重離子單粒子效應試驗輻照注量誤差分析

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輻照試驗截面測量的關鍵數(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試驗，通過對束流光路調(diào)節(jié)和探測器計數(shù)測量的深入分析，給出注量測量誤差的成因分析，并對誤差的性質(zhì)加以研究。其結(jié)果可以指導今后重離子單粒子效應輻照試驗束流的規(guī)范調(diào)節(jié)，從而改善注量測量的準確性，也可以用于試驗注量誤差的定量計算與分析。

關鍵詞：單粒子效應 ?注量 ?誤差分析

中圖分類號：TL99 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（c）-0112-04

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

注量誤差常常僅由探測器計數(shù)誤差給出，一般在百分之幾。但實際多輪次測量的結(jié)果有可能遠超出這個范圍。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，對于這些誤差的性質(zhì)也應加以分析與研究。

1 ?注量測量方法簡介

在注量測量中，通常在束流抵達樣品前的上、下、左、右位置，放置有四個探測器，在樣品處放置一個探測器，如圖1所示。在注量測量中首先獲得五個探測器計數(shù)，計算比例系數(shù)K。

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

2 ?探測器計數(shù)測量誤差分析

如果探測器前的限束光闌很精確地安排了，并且正確選擇了探測器，探測器工作點也都正確，由探測器系統(tǒng)而引起的系統(tǒng)誤差是可以忽略的。所以同常規(guī)核物理實驗一樣，探測器計數(shù)誤差按高斯分布取其計數(shù)的平方根。由于計數(shù)一般都很大，所以相對誤差都很小。無論是單次測量或多次測量，相對誤差通常應是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試驗[1，2]，在計數(shù)測量誤差分析中尚需關注兩個可能的誤差來源。

（1）計數(shù)率過高引起的測量誤差。

按李薩如理論，對磁場相互垂直的兩個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試驗就是利用這種方式來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間上均勻到達探測器上的，按掃描周期（1s）具有時間性，所以探測器實際探測的計數(shù)率要遠高于用探測到的計數(shù)除以時間計算得到的計數(shù)率結(jié)果。

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

（2）雜散離子或低能散射離子引起的計數(shù)本底誤差。

受串列加速器端電壓限制，在單粒子效應試驗中常通過引出剝離幾率低的雙剝離高電荷態(tài)離子來獲得較高能量（對應射程大于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，從而引入計數(shù)測量誤差。如圖2即為一次串列加速器單粒子效應試驗中利用金硅面壘探測器獲得的能譜圖。從譜中可以看到在662道主峰前有一個小峰在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、擴束，通過與管壁、狹縫、入口光闌、探測器前準直孔邊緣相互作用，引起的一些散射本底。通過分析，低能散射與雜質(zhì)離子成分占總計數(shù)的8.4%。因此在進行注量誤差分析時應充分考慮雜質(zhì)離子和低能散射離子引入的計數(shù)測量誤差。有效的措施是在調(diào)束時對引出的原始離子束利用金硅面壘探測器進行前期探測分析，如有雜散離子更換新的高電荷態(tài)離子再次引出，同時積累引出離子經(jīng)驗參數(shù)來規(guī)避今后試驗引入該雜散離子，從而避免可能引入的計數(shù)測量誤差。

3 ?比例系數(shù)K值測量誤差分析

一般在輻照樣品前進行幾次比例系數(shù)的測量，取平均值代入公式（2）計算獲得樣品輻照注量，并給出誤差。但是在試驗中發(fā)現(xiàn)輻照樣品前和輻照樣品后兩次測量如果隔了若干小時，兩次K值的差異可能比上述的測量誤差大得多。當改變注量率、改變離子種類或改變能量前后，理論上K值都應該不變，但是實際上都有較大變化。例如表1所示即為一次串列加速器單粒子效應試驗中長期測量的比例系數(shù)數(shù)據(jù)，較長試驗時間后，N右的比例系數(shù)平均值為255.2±87.5，相對誤差34%，N下的比例系數(shù)平均值為163.2±19.8，相對誤差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數(shù)引入的誤差，更多的是需要關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驗，處理的常常僅是計數(shù)的誤差，很少涉及加速器和束流管道帶來的誤差。原因是加速器束流光學較簡單且穩(wěn)定，誤差主要來源于實驗測試設備，而不在束流。對于單粒子效應輻照試驗，束流要求與常規(guī)的核物理實驗完全不同，講求低束流強度和輻照束斑的均勻且大面積，其中低束流強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束及均勻化階段，因此輻照試驗需要添加很多設備和增加管道長度，并且輻照試驗具有頻繁更換束流種類、頻繁調(diào)節(jié)注量率特點，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源。

相比常規(guī)的核物理實驗，單粒子效應輻照試驗調(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)過多個設備。到達輻照終端前，要經(jīng)過4個二極磁鐵、4對四極透鏡、2個x-y導向器和若干個光欄和反散射光欄，每個元件均對束流有影響。這些影響大致分兩個方面，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，有一對四極透鏡的功能為散焦，在常規(guī)核物理實驗的置場中不會有這樣的透鏡。

在降束段，先采用四極透鏡降束，束流截面擴大，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。到達掃描磁鐵處，位置也有變化，再經(jīng)過較長的距離達到樣品處更加偏離中心。結(jié)果是掃描中點不在中心，可能導致上、下、左、右探測器計數(shù)有差別，注量測量也就不準確，也不均勻。例如在光欄處，束流有0.1°的偏差，就會導致8m后的束斑有1～2cm的偏差。因此束流光學的一點差別就會引起測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個探測器計數(shù)均勻。但是數(shù)小時之后，也有可能變化。因此長時間試驗的注量測量結(jié)果必須考慮束流光學漲落引起的誤差。

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，我們簡單舉例說明。圖5為調(diào)束的時候在熒光屏的右上角出現(xiàn)一塊多余的束斑，它的強度較低，攝像頭沒有足夠的動態(tài)范圍，只看到中間的亮束斑。但掃描后會引起不均勻，隨后造成了比例系數(shù)值偏小，不準確。

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

束流光路引起的誤差具有偶然性，與探測器計數(shù)誤差并不相關，不存在于某一事物的函數(shù)關系，這是判斷非系統(tǒng)誤差的關鍵點，所以比例系數(shù)誤差是與計數(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)量的好壞的標志，即反映整個試驗測量好壞的質(zhì)量標志。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)和不同時期的比例系數(shù)的數(shù)據(jù)進行平均和誤差處理。例如一年試驗4輪，每輪試驗200h左右，共計約800h，這樣我們就可能有了上千次的比例系數(shù)K測量的結(jié)果。

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

4 ?結(jié)語

本文結(jié)合北京HI-13串列加速器重離子單粒子效應輻照試驗，討論了注量測量的誤差，給出了它的起因和性質(zhì)。其中探測器計數(shù)測量誤差要注意死時間和本底帶來的誤差，比例系數(shù)誤差除了探測器計數(shù)誤差外，還因考慮束流光路帶來的誤差;并進一步闡明比例系數(shù)誤差是與計數(shù)誤差不同根源的偶然誤差。因此在重離子單粒子效應輻照試驗中，應盡可能的規(guī)范束流調(diào)節(jié)，并積累比例系數(shù)測量數(shù)據(jù)，以最終改善單粒子效應試驗的注量測量準確性。

參考文獻

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