蒙特卡罗背散射能谱原理
蒙特卡罗背散射能谱模拟程序方法编写原理以及流程图
蒙特卡罗背散射能谱模拟程序方法编写原理以及流程图SRIM 与Corteo 都是与TRIM 相关的模拟程序，对入射离子在靶材料中减速过程的计算依据以下三大重要近似进行：（1）二体碰撞近似（BCA ）,即只考虑入射离子与周围最近的原子发生碰撞，不考虑与其他原子的相互作用；（2）中心势场近似（CPA ），即入射离子是在中心势场（屏蔽的库伦势场）中发生弹性散射，使用普适势（参考前面的ZBL 势[1]）；（3）随机相近似(RPA),把靶样品视为无定型结构，本次散射结束后的飞行方向和距离决定下一次散射中心的位置，而与材料本身无关。
BCA 推测碰撞只发生在两个粒子间，碰撞中涉及到原子间力比其他周围原子产生的力大得多。
如果碰撞中的最小接近距离比原子间距小，这会是很好的近似。
但在低能或大碰撞参量的碰撞情况下，近似是有待讨论的余地。
假设在减速计算中碰撞是弹性的(总能量守恒)，仅考虑弹性散射，所有与电子激发或电离相关的能损在做能损计算中单独考虑。
相互作用势是原子核势场，考虑到原子核外电子屏蔽作用，原子核有效电荷随着碰撞间距离增加而减少。
超过几个埃的距离，原子看作中性，只在偶极矩相互作用下离子化，但这在计算中务必要忽略。
因为轨道形状，屏蔽应该包括角度独立性不过这会使计算变得相当复杂，所以屏蔽函数大多数时间仅仅看作放射状并遵循随机相近似CPA 。
如绪论中讲到的Corteo 与TRIM 程序理论基础基本相同。
运用TRIM 理论的SRIM 使用普适势的形式为()∑=-=Φ41i i b e i a ρρ其中i i b a ,是被选为能够最好符合任何可能的原子对的碰撞参量，ρ是用约化单位表示的原子间隔。
我们将要在多次散射计算中用到近似，这时的屏蔽函数会有重要影响。
3.1碰撞过程近似选取计算最终做的近似是随机相近似（RPA ）。
假设下一次碰撞体的位置是随机的确定的，其不仅依据角度也依据与上一次碰撞点的距离，考虑到散射中心的浓度与物质浓度N 一致。
康普顿背散射检测的蒙特卡罗模拟
康普顿背散射检测的蒙特卡罗模拟作者：郭凤美颜静儒王强郑玉来来源：《商情》2019年第50期【摘要】利用蒙特卡羅程序Geant4模拟康普顿背散射包裹检测，计算了X射线入射不同材料的康普顿背散射和透射情况，给出了背散射光子的空间分布以及不同塑料闪烁体厚度对探测效率的影响，为康普顿背散射探测装置的优化设计提供了理论依据。
【关键词】康普顿背散射蒙特卡罗X射线康普顿背散射（CBS）技术可以有效提供表层较低原子序数而密度较高的被检物的几何形状和空间分布特征。
康普顿背散射检测技术的主要特点是对低原子序数的物质很灵敏，适宜对海洛因、炸药等物品的检测。
但康普顿散射信号较弱，需要合理设计和优化探测装置，提高探测效率。
为优化设计探测装置，基于Geant4开展了模拟计算。
1 Geant4软件简介Geant4是由欧洲核子中心主导开发的一套用于Monte Carlo模拟的开发程序包。
并且，来自于美国，俄罗斯，日本，加拿大等国家的10多个实验室的100多名科学家都参与了Geant4程序的研制工作。
它包括了实验装置构造、粒子在材料和磁场中的输运以及粒子与物质相互作用的物理过程模型等一整套工具包。
由于它的粒子种类多，物理模型全，能量范围大的特点，使得它的应用领域越来越广泛，包括高能物理，核试验，加速器，医学，生物科学，辐射防护等多个领域。
并且，它是一个免费的软件包，可以免费下载得到Geant4程序包的源代码和技术文档。
2 蒙特卡罗模拟2.1 不同材料（塑料和铁）和不同尺寸的被检测物体的透射和背散射模拟设定入射X射线的能量为140keV点源，垂直入射边长为2、5、10和20cm的正方体样品（塑料和铁）。
测量它们的X射线背散射和透射情况。
模拟装置如图1所示。
在模拟过程中，在被检测物体两侧，采用两个探测平面接收康普顿背散射光子和透射光子。
模拟光子数为10万。
表1列出了不同尺寸被照射物质（边长为2、5、10和20cm）背散射光子数和透射光子数。
蒙特卡洛法基本原理
x0 = r0 ⋅ sin θ 0 ⋅ cos ϕ 0 y0 = r0 ⋅ sin θ 0 ⋅ sin ϕ 0 z0 = r0 ⋅ (cos θ 0 − cos θ max )
除圆柱面、球形表面外，还有一些表面是旋转抛物面、旋转椭球面或旋转双曲面等复 杂的旋转曲面。 对这些复杂曲面， 原则上也可采用与前面类似的方法建立发射点分布概率模 型。如某曲面在柱坐标系中的方程为 z = f ( r ) ，则表面上发射点的径向分布概率模型原则 上可表示为：
r= 0
2 2 2 rmin + Rr ⋅ (rmax − rmin )
ϕ 0 = ϕ min + Rϕ ⋅ (ϕ max − ϕ min )
(2.21)
式中， Rr 、 Rϕ 分别是发射点的径向和圆周方向分布随机数。相应的发射点直角坐标 为 (r0 cos ϕ 0 , r0 sin ϕ 0 , 0) 。 对圆柱表面、圆锥(台)表面、球形(球冠、球带) 表面等典型旋转曲面，在圆柱坐标系 下建立发射点的分布概率模型比较方便。 以球形表面为例， 如图 2.5 所示。 若球面半径为 r0 ， 极角与圆周角的值域分别为 [θ min , 概率模型：
n= ±( Fx i + Fy j + Fz k ) /
Fx2 + Fy2 + Fz2
(2.15)
式中， Fx 、 Fy 、 Fz 是函数 F ( x, y, z ) 的偏导数； i 、 j 、 k 分别是 x 、 y 、 z 三个
坐标轴的方向矢量。 另外，由于某一部件表面只是其方程所表示表面中的部分区域，其边界约束可以通 过将相关的约束表面方程改写成解析不等式来表示。即
面单元 A j 吸收的抽样能束数。 从上述介绍可看出，采用 MCM 进行辐射换热计算的关键在于建立系统内物体表面的 数学描述、各种表面的热辐射统计行为概率模型、能束抽样、跟踪与统计。
利用康普顿背散射的蒙特卡罗模拟分析物质组成的研究
利用康普顿背散射的蒙特卡罗模拟分析物质组成的研究
论文由四部分组成,分别为引言、原理、蒙特卡罗方法以及MCNP程序的介绍、数学建模和数据分析。
引言部分介绍了康普顿背散射成像技术发展的背景与意义以及国内外的发展研究的现状。
原理部分,即文章的第二、三章,首先介绍了γ射线与物质的三种相互作用的物理机制,然后介绍了康普顿背散射成像技术的物理原理,为实验打下理论基础。
蒙特卡罗方法以及MCNP程序介绍部分,对程序的使用方法和技巧作了详细认真的描述。
最后一部分中首先构建康普顿散射实验和MCNP模拟的实验模型,然后分别采用康普顿散射仪和MCNP程序对四种材料的散射样品进行康普顿散射实验和模拟,得到散射光子信息,并对数据进行处理和分析。
文章通过分析、比对康普顿散射光子信息,证明MCNP模拟得到的数据是可靠的。
利用MCNP程序分别模拟圆柱体和立方体两种形状、四种材料的散射样品的康普顿背散射实验,得到了各个角度上的散射光子信息。
将所得数据进行分析讨论,可以确定组成散射样品物质的有效原子序数及初步判断散射样品外形。
扫描电镜背散射电子成像
扫描电镜背散射电子成像发布者：飞纳电镜背散射电子（BSE）是由弹性散射产生的。
当主电子束中的电子接近样品中的原子核时，受到原子核中正电荷的作用力，它们的运动轨迹发生了偏离。
背散射电子的产率取决于原子核的大小。
BSE图像对比度反应了样品表面的成分衬度。
在这篇博客中，会介绍背散射电子系数，并解释它是如何受到样品倾斜度和入射电子束能量的影响。
背散射系数背散射电子是由入射电子束中入射电子的弹性散射产生的，其能量大于50eV，在飞纳电镜之前的一篇博客中解释过。
背散射电子数量产生取决于许多因素，包括样品中材料的原子序数和电子束的加速度电压。
电子束与样品相互作用产生的背散射电子的数量被称为背散射系数 η，定义为背散射电流（IBSE）和探针电流（IP）的比值：其中 EB 是背散射电子的排出能量。
背散射系数受加速电压、原子序数 Z 以及样品表面与入射电子束的夹角的影响。
样品倾斜角度的影响背散射系数取决于入射电子与样品表面的夹角，公式如下：图1为正常条件下，不同元素（金，银，铜，铝和铍）背散射系数的角度分布，（60° 和 80°） 。
图1：背散射系数的角度分布的极坐标图：不同元素（金，银，铜，铝和铍）的 60° 和80° 。
[1]在图2的示意图中，给出了极坐标下的不同元素的背散射系数（换句话说，不同原子序数元素发射的背散射电子数量）。
当样品表面垂直于电子束时，背散射电子（BSE）发射是轴对称的，如图2左边所示。
当样本倾斜时，背散射电子（BSE）发射不再是对称的，也就意味着在这种情况下，BSD右侧接收到的信号小于左侧象限接收到的信号。
图2：由样品、背散射（BSE）探测器和极片组成的扫描电镜（SEM）示意图，左图和右图分别为水平样品和倾斜样品（Au、Ag、Cu和Be）在极坐标下的背散射系数的角分布。
当样品倾斜时，背散射系数增大，如图3所示。
在这张图中，用蒙特卡罗方法测量了不同元素（C，Al，Cu，Ag，Au）在不同倾斜角度下的背散射系数。
蒙特卡罗背散射能谱原理
蒙特卡罗背散射能谱原理本文编写了一组利用蒙特卡罗（Monte Carlo）方法运用Corteo物理思路模拟氦离子入射到单层及多层靶的背散射能谱拟合程序，将模拟结果与SIMNRA 软件和实验数据结果比对。
论文讨论了1).W,Be,Mo单层靶的模拟与SIMNRA软件结果的拟合，发现背散射能谱拟合程序与标准RBS能谱在高能处符合很好，且在低能处程序模拟值比标准值大，三种单元素厚靶的拟合都取得理想结果。
2).InGaN与SiC多层靶的实验能谱与两种模拟能谱的拟合，背散射拟合程序与标准谱形状相似，但程序的自由程随机性不能很好体现出来。
今后将对多层靶再进行划分多层，编写新的拟合程序，以求能够与实验能谱更好拟合，以便实际应用。
1.1离子束分析研究意义当今世界正是科学技术迅猛发展的时候，各种创新思想正在一步步由假想变为现实。
材料、能源与信息并列为现代科学技术的三大支柱，人类衣食住行方方面面均离不开现代科技的发展与利用。
材料包括材料元素及各种物质组成原子的性质直接影响并决定着材料的各种性能，所以通过研究离子束分析方法能够很好地对材料中重元素深度进行分析，并通过模拟软件可得到较直观的内部信息。
离子束分析总的来说是以离子束作为工具，通过它与物质相互作用来判断物质中元素组成及结构的一门学科。
具体来说是利用某一特定能量的离子（如：质子、α离子及其他重离子）束去轰击样品，使样品中的元素发生激发、电离、发射、核反应和自身散射等过程，通过测量这些过程中产生射线的能量和强度来确定样品中元素的种类和含量的一门学科。
离子束分析技术根据离子-原子核与离子-原子相互作用机制主要划分为：核反应分析(NRA),质子X荧光分析（PIXE），卢瑟福背散射分析（RBS）等。
其中背散射分析是七十年代蓬勃发展起来的一种离子束分析技术。
主要用于对样品元素的定性、定量和深度分布分析,在离子注入、薄膜技术及半导体和其他新型材料研究和生产方面，都表现出优异的特点。
基于Monte Carlo方法的光学分子散射研究
基于Monte Carlo方法的光学分子散射研究郭瑞波【摘要】综述了分子影像中的各种方法，特别针对光学分子成像技术结合生物组织的混浊介质实例介绍了Monte Carlo方法及其模拟传播流程。
目前在非接触式光学断层成像的MC方法研究有生物组织中光传输模型和自由空间光传输模型两种方向，分别介绍了其在本领域的研究现状。
由此可知MC方法对活体组织安全快速的无损检测有重要作用。
%This paper reviewed various methods of Molecular Imaging, in particular introduced the Monte Carlo method and its analog propagation process with the case of the turbid medium of biological tissue by aiming at the Optical Imaging technique. In the current, the MC Method study of Non-contact Optical Tomography has two directions:biological tissue optical transmission model and free-space optical transmission model, and its research status in this field are introduced in this paper. So the MC method has an important role in safe and fast nondestructive testing of living tissue.【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2015(000)022【总页数】2页(P135-136)【关键词】Monte Carlo方法;光子包传输;光学成像【作者】郭瑞波【作者单位】哈尔滨金融学院，哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TP391随着人们对健康的重视，先进的技术手段和医疗设备被广泛的应用于疾病检查。
蒙特卡罗法模拟低失能近轴背散射电子能谱
蒙特卡罗法模拟低失能近轴背散射电子能谱
蒋昌忠
【期刊名称】《武汉大学学报：自然科学版》
【年(卷),期】2001(47)1
【摘要】用蒙特卡罗法模拟了探测到的高能同轴背散射电子的能谱 ,分析了入射电子能量、靶原子序数和探测角对归一化能谱的影响 .结果表明 :当入射电子能量增加和靶原子序数减小时 ,弹性散射峰值逐渐降低 ,背散射电子数峰位向低能端移动 ;探测角的改变对能谱形状基本没有影响 .利用较低的入射能量、较大的探测能量窗口和探测角值有利于背散射率的提高 ;大的入射电子能量和小的探测能量窗口对应较大的背散射率的相对变化率 ,探测角值对背散射率的相对变化率基本没有影响 .可以利用大的探测角值提高背散射率以改善信噪比 .
【总页数】4页(P83-86)
【关键词】扫描电子显微镜;蒙特卡罗模拟;电子能谱;近轴背散射电子;背散射率;电子能量;探测角
【作者】蒋昌忠
【作者单位】武汉大学物理科学与技术学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN160.1;O242.2
【相关文献】
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蒙特卡罗背散射能谱原理本文编写了一组利用蒙特卡罗（Monte Carlo）方法运用Corteo物理思路模拟氦离子入射到单层及多层靶的背散射能谱拟合程序，将模拟结果与SIMNRA 软件和实验数据结果比对。
论文讨论了1).W,Be,Mo单层靶的模拟与SIMNRA软件结果的拟合，发现背散射能谱拟合程序与标准RBS能谱在高能处符合很好，且在低能处程序模拟值比标准值大，三种单元素厚靶的拟合都取得理想结果。
2).InGaN与SiC多层靶的实验能谱与两种模拟能谱的拟合，背散射拟合程序与标准谱形状相似，但程序的自由程随机性不能很好体现出来。
今后将对多层靶再进行划分多层，编写新的拟合程序，以求能够与实验能谱更好拟合，以便实际应用。
1.1离子束分析研究意义当今世界正是科学技术迅猛发展的时候，各种创新思想正在一步步由假想变为现实。
材料、能源与信息并列为现代科学技术的三大支柱，人类衣食住行方方面面均离不开现代科技的发展与利用。
材料包括材料元素及各种物质组成原子的性质直接影响并决定着材料的各种性能，所以通过研究离子束分析方法能够很好地对材料中重元素深度进行分析，并通过模拟软件可得到较直观的内部信息。
离子束分析总的来说是以离子束作为工具，通过它与物质相互作用来判断物质中元素组成及结构的一门学科。
具体来说是利用某一特定能量的离子（如：质子、α离子及其他重离子）束去轰击样品，使样品中的元素发生激发、电离、发射、核反应和自身散射等过程，通过测量这些过程中产生射线的能量和强度来确定样品中元素的种类和含量的一门学科。
离子束分析技术根据离子-原子核与离子-原子相互作用机制主要划分为：核反应分析(NRA),质子X荧光分析（PIXE），卢瑟福背散射分析（RBS）等。
其中背散射分析是七十年代蓬勃发展起来的一种离子束分析技术。
主要用于对样品元素的定性、定量和深度分布分析,在离子注入、薄膜技术及半导体和其他新型材料研究和生产方面，都表现出优异的特点。
卢瑟福背散射（记作RBS）是快速运动的入射离子受静止的靶原子核的库仑排斥作用而发生散射的大角度库伦散射现象。
卢瑟福背散射有时也被叫做库仑散射，因为它涉及的位势是库仑位势。
通过对散射离子能量的测量，可以确定靶原子的质量。
通过对散射产额的测量，可以定量地确定靶原子的含量。
通过对散射离子的能谱测量，可以确定靶原子的深度分布。
1.2 国内外研究现状及研究方法1.2.1 卢瑟福背散射分析的历史发展卢瑟福背散射分析是固体表面层和薄膜的简便、定量、可靠、非破坏性分析方法, 是诸多的离子束分析技术中应用最为广泛的一种微分析技术。
从背散射现象的发现到广泛应用经历了几十年的不断实践与创新，才使得RBS得到大力发展与应用。
1909年，盖革和马斯顿观察到了α粒子散射实验现象；1911年，卢瑟福揭示了该现象，确定了原子的核式结构模型，为现代物理发展奠定了基石并促进玻尔模型的提出；1957年，茹宾首次利用质子和氘束分析手机在滤膜上的烟尘离子的成分；1967年，美国测量员5号空间飞船发回月球表面背散射分析结果。
19世纪70年代,固态硅探测器的发明使RBS成为一种很受欢迎的实验方法。
从20世纪60年代中后期首次应用RBS于月球表面元素成分分析至今,RBS 已发展成为一种常规的杂质成分、含量及深度分布、膜厚度分析手段,在材料、微电子、薄膜物理、能源等交叉学科领域的研究中,都有着重要的作用。
随着背散射分析方法的逐渐熟练使用，人们已经掌握元素深度分布信息的测定，在此基础上还有人通过编程运用计算机模拟卢瑟福背散射现象，对散射过程中各实验数据做进一步分析，可得到靶元素对某种特定离子的阻止本领和不同种类离子入射到靶样品中的背散射能谱以及未知靶元素相关信息等重要信息。
1.2.2 卢瑟福背散射模拟分析研究方法对卢瑟福背散射过程的模拟采用计算机模拟来实现。
所谓计算机模拟是通过建立研究对象的数学模型或描述模型，设置实验环境，并在计算机上加以体现和实验，以理解模拟程序和实验结果，用计算机对实验数据进行处理。
对卢瑟福背散射实验的模拟程序应用它的动态效果还原整个实验的过程，并获取相应类似的实验结果。
这不仅减少了真实实验的操作难度与实验的器材成本，还排除了真实实验不可预料的突发状况的可能性，并大大节省了数据处理的时间。
本实验就是通过著名的卢瑟福散射公式进行直接抽样，从而建立确定的统计模型，描述离子与靶材料原子多次散射过程，从而给出精确的背散射能谱。
在离子束分析技术中，带电离子在物质中输运过程的模拟是关键问题。
国际上，带电离子“详细历史法”( detailed history) 是研究热门，不断有新的程序出现，同时越来越多的基于蒙特卡罗方法编写的程序和软件如SRIM[1,2]，Corteo[3]，RUMP[4]，Geant4[5]等都得到广泛应用。
SRIM是由Ziegler等人开发的一套计算带电离子在物质中的阻止本领与输运过程的蒙卡模拟程序，采用普适势ZBL（Ziegler-Biersack-Littmark）理论。
TRIM是其中的计算均匀致密靶材料的离子输运计算模块，是目前公认的标准的详细历史计算程序。
Corteo程序是加拿大蒙特利尔大学Francois Schiettekatte开发的一个离子输运快速模拟程序，理论基础与TRIM程序基本相同，只是其将散射角提前计算并储存在列表中,需要时通过索引(index)得出，而不是对每一次直接计算（TRIM），这样提高了对计算精度影响很小的情况下的计算效率。
Geant4是高能物理协会开发的模拟粒子运输的蒙特卡罗通用程序包。
基于Geant4程序源代码开放的特点，使用者可以构造不同的物理模型。
RUMP程序也是从国外引进的基于蒙特卡罗原理的专为模拟RBS实验谱而设计的软件。
RUMP运行时可对软件载入所需的背散射截面数据或新的阻止本领数据以实现非卢瑟福背散射模拟或重离子背散射模拟。
由于RUMP工作环境是采取一种命令式的对话，并搭配有在线帮助信息提示系统，所以RUMP 在谱数据处理和谱图绘制方面有很大优势。
以上几种均是基于蒙特卡罗方法开发的程序或软件，在此介绍一种不基于蒙特卡罗方法的程序SIMNRA[7]。
SIMNRA是德国Max-Planck研究所开发的计算机拟合程序，包含了常见离子在不同材料中的电子阻止本领和散射截面数据，用来分析卢瑟福散射截面和离子在靶材料中的组织本领，并将能谱转换为元素的深度分布从而实现高精度的深度分布测量。
使用时只需初步设定相关探测参量，即可进行模拟给出拟合谱，软件可自动调整薄膜组分及实验谱对照，直接给出与实验谱匹配一致的曲线，从而得到分析结果。
由于SIMNRA运用的是经典卢瑟福散射过程，未考虑离子在靶中的多次散射过程，故得到一条连续背散射能谱。
上面提到的蒙特卡罗方法，又叫统计模拟法、随机抽样技术，是一种以概率统计理论为指导的数值计算方法，常常被用来解决很多计算问题。
蒙特卡罗方法的基本思想是：方便求解数学、物理、工程技术以及管理等方面的问题。
应用蒙特卡罗方法首先建立一个概率模型或随机过程，使某参数如概率分布或数学期望等于问题的解；然后观察过程或对模型抽样试验来计算所求参数的统计特征，再用算术平均值近似为结果的解。
处理随机性问题，有时还可以根据实际物理背景的概率统计特征，用计算机程序直接进行抽样试验，从而得到问题的解答。
蒙特卡罗方法有许多的优点[8]：（1）程序模拟背散射受几何条件的限制小；(2)能够较逼真地描述具有随机性质的离子与靶物质碰撞过程；(3)可以同时计算大量入射离子与不同靶材料的物理碰撞过程；(4)容易确定计算机模拟过程带来的误差；(5)相较于真是实验，编写程序易于实现。
蒙特卡罗方法所特有的优点，使得它的应用范围越来越广。
基于以上诸多优点，本论文就是使用蒙特卡罗方法来对卢瑟福背散射现象进行模拟。
1.3本论文工作简介卢瑟福背散射在材料中的重元素深度分析方面有重要的应用。
但其必须借助计算机模拟程序来提供能谱的响应函数，才能完成实验能谱的分析。
目前的能谱模拟程序并未考虑入射离子在材料中的多次散射现象。
因此，无法给出精确的背散射能谱响应函数。
但是，在离子在靶物质中穿行的实际过程中，离子刚入射到靶材料时能量高、速度大，发生背散射几率较小，在靶中发生多次散射碰撞损失能量速度减小后才发生背散射经探测器探测到。
本毕业设计结合上述实验需求，引用Corteo离子发生多次散射的传输思想，利用蒙特卡罗方法来描述离子与靶材料原子的多次散射过程，通过模拟大量离子在靶材料中多次散射后经探测器测得的背散射几率与入射离子能量之间的关系，从而可以给出更为精确的背散射能谱。
同时，根据模拟得到的能谱响应函数，利用ROOT软件包提供的拟合软件，进一步开发解谱程序。
将实验结果与卢瑟福散射结果（SIMNRA）作比较，论文研究结果将提高背散射分析的便捷性和准确性。
第二章物理原理卢瑟福背散射分析（Rutherford backscattering Spectrometry,RBS）有时被称为高能离子散射谱学，是一种离子束分析技术，被用来分析、测量材料的结构和组分而广泛应用在材料科学中。
通过将一束确定能量的高能粒子束（通常是质子或氦离子）打到待分析材料样品中，探测背向反射离子（散射角>90。
）的能量，即可确定靶原子的类别、含量和深度分布信息。
本章对卢瑟福背散射谱学基本原理做一些简单介绍。
2.1 基本原理当一束能量Mev量级的离子（通常用α粒子）入射到靶物质中，与靶原子或原子核发生弹性碰撞(如图 2.1a)。
由于离子刚入射时能量高速度大，大部分离子沿入射方向穿透进去，还与靶原子电子发生碰撞逐渐损失能量停在靶中；但是有极小部分离子由于靶原子核库伦排斥作用发生大角度散射，从背向（散射角>90。
）散射出来。
这些入射离子与靶原子核之间的大角度库伦散射现象称为卢瑟福背散射（记作RBS）。
入射离子与靶原子弹性碰撞的运动学关系决定能量转移大小，通过对这些背散射离子能量的测量可以确定靶原子的质量。
在碰撞前后带电粒子穿透靶物质的深度决定了带电粒子能损大小，通过对能谱测量还可确定发生碰撞的靶原子在样品中的深度分布。
在碰撞时，靶原子浓度和截面决定了散射产额的多少，通过测定背散射离子的总计数，可以确定靶原子的浓度。
背散射运动学因子，背散射散射截面和能量损失因子是背散射分析的三个主要参量，它们分别关系着背散射分析的质量分辨能力、原子浓度的定量分析和深度分辨能力[9]。
图2.1a 背散射谱仪系统图2.1b 离子与靶原子的弹性碰撞过程2.2背散射运动学因子运动学因子[9]为与靶原子弹性碰撞后散射离子能量与入射离子初始能量的比值，由被分析的靶元素原子质量所决定。
将某单一能量离子束打到真空靶室中的靶样品上，使其能量低到不足以与靶核发生核反应的条件以下，入射离子和靶原子核发生(如图2.1b 所示)弹性碰撞。