考核方法
一：实验考核要求
本项目的考核由以下四部分构成：
（1）实验预习（分值：20分）：
20道选择题，每题1分，主要涉及实验基本理论知识。
（2）实验操作技能（分值：50分）：
在深入理解设备工作原理的基础上，按照虚拟仿真实验的操作要求能够熟练使用串列式静电加速器。每错误操作1次扣除1分。
（3）RBS实验及数据分析（分值：30分）：
利用RBS技术在虚拟仿真实验中研究晶体材料的随机谱及沟道谱，最终分析正确晶体材料的结晶特性。
二：实验考核主要知识内容：
该项目要求学生了解静电加速器的构成和基本操作。掌握真空操作及真空原理、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、以及背散射原理等实验内容。要求学生理解晶体材料的随机谱和沟道谱，根据RBS数据分析结果评估晶体材料的结晶性能。
主要知识考核内容如下：
（1）加速器高真空系统的操作及实验原理
该部分需要学生掌握正确的真空操作要点及物理机制：大型串列式静电加速器在其内部必须是高真空（10-6Pa）状态，是离子束能够实现加速的必要条件。为获得高真空体系，实验中需要用机械泵预先对加速管道进行低真空（10-2Pa）处理。因为能够实现高真空体系的分子泵只有在环境气压较低的情况下（低真空状态10-2Pa）才能够开启运行。如果提前开启分子泵，其核心部件的涡轮叶片将在高速旋转过程中与周围分子剧烈碰撞，造成永久性机械损伤。
正确操作：首先开启机械泵对加速管道及分子泵腔体进行抽气，实现10-2Pa低真空处理，然后开启分子泵电源及启动键，当真空表针达到10-6Pa获得高真空体系。
考核知识点：
（a） 学生能够掌握机械泵工作的简单原理：由机械泵的电机通过皮带带动泵轴旋转，利用气体膨胀、压缩、排出的原理将气体从容器里抽出；利用机械的方法周期性地改变泵内吸气腔的容积，使容器中的气体不断通过泵的进气口膨胀到吸气腔中，然后通过压缩经排气口排出泵外。
（b） 学生能够掌握分子泵工作的物理原理：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。
（2）实现离子源的弧压放电并掌握内在物理机理
需要学生掌握正确的离子源操作要点及物理机制：离子源灯丝是高纯铂（Pt）表面涂有碳酸钡，通过增加灯丝电流使得表面富集大量高温电子，然后在离子源腔内通入高纯氦气，内外部的励磁磁场能够形成均匀的等离子体放电区域。放电棒的瞬间接触使得高温电子在外界磁场作用下与He急剧碰撞，使得He电离并携带电子形成定向移动的离子电流，这种He离子束经高压加速最终得到高能量离子束。考查学生加热灯丝的实验技能以及通过放电棒的瞬间接触放电的技能，观察电流表指针，如果“起弧”成功，电流表瞬间获得1mA的电流并稳定，如果不成功，电流表指示为0。
（3）电磁场偏转原理
需要学生掌握带电离子在电磁场的洛伦兹力作用下的运动偏转机理：通过虚拟仿真实验，直观形象地观察到带电离子在垂直磁场中的偏转现象，通过调节闭合回路电流大小，即可改变磁场强度，继而观测到带电离子不同的偏转轨迹。
根据实验现象（离子束在磁场中的偏转）简答列出其中包含的物理概念，加深对经典物理学中电磁场转化的认识，透过实验现象分析带电离子运动轨迹的偏转包含的内在物理机制。
考核知识点：
(a)闭合回路的通电线圈产生磁场：B=μnΙ, μ为真空中的磁导率，n为线圈匝数，I为电流。在加速器管道内部的磁场强度只有通电电流成正比。
(b)带电离子在磁场中的洛伦兹力作用下进行偏转：F= qvBsinθ。当离子束运动方向与磁场垂直，洛伦兹力大小只有离子束速度有关。
(c)电磁场的偏转不仅能够实现离子束运动轨迹的改变，而且能够起到对离子束的能量选择。
（4）离子在静电场加速原理
需要学生掌握带电离子在静电场中的加速机理：通过虚拟仿真实验，直观形象地观察到带电离子在高压静电场中的显著加速现象，使得He离子能量达到~MeV量级。重点理解静电加速器的串列式加速特点。
根据虚拟仿真的实验现象（离子加速）简答列出其中包含的主要物理概念，加深理解静电场加速涉及到的库仑力，电场强度，电势差等概念，理解高能离子束的产生与加速过程中的哪些物理量密切相关。
串列式静电加速的特点：两级串列式静电加速装置设有两根连接的加速管，公用一个高压电极，He-带电粒子从加速管接地端经由加速管被加速一次，进入到高压电极内，通过电荷转化装置（对带负电荷离子束采用电子剥离器）使得离子的带电极性变为He+,然后进入第二根加速管再次被加速，到达末端，从而在同一个电极电压下，离子两次得到加速，大大提高了离子的能量。
（5）四极透镜聚焦原理
学生需要掌握：带电离子经过加速管的长距离加速将会在末端空间由于同性电荷的库仑力而排斥发散，需要经过电场汇聚使其束斑收缩，以便后续的离子束分析研究。虚拟仿真模拟实验中，调节四极透镜的X-Y-Z的电场强度，使得后端电流表（检测离子束流的大小）能够达到最大值（~20nA）。
透过实验现象，理解四级透镜的电聚焦原理。带电离子束在两电极板之间水平穿过时，如果离子束的运动方向没有偏离水平轴，则不受栅极电场的影响，如果一些离子的运动方向偏离水平轴在纵向有分量，则受到栅极电场的作用，使其纵向运动分量逐渐降低，从而使离子恢复到水平轴向，达到离子束汇聚的作用。
（6）离子束的背散射分析原理
学生需要掌握：高能离子束与物质相互作用，产生的卢瑟福背散射（RBS）现象可以用来分析晶体材料的结晶性能，判定材料在纵深方向的损伤及缺陷等。
实验技能培养：获得晶体材料的沟道谱和随机谱。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晶体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。
高能He离子束垂直入射到靶材料表面，大部分离子沿着入射方向穿透进去，并与靶原子电子碰撞逐渐损失其能量；只要离子束中极少部分离子与靶原子核发生大角度库伦散射而离开原来的入射方向，从而构成背散射现象。
考核知识点：
（a） 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。
（b） 实验数据报告分析。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。进口单晶铌酸锂为例，沟道谱的最低点与对应的随机谱数值之间的比值：<2%，国产样品在~7%， 晶体有损伤或缺陷的样品10~20%， 超出30%的样品单晶性较差（可认为不合格）。
三：实验结果参考示例：
实验结果1：
1号样品选取KTA晶体。该样品结晶性较差，通过虚拟仿真实验的完整操作，RBS数据如图1所示。沟道谱（Virgin）和随机谱（Random）差别不大，产额比值大约58%。虚拟实验证实该号的KTA在生长过程中存在着大量的晶格缺陷或杂质，使得晶体结晶取向杂乱，结晶质量较差。
图1：KTA晶体沟道谱与随机谱的比值为58%，说明该晶体缺陷严重
实验结果2：
虚拟仿真实验中选取KTA晶体材料为2号，通过学生调节晶体材料的3D位置可以得到图2所示实验结果。数据表明沟道谱与随机谱的最大产额比值达到~11%，证实该晶体材料虽然在生长过程中存在一定的缺陷，但整体而言晶格取向较为完整，在较多的应用领域可以推广该晶体。
图2：KTA晶体沟道谱与随机谱的比值为11%。说明该晶体虽然有一定的缺陷，但品质合格。
实验结果3：
如果学生选取3号KTA样品作为分析对象，通过本虚拟仿真实验的操作，尤其是精细调节靶材与入射离子束的夹角，能够得到图3的实验数据。通过实验数据的分析，可以得知该KTA样品的沟道谱与随机谱的产额最大比值达到2%，表明该晶体材料的结晶性优异，晶格取向完整，在生长过程中仅有极少的缺陷或杂质，证实所选取的KTA晶体为良好的单晶材料。
图3：KTA晶体沟道谱与随机谱的比值为2%，说明该晶体缺陷非常少，
品质为优
实验结果4：
如果学生对SOI晶体感兴趣，可以选择4号SOI样品，通过虚拟仿真的RBS研究，调节最佳的背散射角度，可以得到图4的实验结果。数据表明该样品的沟道谱与随机谱的产额最大比值接近62%，可以推断该晶体结晶性差，晶体材料表面及内层出现了大量的添隙杂质或晶格缺陷，使得晶格取向不够明显。
图4：SOI晶体沟道谱与随机谱的比值为62%，说明该晶体缺陷严重
实验结果5：
如果在虚拟仿真实验中选取5号SOI样品，学生调节样品靶的3D位置，得到最佳的随机谱和沟道谱如图5所示。实验结果表明该样品的沟道谱与随机谱产额的最大比值约为22%，证实该样品中虽然存在一定的缺陷或杂质，但还能表现出整体的晶格取向，材料具有较为规整的周期分布规律。
图5：SOI晶体沟道谱与随机谱的比值为22%，说明该晶体有一定的缺陷，
品质合格
实验结果6：
学生操作本虚拟仿真实验选取6号SOI样品，依据精细的靶材与入射离子束的角度调节，得到图6的实验结果。如图所示，通过该实验结果的计算，所得的沟道谱和随机谱产额的最大比值达到1%，可以充分证明该晶体材料的优异结晶性，在材料生长过程中极少引入缺陷或杂质，达到了非常完美的单晶晶体，能够有效应用到单晶SOI系列研究。
图6：SOI晶体沟道谱与随机谱的比值为1%，说明该晶体缺陷非常少，
品质为优
实验结果7：
学生对铌酸锂（LiNO3）晶体感兴趣，可以选择7号LiNO3样品，调节最佳的背散射角度通过虚拟仿真的RBS分析，可以得到图7的实验结果。数据表明该样品的沟道谱与随机谱的产额最大比值接近56%，可以推断该晶体结晶性差，LiNO3晶体材料内部出现了较多的添隙杂质或晶格缺陷，使得晶格取向不够明显。
图7：LiNO3晶体沟道谱与随机谱的比值为56%，说明该晶体缺陷明显。
实验结果8：
如果在虚拟仿真实验中选取8号LiNO3样品，学生精细调节样品靶的X-Y-Z位置，最终得到的8号LiNO3随机谱和沟道谱如图8所示。实验结果表明该样品的沟道谱与随机谱产额的最大比值约为12%，证实该样品中虽然存在一定的缺陷或杂质，但还能表现出整体的晶格取向，材料具有较为规整的周期分布规律。
图8：LiNO3晶体沟道谱与随机谱的比值为12%，该晶体有一定的缺陷，
品质合格
实验结果9：
学生操作本虚拟仿真实验，如果选取9号LiNO3样品，通过精细的靶材与入射离子束的角度调节，得到图9的实验结果。如图所示，通过该实验结果的计算，所得9号LiNO3样品的沟道谱和随机谱产额的最大比值达到1.7%，测试分析结果表明该LiNO3晶体材料的优异结晶特性，在晶体生长过程中避免引入缺陷或杂质，达到了非常完美的单晶晶体。
图9：LiNO3晶体沟道谱与随机谱的比值为1.7%，说明该晶体缺陷非常少，
品质为优。