沈東軍 陳泉 郭剛 韓金華 孔福全

摘 ? 要：離子束的注量是宇航微電子器件重離子單粒子效應(yīng)輻照試驗(yàn)截面測(cè)量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，本文結(jié)合北京HI-13串列加速器重離子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，通過對(duì)束流光路調(diào)節(jié)和探測(cè)器計(jì)數(shù)測(cè)量的深入分析，給出注量測(cè)量誤差的成因分析，并對(duì)誤差的性質(zhì)加以研究。其結(jié)果可以指導(dǎo)今后重離子單粒子效應(yīng)輻照試驗(yàn)束流的規(guī)范調(diào)節(jié)，從而改善注量測(cè)量的準(zhǔn)確性，也可以用于試驗(yàn)注量誤差的定量計(jì)算與分析。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)瘟Ｗ有?yīng) ?注量 ?誤差分析

中圖分類號(hào)：TL99 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）07（c）-0112-04

重離子單粒子效應(yīng)輻照試驗(yàn)測(cè)試的核心數(shù)據(jù)是單粒子效應(yīng)截面，即單粒子效應(yīng)事件數(shù)與離子束的注量的比值。在多數(shù)試驗(yàn)情況下，測(cè)得的單粒子效應(yīng)事件數(shù)并不多，在閾值附近事件數(shù)更少，因此單粒子效應(yīng)事件數(shù)占了效應(yīng)截面誤差的很大部分。但在高LET（線性能量轉(zhuǎn)移）值時(shí)，單粒子事件數(shù)明顯增多，相對(duì)誤差降了下來(lái)，這時(shí)注量的數(shù)值和誤差就顯得重要了，尤其關(guān)心的是注量測(cè)量中的系統(tǒng)誤差。

注量誤差常常僅由探測(cè)器計(jì)數(shù)誤差給出，一般在百分之幾。但實(shí)際多輪次測(cè)量的結(jié)果有可能遠(yuǎn)超出這個(gè)范圍。因此分析這種誤差成因是必要的。另外，為了能夠定量分析注量誤差，對(duì)于這些誤差的性質(zhì)也應(yīng)加以分析與研究。

1 ?注量測(cè)量方法簡(jiǎn)介

在注量測(cè)量中，通常在束流抵達(dá)樣品前的上、下、左、右位置，放置有四個(gè)探測(cè)器，在樣品處放置一個(gè)探測(cè)器，如圖1所示。在注量測(cè)量中首先獲得五個(gè)探測(cè)器計(jì)數(shù)，計(jì)算比例系數(shù)K。

從公式（1）（2）可以看到，注量測(cè)量誤差主要與兩類量有關(guān)，一類是探測(cè)器計(jì)數(shù)，另一類是比例系數(shù)K值，下面分別予以分析。

2 ?探測(cè)器計(jì)數(shù)測(cè)量誤差分析

如果探測(cè)器前的限束光闌很精確地安排了，并且正確選擇了探測(cè)器，探測(cè)器工作點(diǎn)也都正確，由探測(cè)器系統(tǒng)而引起的系統(tǒng)誤差是可以忽略的。所以同常規(guī)核物理實(shí)驗(yàn)一樣，探測(cè)器計(jì)數(shù)誤差按高斯分布取其計(jì)數(shù)的平方根。由于計(jì)數(shù)一般都很大，所以相對(duì)誤差都很小。無(wú)論是單次測(cè)量或多次測(cè)量，相對(duì)誤差通常應(yīng)是1%～2%。

結(jié)合北京HI-13串列加速器開展的宇航微電子器件重離子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)[1，2]，在計(jì)數(shù)測(cè)量誤差分析中尚需關(guān)注兩個(gè)可能的誤差來(lái)源。

（1）計(jì)數(shù)率過高引起的測(cè)量誤差。

按李薩如理論，對(duì)磁場(chǎng)相互垂直的兩個(gè)掃描磁鐵分別加上不同頻率的三角波函數(shù)激磁電流可以在靶上獲得均勻束流。串列加速器重離子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)就是利用這種方式來(lái)獲得大面積的均勻束流[3，4]。因此，樣品處的離子并不是從時(shí)間上均勻到達(dá)探測(cè)器上的，按掃描周期（1s）具有時(shí)間性，所以探測(cè)器實(shí)際探測(cè)的計(jì)數(shù)率要遠(yuǎn)高于用探測(cè)到的計(jì)數(shù)除以時(shí)間計(jì)算得到的計(jì)數(shù)率結(jié)果。

探測(cè)器都有相應(yīng)的計(jì)數(shù)率探測(cè)范圍，比如金硅面壘探測(cè)器受后端電子學(xué)影響（主要是前置放大器，其輸出信號(hào)后沿衰減較慢，衰減時(shí)間達(dá)1ms），其可探測(cè)計(jì)數(shù)率非常有限，在高計(jì)數(shù)率時(shí)，考慮到上述分析中提到的單粒子效應(yīng)試驗(yàn)離子具有時(shí)間性，因此我們不宜采用金硅面壘探測(cè)器來(lái)探測(cè)計(jì)數(shù)，而應(yīng)盡量選用具有快信號(hào)處理能力的塑料閃爍體探測(cè)器及其后端電子學(xué)，來(lái)規(guī)避或減小測(cè)量死時(shí)間引入的計(jì)數(shù)測(cè)量誤差。

（2）雜散離子或低能散射離子引起的計(jì)數(shù)本底誤差。

受串列加速器端電壓限制，在單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中常通過引出剝離幾率低的雙剝離高電荷態(tài)離子來(lái)獲得較高能量（對(duì)應(yīng)射程大于30μm）的離子束流[5]，這樣在樣品處的束流有可能夾雜其他能量的雜散離子，從而引入計(jì)數(shù)測(cè)量誤差。如圖2即為一次串列加速器單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中利用金硅面壘探測(cè)器獲得的能譜圖。從譜中可以看到在662道主峰前有一個(gè)小峰在610道附近，即為引入的雜質(zhì)離子。另外在小于610道還有一些低能散射本底，有可能是束流在傳輸管道上經(jīng)降束、擴(kuò)束，通過與管壁、狹縫、入口光闌、探測(cè)器前準(zhǔn)直孔邊緣相互作用，引起的一些散射本底。通過分析，低能散射與雜質(zhì)離子成分占總計(jì)數(shù)的8.4%。因此在進(jìn)行注量誤差分析時(shí)應(yīng)充分考慮雜質(zhì)離子和低能散射離子引入的計(jì)數(shù)測(cè)量誤差。有效的措施是在調(diào)束時(shí)對(duì)引出的原始離子束利用金硅面壘探測(cè)器進(jìn)行前期探測(cè)分析，如有雜散離子更換新的高電荷態(tài)離子再次引出，同時(shí)積累引出離子經(jīng)驗(yàn)參數(shù)來(lái)規(guī)避今后試驗(yàn)引入該雜散離子，從而避免可能引入的計(jì)數(shù)測(cè)量誤差。

3 ?比例系數(shù)K值測(cè)量誤差分析

一般在輻照樣品前進(jìn)行幾次比例系數(shù)的測(cè)量，取平均值代入公式（2）計(jì)算獲得樣品輻照注量，并給出誤差。但是在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)輻照樣品前和輻照樣品后兩次測(cè)量如果隔了若干小時(shí)，兩次K值的差異可能比上述的測(cè)量誤差大得多。當(dāng)改變注量率、改變離子種類或改變能量前后，理論上K值都應(yīng)該不變，但是實(shí)際上都有較大變化。例如表1所示即為一次串列加速器單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中長(zhǎng)期測(cè)量的比例系數(shù)數(shù)據(jù)，較長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間后，N右的比例系數(shù)平均值為255.2±87.5，相對(duì)誤差34%，N下的比例系數(shù)平均值為163.2±19.8，相對(duì)誤差12%。可以看到比例系數(shù)值相互間差異還是很大。因此分析比例系數(shù)K值的誤差是不能僅考慮計(jì)數(shù)引入的誤差，更多的是需要關(guān)注束流光路引入的誤差。

常規(guī)的基于串列加速器的核物理實(shí)驗(yàn)，處理的常常僅是計(jì)數(shù)的誤差，很少涉及加速器和束流管道帶來(lái)的誤差。原因是加速器束流光學(xué)較簡(jiǎn)單且穩(wěn)定，誤差主要來(lái)源于實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備，而不在束流。對(duì)于單粒子效應(yīng)輻照試驗(yàn)，束流要求與常規(guī)的核物理實(shí)驗(yàn)完全不同，講求低束流強(qiáng)度和輻照束斑的均勻且大面積，其中低束流強(qiáng)度已超出加速器正常供束能力，束流光路需要有降束段;輻照束斑的均勻且大面積要求束流要有擴(kuò)束及均勻化階段，因此輻照試驗(yàn)需要添加很多設(shè)備和增加管道長(zhǎng)度，并且輻照試驗(yàn)具有頻繁更換束流種類、頻繁調(diào)節(jié)注量率特點(diǎn)，講求束流的快速引出和快捷調(diào)節(jié)，因此有了眾多的誤差來(lái)源。

相比常規(guī)的核物理實(shí)驗(yàn)，單粒子效應(yīng)輻照試驗(yàn)調(diào)束要難的多。束流經(jīng)過幾十米的傳輸距離才到終端，中間要經(jīng)過多個(gè)設(shè)備。到達(dá)輻照終端前，要經(jīng)過4個(gè)二極磁鐵、4對(duì)四極透鏡、2個(gè)x-y導(dǎo)向器和若干個(gè)光欄和反散射光欄，每個(gè)元件均對(duì)束流有影響。這些影響大致分兩個(gè)方面，一種是影響束流的方向，另一種是影響束流橫截面的形狀。同是四極透鏡功能卻不一樣，有一對(duì)四極透鏡的功能為散焦，在常規(guī)核物理實(shí)驗(yàn)的置場(chǎng)中不會(huì)有這樣的透鏡。

在降束段，先采用四極透鏡降束，束流截面擴(kuò)大，然后取其一小部分，如圖3所示。如果入射束流有偏離，則出光欄的束流方向也有偏離，如圖4。到達(dá)掃描磁鐵處，位置也有變化，再經(jīng)過較長(zhǎng)的距離達(dá)到樣品處更加偏離中心。結(jié)果是掃描中點(diǎn)不在中心，可能導(dǎo)致上、下、左、右探測(cè)器計(jì)數(shù)有差別，注量測(cè)量也就不準(zhǔn)確，也不均勻。例如在光欄處，束流有0.1°的偏差，就會(huì)導(dǎo)致8m后的束斑有1～2cm的偏差。因此束流光學(xué)的一點(diǎn)差別就會(huì)引起測(cè)量的誤差之外的問題。

一般在調(diào)節(jié)之初，效果很好，束斑在中間，4個(gè)探測(cè)器計(jì)數(shù)均勻。但是數(shù)小時(shí)之后，也有可能變化。因此長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)的注量測(cè)量結(jié)果必須考慮束流光學(xué)漲落引起的誤差。

為了解釋此種束流的穩(wěn)定性如何造成注量率的變化，即此誤差的成因，我們簡(jiǎn)單舉例說(shuō)明。圖5為調(diào)束的時(shí)候在熒光屏的右上角出現(xiàn)一塊多余的束斑，它的強(qiáng)度較低，攝像頭沒有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，只看到中間的亮束斑。但掃描后會(huì)引起不均勻，隨后造成了比例系數(shù)值偏小，不準(zhǔn)確。

另外，如果兩方向掃描強(qiáng)度不同或者束斑不是正方形，而是長(zhǎng)方形，也會(huì)引起K值的變化。上述例子都說(shuō)明束流的穩(wěn)定、束流的調(diào)節(jié)和降束和均勻化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)節(jié)和穩(wěn)定都會(huì)引起注量比例系數(shù)K的測(cè)量準(zhǔn)確性。因此比例系數(shù)的誤差決不是僅有探測(cè)器的測(cè)量誤差，必須把束流光路帶來(lái)的誤差考慮進(jìn)去。

束流光路引起的誤差具有偶然性，與探測(cè)器計(jì)數(shù)誤差并不相關(guān)，不存在于某一事物的函數(shù)關(guān)系，這是判斷非系統(tǒng)誤差的關(guān)鍵點(diǎn)，所以比例系數(shù)誤差是與計(jì)數(shù)誤差不同根源的偶然誤差，而不是系統(tǒng)誤差。因此比例系數(shù)的變化也是束流調(diào)節(jié)質(zhì)量的好壞的標(biāo)志，即反映整個(gè)試驗(yàn)測(cè)量好壞的質(zhì)量標(biāo)志。比例系數(shù)的數(shù)據(jù)必須累積，不同的束流、不同的注量、不同的加速器狀態(tài)和不同時(shí)期的比例系數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均和誤差處理。例如一年試驗(yàn)4輪，每輪試驗(yàn)200h左右，共計(jì)約800h，這樣我們就可能有了上千次的比例系數(shù)K測(cè)量的結(jié)果。

式中為一年內(nèi)比例系數(shù)進(jìn)行N次測(cè)量的平均值;K′為本次比例系數(shù)K值測(cè)量結(jié)果，所以ΔK它代表了這個(gè)系統(tǒng)的比例系數(shù)誤差。即使我們只做了一次試驗(yàn)，也就10min，我們也得到了一個(gè)K′值，其誤差也應(yīng)標(biāo)注為ΔK為宜。

4 ?結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合北京HI-13串列加速器重離子單粒子效應(yīng)輻照試驗(yàn)，討論了注量測(cè)量的誤差，給出了它的起因和性質(zhì)。其中探測(cè)器計(jì)數(shù)測(cè)量誤差要注意死時(shí)間和本底帶來(lái)的誤差，比例系數(shù)誤差除了探測(cè)器計(jì)數(shù)誤差外，還因考慮束流光路帶來(lái)的誤差;并進(jìn)一步闡明比例系數(shù)誤差是與計(jì)數(shù)誤差不同根源的偶然誤差。因此在重離子單粒子效應(yīng)輻照試驗(yàn)中，應(yīng)盡可能的規(guī)范束流調(diào)節(jié)，并積累比例系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)，以最終改善單粒子效應(yīng)試驗(yàn)的注量測(cè)量準(zhǔn)確性。

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