韓金華 覃英參 郭剛 張艷文

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院核物理研究所, 國(guó)防科技工業(yè)抗輻照應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心, 北京 102413)

為提升在中國(guó)原子能科學(xué)研究院的100 MeV質(zhì)子回旋加速器上進(jìn)行多能點(diǎn)質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的效率, 針對(duì)該加速器提供的100 MeV質(zhì)子設(shè)計(jì)了一種二進(jìn)制降能器.降能器包括6片鋁降能片, 厚度分別為0.5,1, 2, 4, 8, 16, 32 mm, 即后一片厚度均為前一片的2倍.提出相對(duì)厚度的概念, 此概念也可用來(lái)表示產(chǎn)生的質(zhì)子能點(diǎn)的次序以及降能器的狀態(tài)或操作.降能器產(chǎn)生的9.69 MeV以上的61個(gè)質(zhì)子能點(diǎn)間隔在0.84—4.09 MeV之間, 且能量岐離均在10%以下, 散射角半高寬均在45 mrad以下, 基本可滿足質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的要求.對(duì)加速器直接提供的質(zhì)子的能量精度對(duì)降能器產(chǎn)生的質(zhì)子能點(diǎn)的影響進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)經(jīng)降能器產(chǎn)生的質(zhì)子能量越低, 其影響也就越大.此外, 降能器對(duì)加速器直接能夠提供的70—100 MeV能區(qū)的質(zhì)子也是適用的,且可通過(guò)增加降能片數(shù)量的方式來(lái)獲得更加連續(xù)化的質(zhì)子能點(diǎn).本文提出的降能器設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單有效, 具有較強(qiáng)的借鑒價(jià)值.

1 引 言

空間輻射環(huán)境中的單個(gè)高能帶電粒子入射到航天器中的微電子器件時(shí), 會(huì)通過(guò)直接或間接的電離作用造成器件產(chǎn)生邏輯錯(cuò)誤、功能異常乃至器件損毀等現(xiàn)象, 即發(fā)生所謂的單粒子效應(yīng)(single event effect, SEE)[1].SEE是造成航天器發(fā)生故障乃至災(zāi)難性后果的主要因素, 嚴(yán)重影響空間活動(dòng)的可靠性和安全性.質(zhì)子是空間輻射環(huán)境中的主要成分, 也是導(dǎo)致空間中微電子器件發(fā)生SEE的主要因素之一, 因此開(kāi)展質(zhì)子SEE的研究工作對(duì)于保障航天事業(yè)的順利發(fā)展具有十分重要的意義[2?4].

在質(zhì)子SEE的實(shí)驗(yàn)研究方面, 國(guó)內(nèi)起步較晚,且已開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)主要集中在低能區(qū)域, 相關(guān)的加速器有北京大學(xué)的EN串列加速器[5]、北京HI?13串列加速器[6]和中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的質(zhì)子直線加速器[7]等, 這3臺(tái)加速器可提供的質(zhì)子的最高能量分別為10, 26, 35 MeV.目前, 國(guó)內(nèi)的中高能質(zhì)子加速器較為缺乏, 已建成的僅有中國(guó)原子能科學(xué)研究院的100 MeV質(zhì)子回旋加速器.在該加速器上建設(shè)質(zhì)子SEE試驗(yàn)裝置, 不僅能夠填補(bǔ)國(guó)內(nèi)中能質(zhì)子SEE試驗(yàn)的空白, 也能在一定程度上滿足國(guó)內(nèi)質(zhì)子SEE考核試驗(yàn)的需求[8].鑒于該加速器直接提供的質(zhì)子的能量為70—100 MeV, 采用降能器對(duì)質(zhì)子進(jìn)行降能是快速獲得從低到高多個(gè)能點(diǎn)質(zhì)子束流的簡(jiǎn)單易行的方法.質(zhì)子SEE實(shí)驗(yàn)的主要目的是獲取微電子器件的質(zhì)子SEE截面的能量依賴關(guān)系, 因此降能器對(duì)提升質(zhì)子SEE實(shí)驗(yàn)的效率具有重要意義.本文的降能器設(shè)計(jì)主要以利用加速器提供的100 MeV質(zhì)子進(jìn)行SEE實(shí)驗(yàn)為應(yīng)用背景來(lái)展開(kāi).

2 設(shè)計(jì)方法

降能器一般由幾個(gè)不同厚度的降能片組成, 每個(gè)降能片均可用計(jì)算機(jī)通過(guò)氣動(dòng)裝置對(duì)其分別進(jìn)行遠(yuǎn)程控制, 這樣就能用降能片的不同組合把入射粒子降到不同的能量.比如, 瑞士PSI (Paul Scherrer Institute)用于微電子器件SEE測(cè)試的質(zhì)子輻照裝置提供的最高質(zhì)子能量為254 MeV, 其降能器采用8片不同厚度的鋁片構(gòu)成[9].

降能器設(shè)計(jì)的核心在于降能片材料的選擇, 以及降能片片數(shù)和厚度的設(shè)置.參考PSI, 采用鋁作為降能片材料.在降能片數(shù)目方面, 考慮100 MeV比254 MeV低, 可初定為6片來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì).各降能片厚度的設(shè)置是降能器設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵之處.由于每個(gè)降能片均有使用、不使用兩種狀態(tài), 故理想情況下應(yīng)實(shí)現(xiàn)26= 64種不同組合, 每種組合對(duì)應(yīng)的降能片厚度之和應(yīng)該不同, 這樣就可將質(zhì)子降到64種不同的能量, 以最大程度上滿足質(zhì)子SEE實(shí)驗(yàn)對(duì)多能點(diǎn)質(zhì)子束流的需要.如果能夠先給出這64種質(zhì)子能量, 然后去確定6片降能片的厚度, 這種情況是比較理想的.但是, 實(shí)際上這相當(dāng)于6個(gè)變量同時(shí)滿足64個(gè)方程, 這個(gè)方程組一般是不可解的.因此, 只能從相反的角度考慮, 先給出6片降能片的厚度, 然后觀察相應(yīng)的64種質(zhì)子能量是否滿足設(shè)計(jì)要求.

首先, 考慮一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題.從1, 2, 4三個(gè)數(shù)字中任選一個(gè)或多個(gè)數(shù)字取其和可得到7個(gè)數(shù)字：1,2, 1 + 2, 4, 1 + 4, 2 + 4, 1 + 2 + 4, 即從 1到7之間的連續(xù)整數(shù).同理, 由1, 2, 4, 8, 16, 32六個(gè)數(shù)字可得到從1到63之間的連續(xù)整數(shù).因此, 若將 6 個(gè)降能片的厚度之比設(shè)定為 1∶2∶4∶8∶16∶32,則相應(yīng)63種組合對(duì)應(yīng)的降能片厚度之和構(gòu)成等差數(shù)列, 其首項(xiàng)和步長(zhǎng)均為第1片降能片的厚度(記為a), 算上6個(gè)降能片均不使用的情況, 共64種完全不同的組合方式, 從而最大化地實(shí)現(xiàn)了6個(gè)降能片的作用.將某一種組合的降能片的厚度之和與a的比值記為tR, 稱其為相對(duì)厚度, 則tR為0到63之間的整數(shù).假定質(zhì)子在到達(dá)降能器之前能量為E, 其在鋁中的射程為R, 則可令a = R/63,即使用全部降能片時(shí)恰好能將質(zhì)子完全阻止.顯然, 這種設(shè)計(jì)能夠使該降能器產(chǎn)生0到E之間的64個(gè)能點(diǎn)的質(zhì)子束流.

質(zhì)子SEE實(shí)驗(yàn)一般要求質(zhì)子束流的均勻性在70%以上, 為滿足此要求, 在加速器提供的質(zhì)子束流到達(dá)降能器之前利用雙環(huán)雙散射體法對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)束及均勻化[10], 使用的雙散射靶也不可避免地產(chǎn)生一定的降能作用, 在降能效果上相當(dāng)于1.54 mm的鉭.對(duì)于加速器直接提供的100 MeV質(zhì)子而言,質(zhì)子通過(guò)雙散射靶后能量會(huì)降低到90.07 MeV.由于90.07 MeV的質(zhì)子在鋁中的射程為30.59 mm,故a = 30.59/63 = 0.49 mm.不妨取a = 0.5 mm,從而6片降能片的厚度依次為0.5, 1.0, 2.0, 4.0,8.0, 16.0 mm.

3 設(shè)計(jì)效果分析

3.1 降能效果

要計(jì)算穿過(guò)降能器之后質(zhì)子的能量, 需要知道質(zhì)子在鋁中的能量?射程關(guān)系, 見(jiàn)圖1.能量為E、在鋁中射程為R的質(zhì)子, 在經(jīng)過(guò)總厚度為ti的降能片組合之后, 其剩余能量記為Ei, 則Ei對(duì)應(yīng)的在鋁中的射程應(yīng)為 R -ti, 從而Ei可由能量?射程關(guān)系通過(guò)插值的方法得到.據(jù)此, 可以得到90.07 MeV的質(zhì)子穿過(guò)64種不同降能片組合之后的能量, 如圖2所示.本文中涉及的能量?射程關(guān)系均由SRIM程序計(jì)算, SRIM是計(jì)算離子在物質(zhì)中的阻止本領(lǐng)(—dE/dx)和射程的常用程序, 其關(guān)于質(zhì)子在物質(zhì)中的阻止本領(lǐng)(與射程密切相關(guān))的計(jì)算值與將近9000個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差總體而言在3.9%以內(nèi)[11,12], 足以保證上述能量?射程關(guān)系的準(zhǔn)確性, 進(jìn)而可保證計(jì)算的質(zhì)子通過(guò)降能片之后的能量的準(zhǔn)確性.

圖1 采用SRIM計(jì)算得到的1?100 MeV質(zhì)子在鋁中的阻止本領(lǐng)及射程Fig.1.Stopping power and range of 1?100 MeV protons in aluminum calculated by SRIM.

圖2 入射質(zhì)子穿過(guò)64種不同降能片組合之后的能量Fig.2.Residual energies of the incident protons after they pass through the energy degrader with 64 kinds of combina?tions of 6 energy degrader plates.

由圖2可知, 相對(duì)厚度tR在0—60區(qū)間時(shí), 可獲得9.69—90.07 MeV范圍內(nèi)的61個(gè)質(zhì)子能點(diǎn),各能點(diǎn)之間的間隔在0.84—4.09 MeV之間.在該能量范圍內(nèi), 阻止本領(lǐng)隨著質(zhì)子能量減小而增加,從而使得這61個(gè)質(zhì)子能點(diǎn)之間的間隔隨著tR的增大而增大.tR= 61時(shí), 出射質(zhì)子能量為3.21 MeV,此時(shí)降能器引起的能量岐離、角度岐離以及加速器直接引出的質(zhì)子能量的精度誤差均較大, 參見(jiàn)后面的討論.tR= 62, 63時(shí), 降能器可將90.07 MeV的質(zhì)子全部阻止.進(jìn)行質(zhì)子SEE實(shí)驗(yàn)時(shí), 質(zhì)子與降能材料發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生的中子本底是不可避免的, 而此時(shí)產(chǎn)生的中子本底應(yīng)該是最多的, 故可在此保守情況下估計(jì)中子本底對(duì)質(zhì)子SEE實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的影響,這也是設(shè)計(jì)降能器時(shí)使a值稍大的一個(gè)目的.

相對(duì)厚度tR除了能夠表示使用的降能片的總厚度之外, 還能夠表示使用降能器產(chǎn)生的質(zhì)子能點(diǎn)的次序以及降能器的狀態(tài)或操作.以tR= 41為例,降能片的總厚度為41 × 0.5 = 20.5 mm.按圖2中所示的質(zhì)子能點(diǎn)由高到低排列, 以不使用降能器時(shí)產(chǎn)生的90.07 MeV為第0個(gè)能點(diǎn), 以僅使用第一片降能片時(shí)產(chǎn)生的89.23 MeV為第1個(gè)能點(diǎn),依次類推, 則tR= 41時(shí)產(chǎn)生的質(zhì)子能點(diǎn)48.26 MeV在上述一系列能點(diǎn)中為第41個(gè).41 = 1 + 8 +32, 即使用的是第1, 4, 6片降能片.41的二進(jìn)制寫法為101001, 若以1代表使用, 以0代表不使用,最低位到最高位依次代表第1片到第6片, 則101001正好可以代表6片降能片的狀態(tài), 也就是降能器的相應(yīng)操作, 這樣就方便了我們對(duì)降能器的遠(yuǎn)程控制.

3.2 能量岐離

帶電粒子在物質(zhì)中與靶核及其核外電子發(fā)生多次碰撞而損失能量, 由于其經(jīng)受的碰撞次數(shù)、每次碰撞所轉(zhuǎn)移的能量都是隨機(jī)變化的, 這種碰撞過(guò)程的統(tǒng)計(jì)漲落引起粒子在穿過(guò)靶物質(zhì)后產(chǎn)生能量岐離現(xiàn)象.對(duì)本文所涉及的在快速能區(qū)的質(zhì)子而言, 能量岐離主要是由于質(zhì)子與靶原子的核外電子相互作用而產(chǎn)生.根據(jù)Bohr理論, 這種能量岐離可用高斯分布來(lái)描述, 相應(yīng)的均方差參數(shù)為

其中, z為入射粒子原子序數(shù), Z為靶物質(zhì)原子序數(shù), e為電子電荷, N為單位體積內(nèi)的靶核數(shù), t為靶物質(zhì)厚度[13?15].由(1)式可看出, 對(duì)于特定的入射粒子和靶物質(zhì), 表征能量岐離的均方差參數(shù)σ與入射粒子的能量無(wú)關(guān), 與靶厚t的平方根成正比.

以 S =σ/Ei來(lái)表示能量岐離的程度, 將質(zhì)子穿過(guò)雙散射靶產(chǎn)生的能量岐離也計(jì)算在內(nèi)時(shí), 經(jīng)降能器產(chǎn)生的不同能點(diǎn)質(zhì)子的能量岐離程度如圖3所示.質(zhì)子經(jīng)過(guò)降能片組合的總厚度越大, 出射質(zhì)子的能量Ei就越低, 均方差參數(shù)σ就越大, 因而能量岐離程度S也就越大.由圖3可見(jiàn), 質(zhì)子能量Ei從90.07 MeV降低到3.21 MeV時(shí), 能量岐離程度S從0.45%升高到27.53%.由于均方差參數(shù)σ與靶厚的平方根成正比, 故其隨靶厚增加地越來(lái)越緩慢, tR從1增加到62時(shí), σ僅從0.41 MeV增加到0.90 MeV.而出射質(zhì)子能量隨著靶厚增加而降低地越來(lái)越快, 因此S隨Ei的降低而增加地越來(lái)越快.這也決定了在出射質(zhì)子能量Ei的低能端,S的升高主要是由Ei的降低來(lái)決定的.比如, Ei從9.69 MeV降低到3.21 MeV時(shí), S從9.06%升高到27.53%.

圖3 質(zhì)子經(jīng)過(guò)降能器產(chǎn)生的各能點(diǎn)質(zhì)子的能量岐離程度Fig.3.Energy straggling degree of the resulting protons at each energy point produced by the energy degrader.

3.3 角度岐離

單個(gè)入射粒子在靶物質(zhì)中與靶核碰撞會(huì)產(chǎn)生小角度偏轉(zhuǎn), 而與靶原子的核外電子碰撞引起的偏轉(zhuǎn)可以忽略, 經(jīng)多次碰撞之后, 粒子會(huì)偏離原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向.一束具有相同入射方向的帶電粒子, 在靶物質(zhì)中穿過(guò)厚度t之后, 粒子偏轉(zhuǎn)角度在小散射角內(nèi)滿足高斯分布, 該高斯分布的半高寬 θFWHM可用Highland公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算[16,17], 即

其中, Es= 14.1 MeV; ε =1/9 ; p為入射粒子的動(dòng)量; β為入射粒子速度與光速之比; LR為靶物質(zhì)的輻射長(zhǎng)度, LR的計(jì)算可參考文獻(xiàn)[18].理想細(xì)小束流經(jīng)靶物質(zhì)散射后, 在與靶物質(zhì)距離為L(zhǎng)的測(cè)量平面內(nèi), 束流分布密度函數(shù)也可用高斯分布來(lái)描述[10,19,20], 即

要詳細(xì)了解進(jìn)行質(zhì)子SEE實(shí)驗(yàn)時(shí)DUT (device under test)位置處的束流橫向分布情況, 需對(duì)質(zhì)子SEE實(shí)驗(yàn)裝置中的雙散射靶、降能器、DUT以及所涉及的空間幾何關(guān)系進(jìn)行全面考慮.為方便起見(jiàn), 本文僅考慮降能器的影響, 且忽略各降能片之間實(shí)際存在的間隙, 在此情況下對(duì)質(zhì)子束流在降能器中產(chǎn)生的角度岐離進(jìn)行粗略的估計(jì), 圖4給出了通過(guò)(2)式計(jì)算得到的經(jīng)降能器產(chǎn)生的各能點(diǎn)質(zhì)子的角度歧離情況.當(dāng)tR= 61時(shí), 質(zhì)子剩余能量為3.21 MeV, 此時(shí)質(zhì)子角度岐離最大,θFWHM為45.20 mrad .降能器與DUT距離L約為0.25 m,相應(yīng)的即在DUT位置距離束流中心1.60 cm處質(zhì)子注量率是束流中心處的 1 /e≈36.79% .在實(shí)際情況中, 各降能片之間的間隙及降能器前后存在的空氣會(huì)使得角度歧離略微增大; 雙散射靶也會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子束流產(chǎn)生角度歧離, 其位置距離DUT較遠(yuǎn), 主要作用是對(duì)質(zhì)子束流進(jìn)行橫向擴(kuò)展, 使其均勻化[10].

圖4 經(jīng)過(guò)降能器產(chǎn)生的各能點(diǎn)質(zhì)子的散射角半高寬Fig.4.Full width at half maximum of the scattering angle of the resulting protons at each energy point produced by the energy degrader.

3.4 初始質(zhì)子能量精度的影響

加速器直接引出的初始質(zhì)子能量可能存在一定偏差, 假定引出100 MeV質(zhì)子時(shí)偏差為0.1%,探討此時(shí)質(zhì)子經(jīng)降能器不同狀態(tài)后剩余能量Ei的變化, 結(jié)果見(jiàn)圖5.可見(jiàn), 質(zhì)子經(jīng)過(guò)降能器后的能量越低其偏差就越大.以加速器引出100.1 MeV質(zhì)子為例, 與引出100 MeV質(zhì)子情況相比, 當(dāng)tR= 1時(shí),經(jīng)過(guò)降能器之后質(zhì)子能量Ei由89.22 MeV提高0.11 MeV, 即 0.12%; 當(dāng) tR= 61 時(shí), Ei由 3.21 MeV提高1.23 MeV, 即38.35%.造成這種結(jié)果的原因是質(zhì)子的阻止本領(lǐng)隨著能量的降低而增高(見(jiàn)圖1),因此對(duì)同樣厚度的鋁而言, 質(zhì)子能量越低, 在其中所損失的能量就越大.如100 MeV質(zhì)子在64.5 μm厚的鋁內(nèi)損失能量約為0.1 MeV, 而2.62 MeV的質(zhì)子恰好在其中損失全部能量.也正是由于同樣的原因, 99.9 MeV情況造成的質(zhì)子能量偏差要稍大于100.1 MeV情況.類似地, 可以推測(cè), Ei的能量越低, 鋁片的加工精度、SRIM計(jì)算結(jié)果的精度給其帶來(lái)的誤差也就越大.

圖5 加速器直接提供的質(zhì)子能量偏差0.1 MeV時(shí)造成質(zhì)子經(jīng)過(guò)降能器后剩余能量的偏差情況Fig.5.Variation of the residual energy after the protons with the energy deviation of 0.1 MeV directly provided by the accelerator pass through the energy degrader.

3.5 對(duì)70—100 MeV質(zhì)子的適用性

加速器可直接提供70—100 MeV的質(zhì)子, 故對(duì)所設(shè)計(jì)的降能器對(duì)其提供100, 90, 80, 70 MeV四種能量質(zhì)子情況下的降能效果進(jìn)行了考察.雙散射靶的存在使得四種情況下的質(zhì)子能量分別降為90.07, 79.12, 68.15, 56.70 MeV, 使用降能器可提供的質(zhì)子的最低能量分別為3.21, 6.75, 4.59,8.29 MeV, 提供的各質(zhì)子能點(diǎn)的最大間隔分別為6.48, 4.92, 5.78, 4.44 MeV, 在降能器狀態(tài)tR分別為62, 49, 38, 27時(shí)即可將質(zhì)子全部阻止, 如圖6所示.可見(jiàn), 該降能器不僅適用于100 MeV質(zhì)子,對(duì)于加速器直接提供的70—100 MeV范圍內(nèi)的質(zhì)子也都是基本適用的.另外, 使用能量低的質(zhì)子比使用能量高的質(zhì)子經(jīng)降能器降到同樣的能量時(shí)所使用的降能片的總厚度小, 顯然產(chǎn)生的能量岐離和角度岐離也小.如100 MeV質(zhì)子在tR= 40時(shí)能量降為49.58 MeV, 表征能量岐離的均方差參數(shù)σ為0.75 MeV, 散射角半高全寬 θFWHM為35.82 mrad;而70 MeV質(zhì)子在tR= 6時(shí)即降為49.21 MeV, 相應(yīng)的 σ 僅為0.47 MeV, θFWHM僅為19.55 mrad.

圖6 降能器對(duì)加速器直接提供的100, 90, 80, 70 MeV 四種能量質(zhì)子的降能效果Fig.6.Effects of the energy degrader for the protons at 100,90, 80 and 70 MeV directly provided by the accelerator.

4 改進(jìn)方法

若想通過(guò)降能器獲得更多的質(zhì)子能點(diǎn), 使這些能點(diǎn)更加連續(xù)化, 顯然增加降能片的數(shù)目是一種可行的方法.下面分別對(duì)使用7片和8片降能片的情況進(jìn)行討論.按前述設(shè)計(jì)方法, 對(duì)7片降能片情況,可將其厚度之比設(shè)定為 1∶2∶4∶8∶16∶32∶64, tR取值從0到127, 第1片厚度a = 30.59/127 = 0.24 mm,不妨取a值為0.25 mm.對(duì)8片降能片情況, 可將其厚度之比設(shè)定為 1∶2∶4∶8∶16∶32∶64∶128, tR取值從 0到 255, 第 1片厚度 a = 30.59/255 =0.12 mm, 不妨取a值為0.122 mm, 然后8片降能片厚度按上述比例與a的乘積保留兩位小數(shù)進(jìn)行取值, 即8片降能片的厚度取值依次為0.12, 0.24,0.49, 0.98, 1.95, 3.90, 7.81, 15.62 mm.圖7為使用6, 7, 8片降能片三種情況下降能器對(duì)于加速器提供的100 MeV質(zhì)子所實(shí)現(xiàn)的降能效果.在三種情況下, 降能器可提供的各質(zhì)子能點(diǎn)數(shù)目分別為62, 126和251, 各能點(diǎn)的間隔分別在0.84—6.48,0.40—3.81, 0.20—2.11 MeV之間.可見(jiàn), 每增加1片降能片, 所獲得的質(zhì)子能點(diǎn)數(shù)目約增加1倍,各能點(diǎn)的間隔更小, 更加能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)子能量準(zhǔn)連續(xù)可調(diào)的目的.在8片降能片情況下, 降能器所實(shí)現(xiàn)的能點(diǎn)已經(jīng)相當(dāng)密集：在54.81—90.07 MeV以內(nèi)的148個(gè)能點(diǎn)的間隔在0.2—0.3 MeV之間, 在25.57—54.49 MeV以內(nèi)的 76個(gè)能點(diǎn)的間隔在0.3—0.5 MeV之間, 在12.73—25.04 MeV以內(nèi)的20個(gè)能點(diǎn)的間隔在0.5—1.0 MeV之間, 在3.21—11.71 MeV以內(nèi)的7個(gè)能點(diǎn)的間隔在1.0—2.11 MeV之間.

圖7 降能器使用6, 7, 8片降能片時(shí)的降能效果Fig.7.Effects of the energy degrader using 6, 7 and 8 alu?minum plates, respectively.

5 總 結(jié)

為在原子能院的100 MeV質(zhì)子回旋加速器上快速進(jìn)行多能點(diǎn)的質(zhì)子SEE實(shí)驗(yàn), 針對(duì)其直接提供的100 MeV質(zhì)子設(shè)計(jì)了一種二進(jìn)制降能器.該降能器由6片鋁降能片組成, 最薄一片厚度為0.5 mm, 其余每片厚度均為前一片的2倍.基于降能器設(shè)計(jì)的特殊性, 提出相對(duì)厚度tR的概念, tR也可表示產(chǎn)生的質(zhì)子能點(diǎn)的次序以及降能器的狀態(tài)或操作.本文對(duì)該降能器的降能效果、產(chǎn)生的質(zhì)子能點(diǎn)的能量岐離和角度岐離、加速器直接引出的質(zhì)子能量精度對(duì)產(chǎn)生的質(zhì)子能點(diǎn)的影響進(jìn)行分析與討論, 并對(duì)加速器能夠直接提供的70—100 MeV能區(qū)質(zhì)子的適用性以及改進(jìn)降能器以獲得更加連續(xù)化的質(zhì)子能點(diǎn)的方法進(jìn)行了分析與討論.

考慮降能器之前的雙散射靶, 該降能器能夠產(chǎn)生9.69—90.07 MeV范圍內(nèi)的61個(gè)質(zhì)子能點(diǎn), 這些能點(diǎn)之間的間隔在0.84—4.09 MeV之間, 且能量岐離均在9.06%以下, 角度岐離在44.79 mrad(2.57°)以下, 基本可滿足質(zhì)子SEE實(shí)驗(yàn)的要求.降能器產(chǎn)生的質(zhì)子能量越低, 其帶來(lái)的能量岐離和角度岐離也就越大, 對(duì)加速器直接引出的質(zhì)子能量精度的影響也就越大.降能器產(chǎn)生的角度岐離將使得質(zhì)子束流在橫向上產(chǎn)生一定的擴(kuò)展, 從而使質(zhì)子注量率有所降低.該降能器產(chǎn)生的質(zhì)子最低能量為3.21 MeV, 其能散約為28%, 且加速器提供的初始質(zhì)子能量的微小變動(dòng)對(duì)其影響很大, 100 MeV質(zhì)子能量上下變動(dòng)0.1%使其產(chǎn)生的變化分別約為38%和55%.由于3 MeV左右對(duì)很多微電子器件而言是質(zhì)子SEE截面剛出現(xiàn)或快速上升的區(qū)域,故當(dāng)其應(yīng)用于質(zhì)子SEE實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)對(duì)其能散及可能的誤差有明確的認(rèn)識(shí).經(jīng)計(jì)算, 該降能器不僅適用于100 MeV質(zhì)子, 對(duì)加速器直接提供的70—100 MeV能區(qū)的質(zhì)子也是適用的.若要通過(guò)降能器獲得更加連續(xù)化的質(zhì)子能點(diǎn), 可按該設(shè)計(jì)方法增加降能片的片數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn), 另外, 本文對(duì)7片、8片降能片情況進(jìn)行了討論.最后, 本文提出的二進(jìn)制降能器設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單有效, 對(duì)于實(shí)現(xiàn)多能點(diǎn)快速降能的降能器的設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的借鑒價(jià)值.