RBS卢瑟福背散射实验报告.docVIP

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。 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Z1， Z2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，v0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。 此式实际上不是一个入射离子而是一束禽子，且b值有大有小。由上式可知χ最大可达180°，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，所以叫“背”散射。 图3是实验室坐标系的背散射示意图.入射离子和靶原子碰撞前的速度分别为v和0，碰撞后为v1和v2，散射角为θ。可以证明，在m﹤﹤M的条件下，θ≈χ，即实际上存在着被反向散射的离子。 按照能量守恒及动量守恒定律，可以得到下述三个关系式 (1) (2) (3) 在m﹤﹤M的条件下，可解得: = (5) 假定人射离子碰撞后及碰撞前的能量之比为运动因子K，则有: (6) 式中E0、m和e均可由实验条件确定而为已知量，由运动学因子公式可看出：当入射离子种类（m），能量（E0）和探测角度（θ）一定时，E1与M成单值函数关系，M大则E1大(即K值大)。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。 2）质量分辨率 由(6)式可得K与M的关系。由于对上式分析的需要我们引入质量分辨率的概念： （7） 如果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。那么RBS的质量分辨率δM为，δM是对样品中靶核质量差别的分辨能力。当一靶核质量数与另一靶核质量数M的差别小于δM时，RBS无法将这两种元素分辨开， RBS质量分辨率和探测器所在处的散射角θ、探测器能量分辨率δE、入射离子种类m、 入射离子能量E0、靶核质量数M等因素有关。 （1）探测器能量分辨的影响 故探测器能量分辨越高，RBS质量分辨率越好。由于探测器的能量分辨率是有限的，因此这个方法测定轻元素区的质量分辨率尚可，而测定重元素区的质量分辨率则较低。 （2）对质量分辨率的影响 = θ增大，同样ΔM下，ΔK增大，δM减小， 质量分辨率提高 因此，卢瑟福背散射分析在实验安排上要使(尽可能接近180度，因为越接近180度，RBS质量分辨率越高。 3）入射粒子的种类对质量分辨率的