高麗娟，史淑廷，郭 剛，劉建成，陳 泉，沈東軍，惠 寧，王貴良，孔福全，范 輝，蔡 莉，王 惠

(中國原子能科學研究院 核物理研究所，北京 102413)

宇宙空間中的單個高能帶電粒子與星用器件相互作用產(chǎn)生的單粒子效應(SEE)，可使航天器發(fā)生在軌故障，嚴重時甚至有可能對航天器造成災難性的后果[1]。統(tǒng)計表明：航天器在軌故障中，70%是由空間輻射效應引起，其中SEE引起的占39%[2]。因此微電子器件在應用于航天器之前，必須進行基于加速器束流的地面模擬實驗，測量器件單粒子效應敏感度，獲得發(fā)生單粒子效應的閾值和飽和截面，結(jié)合預定軌道的輻射環(huán)境，對其SEE特性進行評估[3]，只有抗單粒子加固性能符合要求的器件才能使用。北京HI-13串列加速器具有更換離子種類方便快捷、束流能量分辨率高、單色性好且連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點。自1992年在該加速器上開展國內(nèi)首次加速器SEE實驗以來，已開展了大量的以航天應用為背景的空間輻射效應模擬研究[4-5]，是目前國內(nèi)最適用于星用器件抗輻射加固性能評估地面模擬實驗研究用的加速器。

隨著半導體技術的發(fā)展，一方面，由于多層金屬布線等原因使器件表面覆蓋層越來越厚(如0.18 μm工藝采用6層金屬布線，覆蓋層厚度達10.5 μm[6])，需更長射程的離子，即高能量的離子進行SEE實驗；另一方面，隨著器件抗輻射加固技術的進步，需更高LET值的離子來測量完整的器件SEE截面曲線。離子入射到材料內(nèi)部時，LET值會隨離子能量的變化而發(fā)生變化。目前，北京HI-13串列加速器上幾種較重離子，如127I、197Au等，當硅中射程大于10 μm時，LET值和剩余射程呈現(xiàn)快速下降趨勢，這可能會導致離子穿過敏感區(qū)時對應的LET值過小甚至無法達到器件敏感區(qū)。為了提高離子硅中射程和LET值，在目前北京HI-13串列加速器的條件下，可行的辦法是使用高電荷態(tài)離子，提高束流能量和LET值。但由于通過加速器剝離膜的剝離幾率很低導致高電荷態(tài)離子束流強度很低(pA量級)，能量分布也會變得非常復雜。目前北京HI-13串列加速器上的束流調(diào)節(jié)、監(jiān)控手段主要是針對nA量級的束流，因此要使高電荷態(tài)離子用于航天器件SEE性能評估地面的模擬實驗，需開展高電荷態(tài)離子的產(chǎn)生技術和加速器弱束流調(diào)節(jié)、傳輸及監(jiān)測技術研究，本文針對北京HI-13串列加速器束流管道及輻照終端特點，建立pA級的弱束流監(jiān)測方法，并建立基于磁剛度和電剛度模擬的高電荷態(tài)束流調(diào)試方法。

1 原理和方法

帶1個負電荷的離子注入北京HI-13串列加速器后，在正高壓電場作用下進行第一次加速，到達鋼筒中部時，離子通過碳剝離膜后被剝離掉部分電子變成正離子，這些正離子在電場作用下再次加速。對于較輕離子，一般只用1塊剝離膜，即單剝離；對于較重離子，通常用兩塊剝離膜來提高離子的電荷態(tài)，以達到提高離子能量的目的。單剝離和雙剝離條件下，離子的能量[7]分別表示于式(1)和(2)：

E=Einj+(1+q)Vh

(1)

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

(2)

其中：Einj為離子注入能量，Einj=0.15 MeV；Vh為加速器的頭部高壓；q為單剝離時的電荷態(tài)；q1為雙剝離時的第一電荷態(tài)；q2為雙剝離時的第二電荷態(tài)。

由式(1)、(2)可知，離子能量由Vh和電荷態(tài)共同確定。在Vh一定的條件下，電荷態(tài)越高，獲得的離子能量就越大。但由于剝離幾率的降低會導致束流強度降低，從而無法采用常規(guī)束流所用的監(jiān)測手段來監(jiān)測。

1.1 高電荷態(tài)離子的引出

從北京HI-13串列加速器鋼筒出口至實驗終端束流的傳輸路徑上，可調(diào)試的束流傳輸元件均為磁元件，其運行參數(shù)由離子的磁剛度決定，因此可使用磁場模擬技術對高電荷態(tài)離子進行束流調(diào)試。磁場模擬技術是指選取一種剝離幾率大于1%，且磁剛度與高電荷態(tài)離子相同的離子，經(jīng)調(diào)試傳輸至終端，從而模擬高電荷態(tài)離子的磁場參數(shù)，然后根據(jù)這種離子的調(diào)束參數(shù)引出高電荷態(tài)離子。

由于北京HI-13串列加速器端電壓顯示值與實際值存在一定差異，且能量、質(zhì)量不同的離子，穿過加速器剝離膜后束流包絡有很大不同，因此在引出高電荷態(tài)離子時，除需進行磁參數(shù)模擬外，還應進行電參數(shù)模擬，電參數(shù)模擬主要包括端電壓和鋼筒內(nèi)三單元電四極透鏡電剛度模擬。此外，由于雙剝離電荷態(tài)分布的多樣化，在束流中含有不同能量、不同電荷態(tài)分布的各種離子，造成束流的成分非常復雜，需采取技術手段降低雜散能量離子對高電荷態(tài)離子的影響。

表1列出了318.843 MeV127I14,28+離子的調(diào)束步驟和參數(shù)，由表1可知，高電荷態(tài)離子的調(diào)試包括以下幾個步驟：1) 選擇端電壓與高電荷態(tài)離子的相同，電剛度與高電荷態(tài)離子的盡量接近，剝離幾率大于1%的離子作為電剛度模擬離子，對端電壓和電四極透鏡值進行電參數(shù)模擬，記錄Vh和電四極透鏡撥輪值EH；2) 選擇磁剛度與高電荷態(tài)離子相同、剝離幾率大于1%的離子作為磁剛度模擬離子，對加速器鋼筒出口后的光路(分析磁鐵、開關磁鐵、四極透鏡)進行模擬，束流調(diào)試至最佳狀態(tài)后磁元件參數(shù)保持不變；3) 將端電壓和電四極透鏡撥輪值分別設置為Vh和EH，加速器改為GVM穩(wěn)定，即可獲得能量為318.843 MeV的127I14,28+離子；4) 用熒光屏進行微調(diào)，測量離子能譜，根據(jù)離子能譜測量結(jié)果，微調(diào)端電壓、分析磁鐵象縫及物縫寬度，以獲得最佳峰總比和束流強度的高電荷態(tài)束流。

表1 318.843 MeV 127I14,28+離子的調(diào)束步驟和參數(shù)

1.2 加速器弱束流監(jiān)測技術

圖1 弱束流束斑監(jiān)測原理

束流監(jiān)測有兩種方式：束斑觀測和束流強度測量。采用這兩種方式結(jié)合，有助于快速地尋找和調(diào)節(jié)束流。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，使用高發(fā)光效率的閃爍體(硫化鋅或碘化銫)配合對微弱光敏感的低照度(10-4Lux)CCD的方法是觀測pA級弱束流的有效手段(圖1)。圖2為觀測的閃爍體發(fā)光亮度隨束流強度的變化情況，由圖2可知，此方法可測到0.3 pA的束流(相當于6.7×104s-1的127I14,28+)。對于弱束流強度的測量，使用法拉第筒加皮安表的方法來實現(xiàn)，為提高精度，法拉第筒前加負壓環(huán)，負壓環(huán)與法拉第筒之間通過絕緣墊片絕緣，負壓環(huán)上加-300 V偏壓以減少二次電子的逃逸，同時使用最小量程達10 fA的吉時利6485皮安表測量束流強度。

圖2 ZnS熒光屏的亮度隨束流強度的變化

2 實驗

2.1 實驗布局

實驗在北京HI-13串列加速器實驗三廳L30管道靶室進行，靶室內(nèi)的設備布局如圖3所示。實驗中分別使用能量分辨率高的Si(Au)面壘半導體探測器SDA和SDB測量束流能量和強度，在探測器前面放置孔徑從0.1至1.1 mm的各種準直孔，以適用于不同強度的束流。SDA探測器置于與束流線成10°角位置，測量Au靶產(chǎn)生的散射離子，Au靶厚度為100 μg/cm2。SDB探測器置于與束流線成0°角位置，直接測量束流流強。石英玻璃、ZnS、CsI等不同發(fā)光效率的閃爍體安裝在樣品架上，分別使用不同照度的CCD實現(xiàn)不同強度的束流觀測。高電荷態(tài)離子出束前，分別使用在電參數(shù)和磁參數(shù)模擬中獲得的離子對探測器進行能量刻度。

圖3 束流診斷設備布局

2.2 實驗結(jié)果

根據(jù)表1中的參數(shù)分別進行電參數(shù)和磁參數(shù)模擬后，使用SDB探測器測得的高電荷態(tài)束流能譜如圖4所示?？煽闯?，束流中混有許多不同能量的其他電荷態(tài)離子的干擾，其中296.99 MeV的能峰峰總比超過50%，而預期中的318.843 MeV能峰的峰總比小于14%。

圖4 初始高電荷態(tài)束流能譜

影響束流峰總比的因素可能有：加速器端電壓、分析磁鐵物縫與像縫寬度、三單元電四極透鏡值等。由于加速器端電壓顯示值與真實值之間存在差異，且由于剝離膜損耗等原因也會造成高壓值發(fā)生變化，因此高電荷態(tài)離子引出后首先需對高壓進行微調(diào)。其次，分析磁鐵物縫與像縫寬度會影響離子單色性。另外，不同能量離子穿過第一剝離膜后束流包絡不同，為使束流聚焦在第二剝離膜上，所需的三單元電四級透鏡也不同。為了考察上述因素對高電荷態(tài)束流的影響，分別在不同條件下對高電荷態(tài)束流峰總比和主峰注量率進行了測量，加速器的端電壓、像縫寬度、三單元電四級透鏡撥輪值對高電荷態(tài)束流的影響分別示于圖5～7。

對上述3個因素進行優(yōu)化調(diào)節(jié)后，得到如圖8所示的能譜，由圖8可見，預期的高電荷態(tài)離子的峰總比超過80%，注量率達106cm-2·s-1，滿足單粒子效應實驗的條件。

2.3 結(jié)果討論

在加速器參數(shù)調(diào)整過程中發(fā)現(xiàn)，加速器端電壓對高電荷態(tài)離子純度的影響最大(圖5)。這是由于改變高壓可使束流的能量發(fā)生變化，從而使磁剛度發(fā)生變化。適當改變離子磁剛度可抵消高壓模擬值與實際值的偏差，使所需離子傳輸效率升高。像縫的寬度是影響高電荷態(tài)束流能量分辨率的第二個因素(圖6)，北京HI-13串列加速器的束流能量分辨率為：

(3)

其中：ΔE為能散；E為預期能量；X0和Xi分別為物縫寬度和像縫寬度；Dr為偏轉(zhuǎn)半徑。

圖5 加速器端電壓對峰總比的影響

圖6 加速器像縫寬度對峰總比的影響

圖7 三單元電四極透鏡撥輪值對峰總比的影響

像縫寬度越小，能量分辨率就越高，因此減小縫寬度可去掉一些磁剛度與高電荷態(tài)束流相近的雜質(zhì)束流，從而提高峰總比。但由于束流能譜呈高斯分布，磁剛度非常接近的兩種束流中間可能會有混疊區(qū)域，因此減小縫寬度去掉雜質(zhì)峰的同時也會使部分高電荷態(tài)峰被去掉，從而使束流強度減小，這與觀測到的結(jié)果是一致的。而三單元電四極透鏡值大范圍變化時，對峰總比影響很小(圖7)。

圖8 優(yōu)化調(diào)節(jié)后的318.843 MeV的高電荷態(tài)127I14，28+離子能譜

利用上述高電荷態(tài)束流調(diào)試技術，獲得360 MeV的197Au15，32+離子，峰總比達到80%，主峰注量率達到105cm-2·s-1，其能譜如圖9所示。該離子在硅中表面LET為86.1 MeV·cm2/mg，射程達30.4 μm，滿足單粒子效應實驗規(guī)范[7]的要求，從而拓展了北京HI-13串列加速器離子的射程與LET值。

圖9 360 MeV 197Au15，32+能譜

3 結(jié)論

在北京HI-13串列加速器上開展了低至pA量級的弱束流監(jiān)測技術研究，采用磁剛度模擬技術成功引出剝離幾率低至0.005%的高電荷態(tài)127I離子。并使用該離子，分析測量了加速器端電壓、磁鐵像縫寬度及加速器鋼筒內(nèi)部的三單元電四極透鏡對束流品質(zhì)的影響，提高了高電荷態(tài)離子的純度和注量率。應用該技術將197Au離子的能量提高至360 MeV，滿足開展單粒子效應研究工作對高LET束流的要求，拓寬了北京HI-13串列加速器離子的射程及LET值范圍。

參考文獻：

[1] BINDER D, SMITH E C, HOMAN A B. Satellite anomalies from galactic cosmic rays[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1975, 22(6): 2 675-2 680.

[2] FRANK P M. Fault diagnosis in dynamic systems using analytical and knowledge-based reduancy: A survey and some new results[J]. Automation, 1990, 26(3): 459-474.

[3] REED R A, KINNISON J, PICKEL J C, et al. Single-event effects ground testing and on-orbit rate prediction methods: The past, present, and future[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2004, 50(12): 622-634.

[4] 郭剛，許謹誠，李志常，等. 北京HI-13串列加速器上單粒子效應輻射裝置簡介[J]. 高能物理與核物理，2006，30(增刊)：268-270.

GUO Gang, XU Jincheng, LI Zhichang, et al. Introduction of single event effects in HI-13 tandem accelerator[J]. High Energy Physics and Nuclear Physics, 2006, 30(Suppl.): 268-270(in Chinese).

[5] 趙大鵬，唐民，孟慶茹，等. 采用串列靜電加速器進行單粒子效應模擬試驗研究[J]. 宇航學報，1995,16(2)：85-89.

ZHAO Dapeng, TANG Min, MENG Qingru, et al. Single event effects simulation experiment utilizing tandem Van De graff accelerator[J]. Journal of Astronautics, 1995, 16(2): 85-89(in Chinese).

[6] KEVIN M W, ROBERT A W, MARCUS H, et al. The contribution of nuclear reactions to heavy ion single event upset cross-section measurements in a high-density SEU hardened SRAM[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2005, 52(6): 2 125-2 131.

[7] 國防科學技術工業(yè)委員會. QJ 10005—2008 宇航用半導體器件重離子單粒子效應試驗指南[S]. 北京：中國航天標準化研究所，2008.