1.实验目的

原子物理、大学物理、近代物理实验等众多大学物理必修课程中都涉及到高能离子与物质相互作用的卢瑟福背散射（Rutherford Backscattering Spectroscopy，RBS）知识。RBS实验确立了原子的核式结构，为现代物理的发展奠定了基石，是近代物理学发展史中最重要的实验之一。在RBS实验中，带电粒子借助大型加速器装置形成高能离子束，通过与靶材相互作用发生能量损失的散射现象。依据背散射能谱变化情况，可以研究晶体材料、半导体材料、金属材料的微观结构、结晶特性等重要内容。目前，大型加速器装置及其背散射研究已经成为物理学科以及众多理工学科的交叉探索热点，相关研究成果极大推动了材料科学、微生物学、放射医学，以及基因改良等前沿学科的迅猛发展。

该虚拟仿真实验项目将山东大学物理学院已故中国科学院院士王克明院士创建的离子束应用研究团队多年来深厚的科研成果转化为本科生实验教学，培养理论基础扎实，实验动手能力强，富有创新精神的优秀本科生。通过该实验，可以实现以下实验目的：

（1）利用虚拟仿真技术解决高能离子束装置的购置成本极高、场地辐射安全隐患大、高电压操作风险高、实验测试周期长等实际实验教学中的难题，学生可以实现随时、随地、线上、线下有机一体化的模拟实验；

（2）学生通过虚拟在线操作，结合实验室现有串列式静电加速器装置，通过虚实结合熟练掌握串列式静电加速器大型装置的操作技术；

（3）帮助学生深入理解真空原理、离子源的弧压放电原理、电磁场的偏转原理、静电加速原理、四极透镜聚焦原理等加速器各关键部分的工作原理以及物理机制；

（4）利用虚拟仿真技术生动形象的模拟高能He离子与光学晶体相互作用的卢瑟福背散射实验，学生可以深入理解卢瑟福背散射的物理机制；

（5）学生可以利用背散射原理根据沟道分析技术研究光学晶体材料的结晶、掺杂、损伤等结构特性，深入理解和掌握背散射应用相关知识和技术；

2.实验原理

该实验由串列式静电加速器产生高能（2.1MeV）He离子束，并与靶材样品通过卢瑟福背散射产生背散射能谱，通过精细调节靶材的3D位置获得晶体材料的随机谱和沟道谱，进而评估晶体的结晶性能。该实验相关实验原理如下：

1：加速器原理：

（1）加速器主要的组成部件：离子源，加速管，四级聚焦磁铁，偏转磁铁，散射靶室、真空系统等；

（2）He离子源：经过灯丝的高温放电使得He气电离；

（3）He离子经过694kV的高压加速，经加速管真空通道达到2.1MeV高能量束流；

（4）He离子束经过四级聚焦磁铁汇聚成直径1mm的束斑，经偏转磁铁后入射到背散射靶室。

图1：串列式静电加速器结构示意图

2：背散射实验原理：

（1）背散射实验原理：高能He离子束垂直或者沿一定角度入射到靶材料表面，绝大部分离子与靶材料原子中的电子或原子核发生碰撞，逐渐损失其能量并停留在靶材料内部；只有极少部分离子与靶材料原子核发生大角度库伦散射，从而背离原来的入射方向，形成背散射现象。

（2）利用探测器对这些散射离子进行收集，探测信号通过前置放大器放大并整形，构成背散射能谱图。

（3）沟道效应是由于原子列或原子面通过一系列相关联且和缓的小角度碰撞对高能离子起到“导向”作用，从而使得背散射离子的产额在晶体沟道方向明显降低，构成晶体的沟道散射能谱。当晶向远离入射离子束方向时，由于大量原子与入射离子相互碰撞使得背散射离子的产额显著提高，处在晶体结构的随机方向，构成晶体随机散射能谱。

（4）调节靶材在三维角度的X-Y-Z方向位置，从而使得入射离子与靶材原子之间夹角变化，进而影响散射离子数量产额。同等时间内，散射离子数量能够反映出晶体结构和晶向的沟道效应。

（5）晶体的随机能谱与沟道能谱对比分析可以作为对晶体完整性的评价。相对于随机能谱的产额，沟道谱产额越低表明在晶向方向上出现缺陷原子或杂质原子越少，进而证实晶体的晶向越完整，单晶性能越优异。

图2：背散射实验示意图

3：该实验共包含以下6个知识点：

（1）真空操作及真空原理：机械泵和分子泵在高真空系统中工作原理；

（2）离子源的弧压放电原理：高温等离子体在励磁环境中的弧压放电使得He携带负电荷；

（3）电磁场的偏转原理：带电离子在可调谐电磁场环境的洛伦兹力作用下实现矢量偏转；

（4）静电加速原理：He-离子在两级串列式静电加速中公用一个高压电极，从前端加速管进入高压电极内通过电子剥离器使其带电性改变为He+，然后进入后端加速管继续加速。

（5）四极透镜聚焦原理：He+离子经过长距离加速后的空间发散可以通过栅极电场进行静电场压缩汇聚。

（6）晶体材料的背散射原理：离子束与晶体材料相助作用产生的散射能谱随着束流与晶向夹角的改变而明显改变，通过随机谱和沟道谱的实验对比分析可以确定晶体材料的损伤、缺陷等结晶特性。

3.实验仪器设备

本实验中使用的仪器设备包括：真空系统、供电系统、水冷系统、离子源、偏转磁铁、加速管、四级聚焦磁铁、背散射靶室、样品固定台、束流探测器、背散射数据分析软件等设备。这些设备都能够通过虚拟仿真技术很好的在系统中还原，并通过对话框介绍设备的功能。相关设备在虚拟仿真系统中的体现如下所示。

（1）：偏转磁铁

该设备是利用闭合回路的导电线圈组成，通过调节通入的电流大小，可以改变离子束管道的磁场强度。运动的带电离子垂直穿过磁场过程中在洛伦兹力的作用下发生矢量偏转，可以用于管控离子束的运动方向，使得离子束准确偏转到加速管道。

图3：虚拟仿真实验系统中的偏转磁铁

（2）：真空靶室

放置待分析的靶材料。高能He离子束通过隔离阀后进入到真空靶室，垂直入射到待测样品发生散射，通过散射探测器收集散射离子，用以实现RBS研究。

图4：虚拟仿真实验系统中的靶室

（3）离子源

通过给铂灯丝上涂有的碳酸钡施加电流，使其激发出高温电子。通入适量的He，在外加励磁场的环境中构成高温等离子体，在电弧放电过程中急剧膨胀使得He电离并携带负电荷，形成He离子束。

图5：虚拟仿真实验系统中的离子源

（4）：四级透镜

  四级透镜的作用是对空间发散的高能离子束进行电场汇聚，通过X-Y-Z三维方向的电流调制使得栅极电压改变，达到束斑有效收缩的目的。该部件可以使得经过加速管后的离子束电流值能达到30微安左右，能量达到1.7-2MeV的He离子束到达离子束靶室。

图6：虚拟仿真实验系统中的四级透镜

（5）：分子泵

  分子泵前段接入机械泵，通过机械泵完成加速器内部的低真空（10^-2Pa）。启动分子泵达到最大转速的稳定状态，利用高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合，把动量传输给周围气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口。分子泵最终使得加速器管道的真空达到10^-6Pa。

图7：虚拟仿真实验系统中的分子泵

（6）：串列加速管

带电离子在公用同一个电极电压下，通过电荷转化装置，两次得到加速，使离子能量达到MeV量级。

图8：虚拟仿真实验系统中的串列加速管