RBS仪器:光谱法

α粒子来自加速器,并撞击样品表面。必须对那些反冲回侦测器的少数粒子的能量进行测定。在RBS分析中会使用表面位障硅侦测器。因为这些组件基本上是二极管,所以通常被称为半导体二极管侦测器。高能量带电粒子会在半导体材料中产生电子电洞对。侦测器会在表面前后的电位能(通常是4kV)条件下运行。在所产生的电场作用下,电子电洞对会产生和带电粒子能量成正比的电流。

 

产生一对电子电洞对的过程中会消耗He++的平均能量大约为3.7eV。这有时会被称为侦测器的电离能。每个1 MeV粒子会产生大约2700对电子电洞对。电荷载体数量的波动和变化会影响光谱分辨率。理论最小方差(根据Poisson统计)相当于电荷载体的数量。标准偏差等于方差的平方根。Fano因子是所观察到的这一理论最小方差的比率。Fano因子表明了峰值扩大的其他来源,通常是在无感层损失中不完整的电荷收集和变化。

通过高纯度半导体将不完整的电荷收集减小到最小限度,会为电子电洞对重新结合提供相对少数的场所。在带电粒子达到侦测器的有效体积(无感层损耗)之前,能量损失是最小的,因为这一层在表面位障侦测器中较薄(大约100nm)。这样的厚度对应于1 MeV He++大约为0.4%能量损失,在能量损失中较小的变化对于典型的RBS实验来说是没有意义的。因此,高质量的硅表面位障侦测器对于α粒子光谱学来说是比较理想的选择。

粒子到达侦测器的时间是随机的,因此当粒子几乎同时到达时,就可能会在测量时发生干扰。这种现象被称为脉冲堆积,在高粒子到达率中会成为一个严重的问题。存在两种堆积形式。尾部堆积涉及到在较长时间内尾部的脉冲重迭或是前面脉冲的下冲,这样会降低光谱分辨率。高质量的电子电路会将尾部堆积减至最小。两种脉冲充分靠近会被视为单一脉冲进行峰值堆积,属第二种类型。如果他们被分开测定的话,侦测器的无感时间是后续离子到达的最小时间。峰值堆积最终会限制RBS数据收集的发生速率。