高电荷态重离子束流产生技术的研究

高丽娟，史淑廷，郭 刚，刘建成，陈 泉，沈东军，惠 宁，王贵良，孔福全，范 辉，蔡 莉，王 惠

(中国原子能科学研究院 核物理研究所，北京 102413)

宇宙空间中的单个高能带电粒子与星用器件相互作用产生的单粒子效应(SEE)，可使航天器发生在轨故障，严重时甚至有可能对航天器造成灾难性的后果[1]。统计表明：航天器在轨故障中，70%是由空间辐射效应引起，其中SEE引起的占39%[2]。因此微电子器件在应用于航天器之前，必须进行基于加速器束流的地面模拟实验，测量器件单粒子效应敏感度，获得发生单粒子效应的阈值和饱和截面，结合预定轨道的辐射环境，对其SEE特性进行评估[3]，只有抗单粒子加固性能符合要求的器件才能使用。北京HI-13串列加速器具有更换离子种类方便快捷、束流能量分辨率高、单色性好且连续可调等优点。自1992年在该加速器上开展国内首次加速器SEE实验以来，已开展了大量的以航天应用为背景的空间辐射效应模拟研究[4-5]，是目前国内最适用于星用器件抗辐射加固性能评估地面模拟实验研究用的加速器。

随着半导体技术的发展，一方面，由于多层金属布线等原因使器件表面覆盖层越来越厚(如0.18 μm工艺采用6层金属布线，覆盖层厚度达10.5 μm[6])，需更长射程的离子，即高能量的离子进行SEE实验；另一方面，随着器件抗辐射加固技术的进步，需更高LET值的离子来测量完整的器件SEE截面曲线。离子入射到材料内部时，LET值会随离子能量的变化而发生变化。目前，北京HI-13串列加速器上几种较重离子，如127I、197Au等，当硅中射程大于10 μm时，LET值和剩余射程呈现快速下降趋势，这可能会导致离子穿过敏感区时对应的LET值过小甚至无法达到器件敏感区。为了提高离子硅中射程和LET值，在目前北京HI-13串列加速器的条件下，可行的办法是使用高电荷态离子，提高束流能量和LET值。但由于通过加速器剥离膜的剥离几率很低导致高电荷态离子束流强度很低(pA量级)，能量分布也会变得非常复杂。目前北京HI-13串列加速器上的束流调节、监控手段主要是针对nA量级的束流，因此要使高电荷态离子用于航天器件SEE性能评估地面的模拟实验，需开展高电荷态离子的产生技术和加速器弱束流调节、传输及监测技术研究，本文针对北京HI-13串列加速器束流管道及辐照终端特点，建立pA级的弱束流监测方法，并建立基于磁刚度和电刚度模拟的高电荷态束流调试方法。

1 原理和方法

带1个负电荷的离子注入北京HI-13串列加速器后，在正高压电场作用下进行第一次加速，到达钢筒中部时，离子通过碳剥离膜后被剥离掉部分电子变成正离子，这些正离子在电场作用下再次加速。对于较轻离子，一般只用1块剥离膜，即单剥离；对于较重离子，通常用两块剥离膜来提高离子的电荷态，以达到提高离子能量的目的。单剥离和双剥离条件下，离子的能量[7]分别表示于式(1)和(2)：

E=Einj+(1+q)Vh

(1)

E=Einj+(1+0.25q1+0.75q2)Vh

(2)

其中：Einj为离子注入能量，Einj=0.15 MeV；Vh为加速器的头部高压；q为单剥离时的电荷态；q1为双剥离时的第一电荷态；q2为双剥离时的第二电荷态。

由式(1)、(2)可知，离子能量由Vh和电荷态共同确定。在Vh一定的条件下，电荷态越高，获得的离子能量就越大。但由于剥离几率的降低会导致束流强度降低，从而无法采用常规束流所用的监测手段来监测。

1.1 高电荷态离子的引出

从北京HI-13串列加速器钢筒出口至实验终端束流的传输路径上，可调试的束流传输元件均为磁元件，其运行参数由离子的磁刚度决定，因此可使用磁场模拟技术对高电荷态离子进行束流调试。磁场模拟技术是指选取一种剥离几率大于1%，且磁刚度与高电荷态离子相同的离子，经调试传输至终端，从而模拟高电荷态离子的磁场参数，然后根据这种离子的调束参数引出高电荷态离子。

由于北京HI-13串列加速器端电压显示值与实际值存在一定差异，且能量、质量不同的离子，穿过加速器剥离膜后束流包络有很大不同，因此在引出高电荷态离子时，除需进行磁参数模拟外，还应进行电参数模拟，电参数模拟主要包括端电压和钢筒内三单元电四极透镜电刚度模拟。此外，由于双剥离电荷态分布的多样化，在束流中含有不同能量、不同电荷态分布的各种离子，造成束流的成分非常复杂，需采取技术手段降低杂散能量离子对高电荷态离子的影响。

表1列出了318.843 MeV127I14,28+离子的调束步骤和参数，由表1可知，高电荷态离子的调试包括以下几个步骤：1) 选择端电压与高电荷态离子的相同，电刚度与高电荷态离子的尽量接近，剥离几率大于1%的离子作为电刚度模拟离子，对端电压和电四极透镜值进行电参数模拟，记录Vh和电四极透镜拨轮值EH；2) 选择磁刚度与高电荷态离子相同、剥离几率大于1%的离子作为磁刚度模拟离子，对加速器钢筒出口后的光路(分析磁铁、开关磁铁、四极透镜)进行模拟，束流调试至最佳状态后磁元件参数保持不变；3) 将端电压和电四极透镜拨轮值分别设置为Vh和EH，加速器改为GVM稳定，即可获得能量为318.843 MeV的127I14,28+离子；4) 用荧光屏进行微调，测量离子能谱，根据离子能谱测量结果，微调端电压、分析磁铁象缝及物缝宽度，以获得最佳峰总比和束流强度的高电荷态束流。

表1 318.843 MeV 127I14,28+离子的调束步骤和参数

1.2 加速器弱束流监测技术

图1 弱束流束斑监测原理

束流监测有两种方式：束斑观测和束流强度测量。采用这两种方式结合，有助于快速地寻找和调节束流。经研究发现，使用高发光效率的闪烁体(硫化锌或碘化铯)配合对微弱光敏感的低照度(10-4Lux)CCD的方法是观测pA级弱束流的有效手段(图1)。图2为观测的闪烁体发光亮度随束流强度的变化情况，由图2可知，此方法可测到0.3 pA的束流(相当于6.7×104s-1的127I14,28+)。对于弱束流强度的测量，使用法拉第筒加皮安表的方法来实现，为提高精度，法拉第筒前加负压环，负压环与法拉第筒之间通过绝缘垫片绝缘，负压环上加-300 V偏压以减少二次电子的逃逸，同时使用最小量程达10 fA的吉时利6485皮安表测量束流强度。

图2 ZnS荧光屏的亮度随束流强度的变化

2 实验

2.1 实验布局

实验在北京HI-13串列加速器实验三厅L30管道靶室进行，靶室内的设备布局如图3所示。实验中分别使用能量分辨率高的Si(Au)面垒半导体探测器SDA和SDB测量束流能量和强度，在探测器前面放置孔径从0.1至1.1 mm的各种准直孔，以适用于不同强度的束流。SDA探测器置于与束流线成10°角位置，测量Au靶产生的散射离子，Au靶厚度为100 μg/cm2。SDB探测器置于与束流线成0°角位置，直接测量束流流强。石英玻璃、ZnS、CsI等不同发光效率的闪烁体安装在样品架上，分别使用不同照度的CCD实现不同强度的束流观测。高电荷态离子出束前，分别使用在电参数和磁参数模拟中获得的离子对探测器进行能量刻度。

图3 束流诊断设备布局

2.2 实验结果

根据表1中的参数分别进行电参数和磁参数模拟后，使用SDB探测器测得的高电荷态束流能谱如图4所示。可看出，束流中混有许多不同能量的其他电荷态离子的干扰，其中296.99 MeV的能峰峰总比超过50%，而预期中的318.843 MeV能峰的峰总比小于14%。

图4 初始高电荷态束流能谱

影响束流峰总比的因素可能有：加速器端电压、分析磁铁物缝与像缝宽度、三单元电四极透镜值等。由于加速器端电压显示值与真实值之间存在差异，且由于剥离膜损耗等原因也会造成高压值发生变化，因此高电荷态离子引出后首先需对高压进行微调。其次，分析磁铁物缝与像缝宽度会影响离子单色性。另外，不同能量离子穿过第一剥离膜后束流包络不同，为使束流聚焦在第二剥离膜上，所需的三单元电四级透镜也不同。为了考察上述因素对高电荷态束流的影响，分别在不同条件下对高电荷态束流峰总比和主峰注量率进行了测量，加速器的端电压、像缝宽度、三单元电四级透镜拨轮值对高电荷态束流的影响分别示于图5～7。

对上述3个因素进行优化调节后，得到如图8所示的能谱，由图8可见，预期的高电荷态离子的峰总比超过80%，注量率达106cm-2·s-1，满足单粒子效应实验的条件。

2.3 结果讨论

在加速器参数调整过程中发现，加速器端电压对高电荷态离子纯度的影响最大(图5)。这是由于改变高压可使束流的能量发生变化，从而使磁刚度发生变化。适当改变离子磁刚度可抵消高压模拟值与实际值的偏差，使所需离子传输效率升高。像缝的宽度是影响高电荷态束流能量分辨率的第二个因素(图6)，北京HI-13串列加速器的束流能量分辨率为：

(3)

其中：ΔE为能散；E为预期能量；X0和Xi分别为物缝宽度和像缝宽度；Dr为偏转半径。

图5 加速器端电压对峰总比的影响

图6 加速器像缝宽度对峰总比的影响

图7 三单元电四极透镜拨轮值对峰总比的影响

像缝宽度越小，能量分辨率就越高，因此减小缝宽度可去掉一些磁刚度与高电荷态束流相近的杂质束流，从而提高峰总比。但由于束流能谱呈高斯分布，磁刚度非常接近的两种束流中间可能会有混叠区域，因此减小缝宽度去掉杂质峰的同时也会使部分高电荷态峰被去掉，从而使束流强度减小，这与观测到的结果是一致的。而三单元电四极透镜值大范围变化时，对峰总比影响很小(图7)。

图8 优化调节后的318.843 MeV的高电荷态127I14，28+离子能谱

利用上述高电荷态束流调试技术，获得360 MeV的197Au15，32+离子，峰总比达到80%，主峰注量率达到105cm-2·s-1，其能谱如图9所示。该离子在硅中表面LET为86.1 MeV·cm2/mg，射程达30.4 μm，满足单粒子效应实验规范[7]的要求，从而拓展了北京HI-13串列加速器离子的射程与LET值。

图9 360 MeV 197Au15，32+能谱

3 结论

在北京HI-13串列加速器上开展了低至pA量级的弱束流监测技术研究，采用磁刚度模拟技术成功引出剥离几率低至0.005%的高电荷态127I离子。并使用该离子，分析测量了加速器端电压、磁铁像缝宽度及加速器钢筒内部的三单元电四极透镜对束流品质的影响，提高了高电荷态离子的纯度和注量率。应用该技术将197Au离子的能量提高至360 MeV，满足开展单粒子效应研究工作对高LET束流的要求，拓宽了北京HI-13串列加速器离子的射程及LET值范围。

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