宋 雷，郭 剛，沈東軍，陳 泉，劉建成，何安林，韓金華，范 輝，史淑廷

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京102413）

質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)束流診斷中的SEEM研制

宋 雷，郭 剛，沈東軍，陳 泉，劉建成，何安林，韓金華，范 輝，史淑廷

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京102413）

針對(duì)目前我國(guó)急需開(kāi)展質(zhì)子單粒子效應(yīng)輻照實(shí)驗(yàn)的需求，研制了適用于質(zhì)子束流注量率監(jiān)測(cè)的次級(jí)電子發(fā)射監(jiān)督器（secondary－electron emission monitor，SEEM）。測(cè)試結(jié)果表明，SEEM在監(jiān)測(cè)注量率為109～1010cm－2·s－1的質(zhì)子束流時(shí)，其電流與注量率間的線性相關(guān)性很好，可應(yīng)用于質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)束流診斷。同時(shí)，測(cè)量了不同質(zhì)子能量下鋁的次級(jí)電子發(fā)射系數(shù)，測(cè)量值與理論計(jì)算結(jié)果吻合較好。

SEEM；質(zhì)子單粒子效應(yīng)；束流診斷

空間輻射環(huán)境中存在著大量的高能質(zhì)子，當(dāng)它們?nèi)肷涞接詈轿㈦娮悠骷袝r(shí)，會(huì)引發(fā)諸如單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)和位移損傷等輻射效應(yīng)，嚴(yán)重影響航天器正常在軌運(yùn)行［1］。利用加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束流測(cè)量宇航微電子器件的質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面曲線（σ－E曲線），已成為評(píng)估宇航微電子器件抗質(zhì)子輻射性能的主要手段之一。因此，需要準(zhǔn)確測(cè)量輻照到器件的質(zhì)子注量和能量。

在進(jìn)行質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)時(shí)，需將測(cè)量質(zhì)子注量的法拉第杯（faraday cup，F(xiàn)C）從束流中心移開(kāi)，因此，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)入射到被輻照器件的質(zhì)子注量和注量率變化情況。與攔截測(cè)量束流的FC相比，次級(jí)電子發(fā)射監(jiān)督器（secondary－electron emission monitor，SEEM）是一種束流可穿透的非攔截式診斷工具，在輻照器件時(shí)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注量率大于107cm－2·s－1的質(zhì)子束流，滿足質(zhì)子輻射效應(yīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)107～1011cm－2·s－1高注量率束流的測(cè)量需求［2］。

目前，由于缺乏質(zhì)子加速器，我國(guó)對(duì)質(zhì)子空間輻射效應(yīng)的研究尚處于初級(jí)階段。隨著航天事業(yè)的迅速發(fā)展，正在建設(shè)越來(lái)越多的質(zhì)子加速器，因此，對(duì)質(zhì)子束流診斷技術(shù)的研究迫在眉睫。本文利用北京HI－13串列加速器提供的質(zhì)子束流及單粒子效應(yīng)專用輻照裝置，對(duì)質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)束流診斷中的注量率監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，研制了適用于質(zhì)子注量率監(jiān)測(cè)的SEEM，為在中國(guó)原子能科學(xué)研究院100MeV質(zhì)子回旋加速器上開(kāi)展質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 SEEM原理

SEEM是一種常用的束流診斷工具，可用于監(jiān)測(cè)高注量率的質(zhì)子束流，并且在輻照器件時(shí)，不需要從束流中心移開(kāi)，即可在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中的束流強(qiáng)度變化，制作簡(jiǎn)便，易于安裝和調(diào)試。SEEM通常由幾層很薄的鋁箔構(gòu)成，在鋁箔奇數(shù)層上加正偏壓，偶數(shù)層作信號(hào)收集。SEEM原理如圖1所示［3］。

當(dāng)質(zhì)子穿過(guò)每層鋁箔時(shí)，都會(huì)損失能量并使鋁箔出射次級(jí)電子。信號(hào)層上出射的次級(jí)電子，在電場(chǎng)力作用下向偏壓層移動(dòng)，形成電流信號(hào)被收集，偏壓層上打出的次級(jí)電子會(huì)被重新拉回到偏壓層，因此，對(duì)電流收集無(wú)影響。

SEEM電流大小與入射質(zhì)子的能量、強(qiáng)度及SEEM的信號(hào)層數(shù)有關(guān)。質(zhì)子能量越高，其在鋁箔上損失的能量就越少，次級(jí)電子發(fā)射系數(shù)（即一個(gè)質(zhì)子使鋁箔出射的次級(jí)電子數(shù)）也越小，SEEM的信號(hào)層總電流也越低。對(duì)此，可通過(guò)增加鋁箔層數(shù)進(jìn)行彌補(bǔ)，但鋁箔層數(shù)不能太多，否則，質(zhì)子穿過(guò)SEEM時(shí)的能量損失及束流能量展寬也越大。因此，應(yīng)根據(jù)測(cè)量需要選擇合適的鋁箔層數(shù)。當(dāng)質(zhì)子束流的能量和SEEM的信號(hào)層數(shù)固定后，SEEM的電流大小與質(zhì)子束流強(qiáng)度成正比，SEEM可用于監(jiān)測(cè)質(zhì)子流強(qiáng)。

由于金屬表面發(fā)射的次級(jí)電子的動(dòng)能一般很小，主要集中在20～30eV［4］，很容易損失在空氣中，因此，SEEM只能在真空中使用。

2 SEEM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

SEEM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是根據(jù)加速器質(zhì)子束流能量，選擇合適的鋁箔厚度和層數(shù)。因?yàn)榇渭?jí)電子發(fā)射是一種發(fā)生在金屬表面的效應(yīng)，雖然在金屬內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生大量的次級(jí)電子，但其通常在運(yùn)動(dòng)到金屬表面前已耗盡能量，無(wú)法從金屬中逃逸出來(lái)，能出射的次級(jí)電子，基本上都來(lái)自金屬表層。同時(shí)，為了減小束流的能量損失，用于制作SEEM的鋁箔一般很薄，厚度約為1～10μm［4］。

為了使SEEM的電流盡可能大，以方便測(cè)量，SEEM層數(shù)的選取也很關(guān)鍵。因目前串列加速器的質(zhì)子能量不太高，鋁箔層數(shù)選取5～7層比較合適。綜合考慮測(cè)量需求，SEEM由7層鋁箔組成，每層厚度為10μm，固定在中間開(kāi)孔的銅支架片上，通過(guò)絕緣的塑料螺紋柱相互隔離，如圖2所示。奇數(shù)層加正偏壓，偶數(shù)層連接在一起作信號(hào)收集，并通過(guò)真空轉(zhuǎn)接頭將信號(hào)引出到真空室外，與靜電計(jì)相連，測(cè)量其電流大小。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)在北京HI 13串列加速器二廳的單粒子效應(yīng)專用輻照裝置上進(jìn)行，布局如圖3所示。在該裝置的T3束流診斷靶室和T4輻照靶室樣品架上，分別安裝了2個(gè)除準(zhǔn)直孔外其余條件均相同的SEEM。T3SEEM準(zhǔn)直孔為45mm×45mm，用于在束實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)束流強(qiáng)度變化。T4SEEM準(zhǔn)直孔直徑與T4FC相同，均為8mm，以便測(cè)量鋁的次級(jí)電子發(fā)射系數(shù)。T4FC用于測(cè)量輻照終端處的質(zhì)子注量率，F(xiàn)C1和FC2用于測(cè)量不同位置處的束流強(qiáng)度，用熒光屏可在調(diào)束時(shí)觀察束斑大小?？紤]到質(zhì)子實(shí)驗(yàn)輻射安全，所有數(shù)據(jù)測(cè)量與獲取均在離實(shí)驗(yàn)廳較遠(yuǎn)的測(cè)量廳通過(guò)遠(yuǎn)程控制完成。

3.1 SEEM工作偏壓選取

為了選取合適的工作偏壓，使SEEM能完全收集發(fā)射的次級(jí)電子，首先研究了SEEM所加偏壓與次級(jí)電子收集效率之間的關(guān)系。采用CAEN公司的程控高壓電源對(duì)SEEM加偏壓，可遠(yuǎn)程對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)；采用Keithley公司的可編程靜電計(jì)測(cè)量電流，測(cè)量范圍為20fA～20mA。

質(zhì)子能量為20MeV時(shí)，測(cè)量了T3SEEM所加偏壓與電荷收集效率之間的關(guān)系，如圖4所示，縱坐標(biāo)已按SEEM測(cè)得的最大電流值進(jìn)行了歸一化處理。從測(cè)量結(jié)果可以看出：SEEM所加偏壓為20V時(shí)，電荷收集效率已超過(guò)90%，次級(jí)電子能量主要集中在20eV以下；偏壓為100V時(shí)，收集效率已達(dá)100%。由此可知，發(fā)射的次級(jí)電子能量小于100eV，與文獻(xiàn)［5］測(cè)量結(jié)果一致。為保證次級(jí)電子被充分收集，SEEM工作偏壓應(yīng)大于100V。

3.2 次級(jí)電子發(fā)射系數(shù)測(cè)量

質(zhì)子在穿過(guò)鋁箔時(shí)，會(huì)使鋁箔內(nèi)部和表面產(chǎn)生大量次級(jí)電子，但最終只有一部分能逃逸，因此，次級(jí)電子的發(fā)射系數(shù)通常比較小。對(duì)于絕大部分金屬，次級(jí)電子發(fā)射系數(shù)可由式（1）［6］近似計(jì)算得出：

由式（2）可知，鋁的次級(jí)電子發(fā)射系數(shù)與入射質(zhì)子能量的平方根成反比，入射質(zhì)子能量越高，損失在鋁箔中的能量越少，則次級(jí)電子發(fā)射系數(shù)越小。

束流在傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)散或聚焦，不同位置處的質(zhì)子束流強(qiáng)度是不一樣的。在進(jìn)行次級(jí)電子發(fā)射系數(shù)測(cè)量時(shí)，利用與T4SEEM在同一平面、相同準(zhǔn)直孔下的T4FC，測(cè)量入射到T4SEEM上的質(zhì)子數(shù)Np，而次級(jí)電子數(shù)Ne可由T4SEEM的電流計(jì)算得出。如表1所列，測(cè)量了不同質(zhì)子能量下鋁的次級(jí)電子發(fā)射系數(shù)Ne／Np，并與式（2）計(jì)算出的理論值進(jìn)行對(duì)比。理論計(jì)算時(shí)，認(rèn)為SEEM每層鋁箔前后兩面發(fā)射的次級(jí)電子數(shù)相同，因此，表中的Ne已換算成單層鋁箔單面發(fā)射的次級(jí)電子數(shù)。

表1數(shù)據(jù)表明，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的質(zhì)子在鋁中的次級(jí)電子發(fā)射系數(shù)與理論計(jì)算值很接近或一致，說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法是比較準(zhǔn)確的；同時(shí)表1也表明，在計(jì)算時(shí)將SEEM每層單面發(fā)射的次級(jí)電子數(shù)假定為相同是可行的。但在17MeV時(shí)，實(shí)驗(yàn)值與理論值相差約為10%，這可能是由于質(zhì)子束流強(qiáng)度較弱，電流測(cè)量誤差較大引起的。

3.3 SEEM注量率監(jiān)測(cè)

SEEM一般可以監(jiān)測(cè)注量率為107～1012cm－2·s－1的質(zhì)子束流，測(cè)量上下限依電流測(cè)量裝置精度、環(huán)境本底噪聲和真空下散熱情況而變化。受加速器限制，在當(dāng)時(shí)可用流強(qiáng)下，測(cè)量了質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，常用注量率為109～1010cm－2·s－1范圍內(nèi)T3SEEM的電流值，如圖5所示。

圖5中橫坐標(biāo)為T3SEEM在束時(shí)，T4FC測(cè)得的輻照終端處的質(zhì)子注量率；縱坐標(biāo)為相應(yīng)注量率下T3SEEM的電流。從圖5可以看出，隨著質(zhì)子注量率的增大，SEEM電流也線性增加，SEEM可用于質(zhì)子束流注量率的監(jiān)測(cè)。在實(shí)驗(yàn)中，利用熒光屏還觀察到聚焦質(zhì)子束（束斑直徑約15 mm）通過(guò)T3SEEM后，散開(kāi)較均勻（束斑直徑約50mm）。在T4靶室輻照終端處測(cè)得的注量率相比無(wú)T3SEEM時(shí)，降低了約1～2個(gè)量級(jí)，說(shuō)明SEEM的散束效果很明顯，而質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)需要在大的均勻束斑下進(jìn)行，因此，SEEM非常適用于質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)束流診斷。

4 結(jié)語(yǔ)

為了對(duì)質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)束流注量率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研制了SEEM束流診斷工具，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和次級(jí)電子發(fā)射系數(shù)測(cè)量及理論計(jì)算分析，同時(shí)，測(cè)量了109～1010cm－2·s－1不同注量率下T3SEEM的電流值。結(jié)果表明，次級(jí)電子能量小于100eV，與文獻(xiàn)測(cè)量結(jié)果一致，次級(jí)電子發(fā)射系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與理論計(jì)算結(jié)果也比較吻合；SEEM電流隨質(zhì)子注量率呈線性增大，可用于質(zhì)子束流注量率監(jiān)測(cè)。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，項(xiàng)目組基本上掌握了質(zhì)子束流注量率監(jiān)測(cè)技術(shù)，這對(duì)完善質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)束流診斷具有重要意義。

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Development of SEEM for Beam Diagnosis in Proton Single Event Effect Experiments

SONG Lei，GUO Gang，SHEN Dong－jun，CHEN Quan，LIU Jian－cheng，HE An－lin，HAN Jin－h(huán)ua，F(xiàn)AN Hui，SHI Shu－ting
（China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China）

In urgent demands for proton irradiation experiments on single event effects，a secondary－electron emission monitor（SEEM）suitable for monitoring proton flux density was manufactured.The test results show that，for the proton flux density of 109～1010cm－2·s－1，the SEEM has a very good current－flux density linearity，which can be used for beam diagnosis in proton single event effects.The theoretical calculations for secondary electron emission coefficient of aluminum indicate a good agreement with the experimental results.

SEEM；proton single event effect；beam diagnosis

O571.1

A

2095 6223（2015）03 151 04

2015 04 09；

2015 07 07

宋雷（1988－），男，四川遂寧人，碩士研究生，主要從事質(zhì)子單粒子效應(yīng)束流測(cè)量技術(shù)研究。

E－mail：lei.song＠163.com