射分析原理卢瑟福背散射分析原理l能量损失因子能量损失因子l能量宽度能量宽度E正比于靶厚度和离子在靶正比于靶厚度和离子在靶物质中的背散射能量损失因子。这能物质中的背散射能量损失因子。这能谱曲线向低能侧的展宽，反映出了靶谱曲线向低能侧的展宽，反映出了靶原子随深度的分布状况。因此，由背原子随深度的分布状况。因此，由背散射能谱分析，可以获得靶原子的深散射能谱分析，可以获得靶原子

39、的深度分布信息，可以建立背散射谱峰宽度分布信息，可以建立背散射谱峰宽度与靶厚度之间的关系。度与靶厚度之间的关系。第四章 带电粒子弹性散射分析l背散射背散射能谱能谱第四章 带电粒子弹性散射分析l卢瑟福背散射分析工作方法卢瑟福背散射分析工作方法l1.卢瑟福背散射对轻元素基体中的重元卢瑟福背散射对轻元素基体中的重元素杂质分析最为合适。典型的分析深素杂质分析最为合适。典型的分析深度为度为1m(Si)。l 2.选用选用23MeV的的4He+离子来做背散离子来做背散射分析最为合适。在这能量范围内，射分析最为合适。在这能量范围内，不会出现核共振，散射截面遵循卢瑟不会出现核共振，散射截面遵循卢瑟福公式，探测器

40、对福公式，探测器对4He+的能量辨别率的能量辨别率也好。也好。第四章 带电粒子弹性散射分析l卢瑟福背散射分析工作方法卢瑟福背散射分析工作方法l3.分析装置分析装置l从静电加速器获得的从静电加速器获得的2MeV 4He+束，束，经磁分析器选择后进入离子管道，经经磁分析器选择后进入离子管道，经过两个准直孔后进入靶室，打到样品过两个准直孔后进入靶室，打到样品上。样品安装在一个可以旋转角度的上。样品安装在一个可以旋转角度的定角计上，可用步进马达限制转动。定角计上，可用步进马达限制转动。l样品上的束斑大小为样品上的束斑大小为1mm2，束流强，束流强度为十几度为十几nA，用束流积分仪记录束流。，用束流积分

41、仪记录束流。第四章 带电粒子弹性散射分析l卢瑟福背散射分析工作方法卢瑟福背散射分析工作方法l3.分析装置分析装置l为抑制次级电子放射，在样品架前放为抑制次级电子放射，在样品架前放置一抑制电极，加上置一抑制电极，加上-200-300V电电压。样品表面求平整，对于电绝缘性压。样品表面求平整，对于电绝缘性能较好的样品，为防止电荷积累，应能较好的样品，为防止电荷积累，应在样品表面喷镀上一层薄的导电层。在样品表面喷镀上一层薄的导电层。离子管道和靶室中的真空度为离子管道和靶室中的真空度为10-4Pa。为削减样品表面的。为削减样品表面的C沾污，应尽量运沾污，应尽量运用无油真空泵和在管道及靶室中加液用无油真空

42、泵和在管道及靶室中加液氮冷却。氮冷却。第四章 带电粒子弹性散射分析l卢瑟福背散射分析工作方法卢瑟福背散射分析工作方法l3.分析装置分析装置l在散射角为在散射角为170方向放置一金硅面垒方向放置一金硅面垒半导体探测器，探测样品上的背散射半导体探测器，探测样品上的背散射离子。探测器的信号经前置放大器和离子。探测器的信号经前置放大器和主放大器送入多道分析器记录能谱，主放大器送入多道分析器记录能谱，能谱数据存入计算机中。能谱数据存入计算机中。l在试验时，应限制样品上的离子轰击在试验时，应限制样品上的离子轰击剂量不能太高，否则会引起样品辐射剂量不能太高，否则会引起样品辐射损伤。损伤。第四章 带电粒子弹性

43、散射分析l卢瑟福背散射分析工作方法卢瑟福背散射分析工作方法3.3.分析装置分析装置第四章 带电粒子弹性散射分析l卢瑟福背散射分析应用实例卢瑟福背散射分析应用实例卢瑟福反散射分析可用于：卢瑟福反散射分析可用于：样品表面层样品表面层杂质成分杂质成分和和深度分布深度分布分析，材料表面各分析，材料表面各种种薄膜组成薄膜组成和和厚度厚度分析，薄膜界面特性分析，薄膜界面特性分析，化合物的化学配比分析，以及分析，化合物的化学配比分析，以及离离子束混合材料子束混合材料分析等。分析等。第四章 带电粒子弹性散射分析l应用实例应用实例例：表面杂质含量分析例：表面杂质含量分析l在玻璃在玻璃碳基体碳基体上，用真上，用真

44、空镀膜法镀上一层极薄空镀膜法镀上一层极薄的的AuAu元素。用元素。用2MeV2MeV的的4 4HeHe+束束做做RBSRBS分析，测到分析，测到的背散射能谱如图所示的背散射能谱如图所示第四章 带电粒子弹性散射分析l应用实例应用实例l例：表面杂质含量分析例：表面杂质含量分析l图中用箭头标出了图中用箭头标出了Au和和C的背散射峰位。的背散射峰位。C基体很厚，它的能谱基体很厚，它的能谱是连续的，是连续的，Au层很薄，层很薄，背散射能谱呈一高斯背散射能谱呈一高斯形态的峰形态的峰第四章 带电粒子弹性散射分析l卢瑟福反散射分析的特点卢瑟福反散射分析的特点l1.无损快速；无损快速；l2.不须要标准样品；不须要标准样品；l3.特殊适于分析轻基体中的重元素；特殊适于分析轻基体中的重元素；l4.分析灵敏度好，一般为分析灵敏度好，一般为10-6 gg-1量量级；级；l5.分析样品深度为分析样品深度为m量级，深度辨别量级，深度辨别率为率为10.020.0nm。