在康派斯实验室的RBS教程中，我们介绍了卢瑟福背散射光谱法的历史，以及这种分析技术提供的仪器，理论和数据背后的科学原理。

卢瑟福反向散射（RBS）基于原子核之间的碰撞，其名称来源于欧内斯特·卢瑟福勋爵，他在1911年首次提出了原子具有原子核的概念。

它涉及测量光束中离子的数量和能量，这些离子在与光束所针对的样品的近表面区域中的原子碰撞后反向散射。

有了这些信息，就可以确定原子质量和元素浓度与地表以下深度的关系。RBS非常适合测定比底物主要成分重的痕量元素的浓度。它对轻质量以及远低于表面的样品组成的灵敏度很差。

历史

欧内斯特·卢瑟福勋爵

到1909年，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）已经确定α粒子由带+2电荷的氦组成。以卢瑟福的名字命名的反向散射实验是由汉斯·盖格（Hans Geiger）（盖革反名声）提出的。然而，二十岁的本科生欧内斯特·马斯登（Ernest Marsden）仍然需要真正进行第一次测量。

马斯登观察到，绝大多数α粒子（He++）干净利落地穿过薄薄的金箔，但有些从入射的He++光束以各个角度散射。卢瑟福从这个观察出发，提出了原子核的存在。卢瑟福原子核提议的主要特征是，非常小的体积包含大部分原子质量。阿尔法粒子从原子核中散射，因为一大群台球如果被推进到保龄球上就会散开。

卢瑟福背散射光谱法（RBS）是这些背散射粒子能量的测量法。这些能量取决于α粒子散射的原子的身份，散射的角度以及粒子在散射前行进到样品中的深度。因此，RBS可用于元素分析，尤其是表面分析。

RBS的一个早期用途（当时称为α散射实验）是对月球土壤的元素分析，作为1967年Surveyor V科学有效载荷的一部分。大多数早期的RBS实验使用α粒子的放射源。今天，产生适度反向散射信号所需的强烈铅笔状α粒子束通常由带电粒子加速器提供。

仪器

RBS仪器的三个主要组成部分是氦离子源，将其转换为高能α粒子的加速器以及测量背散射离子能量的检测器。加速器的类型决定了其他组件的配置。单端加速器的离子源在高压下浮动。兆伏电位的电气隔离是通过将端子安装在充满绝缘气体（通常是SF6）的罐中来实现的。将离子源放置在储罐内的一个缺点是难以更换或补充离子源。

串联加速器是一项聪明的创新。串联加速器使用位于设备中心的正极端子。带负电的粒子被注入加速器并被吸引到末端，其中剥离器元件从每个粒子中去除两个或多个电子。正极端子将产生的正离子排斥回地面。因此，粒子在终端之前和之后都获得了能量。

与单级设置相比，串联配置有两个重要优势。首先，需要较低的端电压，其次，源极和离子出口都在接近地电位附近工作。主要缺点是氦气生产和电荷剥离效率低下，串联的He++光束电流降低到约100 nA，而单端加速器的He++束电流为1 mA。幸运的是，由于检测器的限制，大多数RBS实验只能使用大约100 nA。典型的RBS装置使用串联加速器，通过在+ 2 KV终端从He-中去除三个电子来产生25.750 MeV He++光束。

串联加速器

串联加速器有四个主要组成部分：

• 储罐中的带电粒子束线，包含高压组件和绝缘气体。
• 一种称为由高压源供电的端子的电极。
• 位于端子的电子电荷剥离器。
• 用于电荷剥离器和光束线的真空系统。

虽然大型加速器通常可以填满整个大厅，但较小的加速器适用于RBS。这种加速器需要300万美元的投资，而用于分析和控制的合适终端站需要额外的000，50至000万美元。虽然这些肯定是昂贵的设备，但它们与其他分析仪器并不不一致。

电压源

最古老的加速器形式是范德格拉夫，以罗伯特范德格拉夫的名字命名，他将开尔文勋爵的建议付诸实践。它的显着特征是在移动皮带上进行电荷转移，一个滑轮在地面，另一个在端子。

电荷通过电晕点梳子放在皮带上.第二组点消除了终端上的电荷。虽然传统的范德格拉夫加速器是单端的，但电压源可以在串联电机中使用。

一个众所周知的变体是Pelletron，它与Van de Graaff相同，只是带有金属和绝缘体交替链节（颗粒）的链条取代了皮带。该链提供比皮带更均匀的电荷传输，从而产生更稳定的电压。

Tandetron加速器使用由射频信号供电的倍压器电源。没有移动部件，减少了昂贵的维护需求。来自Tandetron设备的电压也非常稳定。端电压稳定性会影响光谱分辨率。

光束线和水箱

加速器端子的电气隔离显然需要良好的绝缘体。由于空气在高电场中电离并导电，因此必须布置加速器组件以最小化电场。因此，加速器设计的一个指导原则是消除产生高电场的任何尖点或边缘。高压组件安装在充满六氟化硫气体（SF6）的压力容器中，因为这种气体比空气更能抵抗电击穿。

端子和光束线需要机械支撑，这是一项要求更高的任务，因为用作范德格拉夫或佩莱特龙电压源一端的皮带轮施加的力。光束线由沿电阻链连接到端电压的交替绝缘体和导体部分组成，以线性化电势并减少组件之间的电场。光束线和端子被一系列光滑的导电环包围，这些环也沿着电阻链连接到端子电压。这些预防措施有助于减少加速器组件之间的电压梯度，从而最大限度地减少电场。预防措施是必要的，因为 750 kV 终端有可能产生非常大的火花。

剥离器元件

He-离子到达正极端子时具有相当大的动能（通常为750 keV）。高能离子在穿过任何材料时会在掠过碰撞中失去电子。离子还为每个丢失的电子放弃少量的动能。然而，与负离子通过终端时的动能相比，损失的能量很小。

方便的电子剥离材料（位于端子处）包括薄箔和气体。箔更容易使用，因为它只是挂在光束路径中。然而，箔的厚度可以通过积碳（来自真空系统中的残余含碳气体）增加，也可以通过溅射而减小。箔片厚度会影响剥离器的效率和光束能量。必须偶尔更换箔片，这涉及打开水箱和光束线。

由于气室的运行更可预测并避免了维护问题，因此它们变得越来越普遍。气室由同心管组成，可能长0.3米。除了离子束通过的小孔外，两端都是封闭的。

外管连接到额外的真空泵，气体从外部源泄漏到内管中，产生 1 至 10 毫托的压力。外管中的这种差速泵送减少了泄漏到光束线中的气体量。

由于维持气室所需的压力，飞行管中的压力（在加速器末端测量）上升到1到10微托范围。使用剥离箔可以降低压力。然而，高能离子与气体分子的适度碰撞截面降低了RBS实验中对高真空的要求。

负氦离子的来源

单端加速器所需的He+或He++离子来自等离子体离子源。双等离子体从阴极和阳极之间的低压电弧燃烧开始。氦等离子体在几何和磁学上受到限制，离子被强电场提取。

射频等离子体源也产生He+离子。射频源在单端加速器中更常见，因为它们比双等离子体更有效地产生He++。典型源产生1 mA的He+。

串联加速器需要负氦离子。氦气是最惰性的气体;它往往不会获得或失去电子。离子源必须克服氦气不形成负离子的这种自然趋势。源分两个阶段运行。首先，如上所述产生正离子。碱金属通道在第二阶段将He+转化为He-。

当He+通过热碱金属蒸汽时，就会发生这种电荷交换。图中使用了铷，但所有碱金属都具有足够的还原力来形成He-。电荷交换过程效率低下;1毫安的He+导致1微安的He-。负离子从碱金属通道中提取并以20至30keV注入串联加速器。

聚焦元件

两个离子光学元件通常放置在加速器和样品室之间。磁场将任何He-，He或He+与He++光束分开。四极透镜塑造光束并将其聚焦到样品室中。这些高能量（刚性）光束需要相对强的离子弯曲和聚焦组件。高能束提供了重要的分析优势。

与大多数带电粒子分析方法相比，RBS中的样品可以是绝缘的。即使这些样品充电到几千伏，刚性光束也几乎没有偏转。样品充电在RBS光谱中仅引起轻微的扰动，因为千伏充电效应只是兆伏粒子能量的一小部分。

样品室

主要的样品室组件是一个载物台、一个或多个检测器、一个光束入口和真空系统。该腔室可以是简单的法兰，带有样品和单个能量色散光谱仪。

更典型的是，样品安装在五轴测角仪上，便于将许多样品装入真空系统并按顺序进行分析。测角仪还可以倾斜和旋转样品。比较在不同入射和出射光束角度获得的光谱可以更好地表征样品成分与深度的关系。相对于入射光束随机倾斜和旋转样品可避免由于入射光束沿着样品晶体结构中的通道传播而引起的光谱变化。两个表面屏障检测器（一个法线角，一个掠过出口）包含在典型的RBS样品室中。

光谱学

α粒子来自加速器并撞击样品表面。必须测量那些反冲回探测器的少数粒子的能量。表面阻挡硅探测器用于RBS。由于这些器件本质上是二极管，因此通常称为半导体二极管检测器。高能带电粒子在半导体材料中产生电子-空穴对。探测器在前表面和后表面之间以电势（通常为 4 kV）运行。在产生的电场中，电子-空穴对产生与带电粒子能量成比例的电流。

He++产生一个电子-空穴对所消耗的平均能量约为3.7 eV。这有时被称为探测器的电离能。每个1 MeV粒子产生约2700个电子 - 空穴对。电荷载流子数量的波动或变化会影响光谱分辨率。理论最小方差（遵循泊松统计）等于电荷载流子的数量。标准差等于方差的平方根。Fano因子是观测值与该理论最小方差的比率。Fano因子涉及峰展宽的其他来源，通常是电荷收集不完全和死层损耗的变化。

高纯度半导体为电子-空穴对复合提供相对较少的位点，从而最大限度地减少了不完全的电荷收集。带电粒子到达探测器的有效体积（死层损失）之前的能量损失很小，因为该层在表面屏障探测器中很薄（约100纳米）。由于该厚度仅对应于0 MeV He++的能量损失约4.1%，因此对于典型的RBS实验，能量损失的微小变化微不足道。因此，高质量的硅表面势垒探测器几乎是α粒子光谱学的理想选择。

粒子到达探测器的时间是随机间隔的，导致当粒子几乎同时到达时，测量之间可能会产生干扰。这种现象称为脉冲堆积，在高颗粒到达率下成为一个严重的问题。有两种类型的堆积。尾部堆积涉及脉冲在长时间尾部或前一个脉冲的下冲上叠加，导致频谱分辨率降低。高质量的电子电路可最大限度地减少尾部堆积。两个脉冲足够接近，可以作为单个脉冲处理，经历峰值堆积，第二种类型。检测器死区时间是连续离子到达之间的最短时间，如果要单独测量的话。峰值堆积最终会限制 RBS 数据收集的发生速率。

理论

当样品被一束高能粒子轰击时，绝大多数粒子被植入材料中并且不会逃逸。这是因为原子核的直径在1e-15 m左右，而原子核之间的间距在2e-10 m左右。一小部分入射粒子确实与样品上部几微米中的一个原子核发生直接碰撞。这种“碰撞”实际上并不涉及弹丸离子和目标原子之间的直接接触。能量交换的发生是由于彼此靠近的原子核之间的库仑力。然而，这种相互作用可以用经典物理学精确地建模为弹性碰撞。

在给定角度下测量粒子反向散射的能量取决于两个过程。粒子在碰撞前后通过样品时会失去能量。损失的能量取决于材料的制动力。粒子也会因为碰撞本身而失去能量。碰撞损失取决于目标原子的弹丸质量。碰撞前后弹丸的能量之比称为运动系数。

样品中给定元素发生的反向散射事件的数量取决于两个因素：元素的浓度和原子核的有效尺寸。材料引起碰撞的概率称为其散射截面。

散射截面

对于样品表面的散射，唯一的能量损失机制是向目标原子传递动量。碰撞后的弹丸能量与碰撞前的弹丸能量之比定义为运动学系数。

从轻元素背散射的粒子的能量之间的分离比从重元素回射的能量要大得多，因为大量的动量从入射粒子转移到轻目标原子。随着目标原子质量的增加，传递到目标原子的动量越来越小，背散射粒子的能量渐近于入射粒子能量。这意味着RBS在区分两个轻元素时比在区分两个重元素时更有用。RBS对轻元素的质量分辨率良好，但对重元素的质量分辨率较差。

例如，当He++撞击C，N或O等轻元素时，弹丸能量的很大一部分被转移到目标原子上，并且该反向散射事件记录的能量远低于光束的能量。通常可以从N分辨C或从Si分辨P，即使这些元素的质量仅相差约1 amu。

然而，随着被击中原子质量的增加，在碰撞过程中，弹丸能量的一小部分被转移到目标上，并且背散射原子的能量逐渐接近光束的能量。当这些元素存在于样品中的相同深度时，不可能从Ta中分辨出W，或者从Ni中分离Fe，即使这些较重的元素在质量上也仅相差约1 amu。

一个重要的相关问题是，他不会从样品中的H或He原子向后散射。与弹丸元件一样轻或轻的元件将相反，以显着的能量在前向轨迹上散射。因此，这些元素无法使用经典 RBS 检测。然而，通过放置一个探测器，以便可以记录这些前向散射事件，可以使用与RBS相同的原理定量测量这些元素。

运动学

对于给定数量的入射粒子，从目标原子反向散射到给定立体角的粒子的相对数量与微分散射截面有关。散射截面基本上与目标原子的原子序数的平方成正比。

该图显示了在 2 MeV 的入射 He 能量下所选元素的 He 反向散射的相对产量。还显示了这些元素在样品表面存在的He反向散射的能量。

该图表明，由于较重元素的散射截面较大，RBS对重元素的灵敏度是轻元素的100倍以上。

制动力

只有一小部分入射粒子与原子核密切接触，并从样品中反向散射。绝大多数事件中的He原子最终被植入样品中。当探测粒子在致密介质中穿透到一定深度时，由于与电子的相互作用（电子停止）以及与目标原子核的掠过碰撞（核停止），弹丸能量会消散。这意味着从样品中某个深度的元素反向散射的粒子将比从样品表面上的相同元素反向散射的粒子具有可测量的能量。弹丸在样品中每经过一段距离损失的能量取决于弹丸、其速度、样品中的元素以及样品材料的密度。2 MeV He 的典型能量损耗范围在 100 至 800 eV/nm 之间。这种对样品成分和密度的能量损失依赖性使得RBS能够测量层厚度，这一过程称为深度剖析。

大部分能量损失是由电子停止引起的，其行为（大致）类似于探测粒子和目标原子的电子云之间的摩擦。核停止是由沿着探测原子的路径发生的大量掠过碰撞引起的。核停止仅在低粒子能量下才会造成显着的能量损失。给定材料的能量损失与二维原子密度之比称为其停止截面（epsilon），通常以eV-cm为单位进行测量。由于大部分能量损失是由与电子的相互作用引起的，因此目标材料的电子结构对其停止功率有显着影响。

制动力的理论预测既复杂又不准确。因此，RBS 计算中经常使用经验停止功率。多项式方程和系数表提供了在各种能量和元素上的停止功率的计算。为了计算样品中每单位深度的能量损失，可以将停止横截面乘以样品材料的密度（原子/厘米2).样品密度可能会有很大差异。有必要知道样品材料的密度，以便通过RBS计算特征的深度或层的厚度。

金属硅化物示例

非常适合RBS分析的样品的一个例子是金属硅化物薄膜。它们通常用作半导体器件之间的互连，因为它们比铝或硅导电性更好。电导率取决于硅与金属的比例以及薄膜的厚度。这两个参数都可以通过RBS轻松确定。

该图说明了运动因子和散射截面之间的相互作用。这两个光谱来自Si衬底上两种不同Ta/Si成分的TaSi薄膜。在本例中，其中一层薄膜的厚度为 230 nm，而另一层薄膜的厚度为 590 nm。该实验使用2.2 MeV的He++离子束。

在这两种光谱中，高能峰都是通过TaSi薄膜层中的钽散射产生的。较低能量的峰值来自硅，硅出现在表面的TaSi膜和Si衬底中。硅比钽引起散射事件的可能性要小得多，因为它的散射截面较小。为了使这两个光谱中硅信号的特征易于辨别，将硅峰乘以五。

对于样品表面的散射，唯一的能量损失是由于动量传递到目标原子。钽峰在2.1 MeV附近的高能边对应于表面Ta的反向散射。硅峰在1.3 MeV附近的高能量边缘对应于表面Si的反向散射。

层厚测量

通过测量Ta峰或Si阶跃的能量宽度，除以TaSi矩阵中每单位深度He的能量损失，可以计算TaSi层的厚度。

例如，Ta峰的低能量边缘对应于TaSi/Si界面处Ta的散射。该图显示，从230 nm薄膜的TaSi/Si界面处散射的钽颗粒的最终能量约为1.9 MeV，而从590 nm薄膜的同一界面散射的颗粒具有较少的最终能量（约1.7 MeV），因为它们通过的TaSi更多。整个Ta峰跨越更大的能量范围，因为它所代表的层的厚度增加。

元素比例

通过测量Ta和Si峰的高度并通过相应元素的散射横截面进行归一化，可以在薄膜中的任何给定深度获得Ta与Si的比率。TaSi的停止截面明显高于纯Si。这意味着背散射粒子在TaSi中每单位体积损失的能量将比纯Si中多。这一事实的含义是，对于给定的能量损失（DE），一体积的TaSi中所含的原子比相同体积的纯Si所含的原子少。这导致更少的反向散射事件，这意味着TaSi中的硅峰值将低于纯Si层中的峰值。在下图所示的光谱中，硅峰在其高能端有一个阶梯：较低的峰是TaSi;更高的峰值是纯硅。

给定层的反向散射峰值的高度与该层的停止截面成反比。已知TaSi的停止截面仅为Si的1.37倍。这就解释了为什么即使对于Si：Ta比为2：3的薄膜，TaSi层中对应于Si的峰的高度也小于衬底中对应于Si的峰高度的一半。

元素浓度

也可以通过将TaSi层的Si峰高度与纯Si衬底的峰高度进行比较来计算TaSi薄膜中的Si浓度，但只有在校正两种材料的不同停止截面之后。

离散

在通过有限厚度的目标后，探测的He原子不仅会失去能量，而且它们也将不再是单能的。相反，它们将具有由能量损失计算预测的能量分布。探测的氦原子失去能量的过程涉及沿其通过样品的轨迹与单个原子的大量相互作用。这会导致能量损失过程中的统计波动，这与RBS检测系统中能量分辨率的固有限制一起，限制了从较大样品深度反向散射的原子可以实现的能量分辨率。由于深度和质量的准确确定取决于背散射粒子的能量，散射限制了埋藏特征的深度和质量分辨率。

如“停止功率”部分所述，大部分能量损失是通过与电子的相互作用发生的。结果，能量散射随着目标元素的原子序数而增加，因为原子序数也反映了存在的电子数。能量散射导致峰值的低能量边缘倾斜。对于厚、高 Z 轴的材料，这种效果可能非常明显。如果不考虑能量散射，则峰的倾斜边缘可能会被误解为两层之间的混合。深度分辨率的精度取决于计算离散贡献的准确度。

信道

除了元素组成信息外，RBS还可用于研究单晶样品的结构。当样品被引导时，晶格中的原子行平行于入射的He离子束排列。轰击的He将以与未对齐样品相同的速率从材料的前几层单层向散射，但是来自晶格中埋藏原子的反向散射将大大减少，因为这些原子被表层中的原子屏蔽了入射的He原子。例如，来自沿<1-0-0>轴进行通道排列的单晶Si样品的反向散射信号将是来自非对齐晶体或无定形或多晶Si的反向散射信号的约3%。通过测量样品通道时反向散射的减少，可以定量测量和剖析样品的晶体完美度，并确定其晶体取向。

通道还可用于帮助提高轻元素的RBS灵敏度。例如，由于来自Si衬底的干扰信号，很难准确测量沉积在Si衬底上的TiN薄膜中的N浓度。通过引导衬底，其信号降低，从而提高叠加在Si峰上的N峰的灵敏度。由于TiN层通常是多晶的，因此沟道不会影响来自Ti或N的反向散射信号.但是，在进行成分分析时，必须注意避免在单晶层中沟道，因为沟道效应可能导致这些层中元素的错误低浓度。为了避免沟道影响样品的取向，为了在分析过程中呈现各种晶体取向而不断纵。以这种方式获取的光谱通常被称为“旋转随机”光谱，因为最常见的随机化程序包括将样品从通道轴倾斜 7 度，然后旋转样品。

密度效应

正如在停止功率的讨论中所指出的，探测的He原子在与样品中的原子相遇时会损失有限的能量。因此，原子的间距（密度）将直接影响探测原子损失的能量与其穿越的距离（深度）。

例如，对Ti薄膜的RBS分析可能会产生5.66 E 27原子/cm的二维Ti浓度2.为了计算该薄膜的厚度，必须假设钛的密度。如果我们使用 5.66 E 22 原子/厘米的值2（体积Ti的密度），获得100nm的厚度。根据用于沉积该Ti薄膜的方法，实际薄膜密度可能明显小于堆积密度。在这种情况下，通过用轮廓仪或使用SEM测量薄膜获得的厚度将明显高于根据RBS结果计算的值。

以浓度与深度的形式呈现 RBS 结果更容易，因此经常使用密度假设将 RBS 结果转换为此格式。只要作出这种假设，就应该指出。但是，如果RBS厚度在没有对所做假设的适当警告的情况下呈现，则应对该技术的准确性提出疑问。当薄膜的实际密度与RBS计算中假设的密度明显不同时，RBS获得的厚度将与另一种技术获得的厚度明显不同。

需要注意的是，TRBS是RBS获得的厚度，DRBS是计算RBS厚度时假设的密度，TReal和DReal是实际的薄膜厚度和密度，原子/cm2是薄膜中原子的二维浓度（无需做出任何假设即可根据RBS结果准确计算的浓度）。RBS的另一个有用功能是，由于RBS将提供薄膜中存在的总原子/ cm的准确浓度，如果可以通过另一种方法测量薄膜的实际厚度，则可以计算薄膜的密度。

相关技术

通过向样品室添加附件或更改操作程序，其他几个实验可以重新进行RBS分析。例如，对离子轰击产生的X射线的测量称为粒子诱导X射线发射（PIXE）。常见的RBS配件包括用于这些X射线的探测器，这些探测器总是产生，但并不总是测量。氢前向散射（HFS）只需要添加薄箔即可将前向散射的氢与前向散射的初级He++离子分离。重离子背散射光谱（HIBS）与RBS相同，只是使用重离子代替He++。初级He++离子比通常的2.2 MeV散射具有更高的能量，但核相互作用变得更加复杂。尽管存在这些称为共振效应的复杂性，但更高的光束能量通常被证明是有用的。在某些情况下，入射离子被目标同位素捕获，并迅速发射不同的粒子。测量这些再发射粒子的能量称为核反应分析（NRA）。最后，带电粒子活化分析（CPAA）使用加速器产生新的放射性核素，这些核素使用与中子活化分析相同的仪器进行测量。

粒子诱导X射线发射

PIXE 代表 粒子诱导 X 射线发射。几种激发光束产生具有目标元素特征能量的X射线。因此，光子激发（通过X射线）产生了X射线荧光光谱。扫描电子显微镜或电子微探针中的电子激发提供能量色散或波长色散X射线光谱（取决于X射线探测器）。He++的带电粒子束，或者更常见的H+，提供了PIXE光谱。在所有三种情况下，激发束去除核心电子，当外壳电子改变状态到内壳时，X射线以特定能量发射。X射线能量与激发过程无关。PIXE 附件可用于 RBS 仪器上的重元素识别。这些重元素在RBS能量上存在微小差异，但在PIXE光谱上存在明显差异。专用PIXE仪器通常使用H+而不是He++，因为H+提供更高的灵敏度。如果在源中混合氦气和氢气，则可以使用相同的加速器执行基于He++的RBS和基于H+的PIXE。

PIXE作为一种分析技术有几个优点。它提供与电子束类似的信号电平，但具有更好的信噪比。电子能谱学的背景来自 bremsstrahlung，这在 PIXE 中基本上不存在，因为即使在 PIXE 能量下，He++ 或 H+ 离子的速度也比电子低得多。与电子诱导光谱相比，PIXE的另一个优点是，与RBS一样，PIXE适用于绝缘样品。最后，质子束可以穿过薄窗，穿透空气几厘米。正因为如此，不寻常的样品，如有价值的艺术品，不需要受到真空的严格考验。PIXE在地质学，考古学和艺术保护中都有应用。

氢前向散射

HFS 代表 氢前向散射。HFS实验使用与标准RBS基本相同的设备。HFS获得的分析信息包括氢浓度与深度的关系。样品倾斜，使He++光束以掠射角度撞击。氦比氢重，因此氢中没有He++的反向散射。相反，氢（H+和Ho）在被He++击中后被大量能量向前击落。

由于样品中的重元素，He++也会向检测器散射。在这个低角度散射的He++离子的数量相对于前向散射的氢很大。He++信号会淹没H+信号，除了位于探测器前面的薄箔（约8微米）将干扰的He++与H+分开。通常使用碳箔、聚酯薄膜和铝箔。箔片在前向散射的氢中引起显着的能量损失和散射。尽管这些效应将HFS深度剖面分辨率限制在约50纳米，但表面的氢（或氘）定量是可能的，精度为5%，低至0.01%检测限。

重离子背散射光谱法

HIBS 代表 重离子背散射光谱法。该技术使用比He++重的离子。重初级离子的碰撞截面较高，并且在可用能量下没有共振效应。这些重离子束在轻元素样品的痕量重元素测定中具有优势。矩阵元件都是向前散射的，不能产生干扰信号。前向散射的分析物元素也可用于分析。测量由较重的初级离子向前散射的分析物离子是一种称为弹性反冲检测（ERD）的一般现象。（HFS）是ERD的一个特例。

HIBS和RBS的加速器和检测器相同，但需要不同的离子源。典型的重离子源使用溅射的Cs+光束撞击重元素，例如硅，从中提取负离子（在本例中为Si-）。电荷剥离器从Si-中去除可变数量的电子，使离子具有混合的电荷态和能量。在一束撞击样品之前，初级离子束必须在磁场中分离成组分。

核反应分析

NRA 代表 核反应分析。能量小于2.2 MeV的氦离子与所有元素发生弹性后坐力。弹性后坐力，就像撞球一样，可以用经典力学来描述。为了便于解释，大多数RBS分析使用小于2.2 MeV He++的光束。高能He++离子与分析物核非弹性碰撞。这意味着对于某些（共振）能量，碰撞截面可以高得多。在共振能量下，分析物核似乎吸收并重新发射He++离子，而不是简单地散射它。需要量子力学来解释这些相互作用。

一个例子是众所周知的3.045 MeV下的共振效应，对于从16O散射的α粒子。该过程与弹性后坐力没有区别，只是横截面要大很多倍。尽管由较高光束能量引起的可变横截面使分析复杂化，但较高的能量在特定情况下很有用，例如氧气作为薄层中的单个杂质存在。

在某些共振能量下，初级离子被分析物核吸收，并迅速发射不同的粒子（通常是质子、中子、α粒子或伽马射线）。在轻元素中，有几个潜在的有用反应，如19F（p，alpha）16O。在这种情况下，19F原子核吸收1.25 MeV质子并迅速发射出8.114 MeV的α粒子。α能量的测量表明它产生的深度。这就是核反应分析技术。