4He和12C離子Rutherford背散射的Geant4模擬

王振超，馬玉剛，楊海芳，牛璐瑩，周 慶，趙廣義，宋明珠

（1.吉林大學(xué) 物理學(xué)院，長(zhǎng)春130012；2.唐山市人民醫(yī)院，河北 唐山063001；3.中國(guó)科學(xué)院 等離子體物理研究所，合肥230031）

利用Rutherford背散射可無(wú)損、快速、直接分析表面雜質(zhì)濃度和雜質(zhì)深度技術(shù)［1－2］，將4He離子或其他離子入射至靶物質(zhì)上，入射離子和靶原子核發(fā)生庫(kù)侖相互作用，部分入射離子發(fā)生大角度散射，利用金硅半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)量即可得到背散射離子能譜.

近年來(lái)，利用不同程序模擬 RBS分析表面信息已引起人們廣泛關(guān)注［3－6］.Eckstein等［7］用TRIM.SP和SIMNRA程序模擬并討論了1MeV4He離子的單一散射（庫(kù)侖散射）和多重散射模型對(duì)Rutherford背散射的影響；Famá等［8］模擬了20keV4He離子的散射角分布；文獻(xiàn)［9－10］利用Geant4模擬了多重散射和薄膜表面粗糙度對(duì)背散射譜的影響及多重散射對(duì)背散射譜分辨率的影響.

Geant4是高能物理協(xié)會(huì)開(kāi)發(fā)的模擬粒子輸運(yùn)的 Monte Carlo通用程序包［11－12］.基于Geant4程序其源代碼開(kāi)放的特點(diǎn)，使用者可構(gòu)造不同的物理模型.本文用Geant4 9.4版本中庫(kù)侖散射模型模擬低能270，500keV4He和12C離子的Rutherford背散射，并討論薄膜材料和厚度對(duì)背散射譜的影響.

1 Geant4模型

Geant4模擬4He和12C離子垂直入射至Au，Ag，Cu薄膜上，在165°方向使用環(huán)探測(cè)器記錄散射離子背散射譜，環(huán)探測(cè)器所張角度Δθ＝10°，收集160°～170°背散射離子，圖1為其幾何示意圖.

物理過(guò)程：離子的背散射過(guò)程采用G4CoulombScattering和G4Ionization兩種基類(lèi)，從而實(shí)現(xiàn)離子的庫(kù)侖散射和電離相互作用過(guò)程.

用Intel Core2處理器模擬2×109個(gè)離子，運(yùn)行時(shí)間約為24h，為提高計(jì)算效率，在模擬中采用殺死次級(jí)粒子的方法.

圖1 Geant4模擬的幾何示意圖Fig.1 Geometry of Rutherford backscattering

2 模擬結(jié)果與分析

圖2 270keV4 He離子垂直入射至Au（A）和Cu（B）不同厚度薄膜的背散射譜Fig.2 Simulations of backscattering spectra for 4 He incident on Au（A）and Cu（B）at 270keV

由圖2可見(jiàn)：背散射譜呈矩形，譜的高能側(cè)（前沿半高處）對(duì)應(yīng)從薄膜表面散射的離子能量KE0，低能側(cè)（后沿半高處）對(duì)應(yīng)從薄膜后表面（或一定深度處）散射的離子能量Eb；Geant4模 擬270keV4He離子入射Au薄膜背散射譜的高能側(cè)為249keV，與計(jì)算值249.6keV相符，表明本文建立的Geant4模型合理；Cu薄膜背散射譜高能側(cè)為212keV，表明薄膜原子質(zhì)量大的背散射能量大；隨薄膜厚度的增加，背散射譜低能側(cè)逐漸向左移，表明4He離子背散射譜半寬度逐漸變大.

圖3為270keV4He離子背散射譜寬度與薄膜厚度的關(guān)系.由圖3可見(jiàn)，二者呈線性變化，表明薄膜越厚背散射譜越寬，因此可通過(guò)譜寬度計(jì)算薄膜厚度.

圖3 270keV4 He離子背散射譜寬度與薄膜厚度的關(guān)系Fig.3 FWHM of backscattering spectra for 4 He with different thickness of films at 270keV

2.2 不同離子對(duì)背散射譜的影響 用Geant4模擬270，500keV4He和12C離子垂直入射Au，Ag，Cu厚度為20nm的3種單質(zhì)薄膜中，其背散射譜如圖4所示.由圖4（C）和（D）可見(jiàn)，270keV Au和Cu背散射譜的高能側(cè)能量差δE2＝85keV，500keV Au和Cu背散射譜的高能側(cè)能量差δE3＝159keV.表明離子能量越大，薄膜背散射譜的高能側(cè)能量差越大，質(zhì)量分辨率越好.由圖4（B）和（D）可見(jiàn)，4He離子在Au和Cu薄膜表面背散射能量差δE1＝71keV，12C離子在Au和Cu薄膜表面背散射能量差δE3＝159keV.表明12C離子背散射能量相差較大.由于背散射能量相差大有利于區(qū)分物質(zhì)成分，因此能量較大的12C離子背散射譜具有較好的質(zhì)量分辨率.

圖4 270，500keV4 He和12C離子垂直入射厚度為20nm的Au，Ag，Cu薄膜的背散射譜Fig.4 Simulations of RBS for 4 He and 12C incident on Au，Ag and Cu films of 20nm thickness at 270，500keV

綜上，本文基于Geant4模擬了270，500keV4He和12C離子垂直入射不同材料和厚度薄膜的背散射譜，由背散射譜的能量信息可確定樣品的物質(zhì)成分；由于其背散射譜半寬度與薄膜的厚度呈線性關(guān)系，因此可通過(guò)比較譜寬度精確地分析薄膜厚度.通過(guò)4He和12C離子的能量變化對(duì)背散射譜的影響可知，能量較大的12C離子在薄膜物質(zhì)分析中具有更大的優(yōu)勢(shì).

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