CN202102117U - 单粒子试验重离子束流诊断装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于器件抗单粒子效应性能评估试验技术，具体涉及一种单粒子试验重离子束流诊断装置及相关测量方法。单粒子试验重离子束流诊断装置设置在样品辐照靶室内，在样品辐照靶室的束流入口处设有由多路探测器组成的监督器组，探测器分布在入口光栏的周围；在样品辐照靶室的中心样品架上设有由多路探测器组成的样品探测器组，样品架与样品移动控制系统连接，并能够带动样品探测器组在水平和垂直方向上移动；所述的监督器组和样品探测器组的每路探测器分别通过电子学线路与计算机连接。本实用新型减少了辐照注量测量的误差，并能够实现加速器重离子束斑大小以及均匀性的测量。

Description

单粒子试验重离子束流诊断装置

技术领域

本实用新型属于器件抗单粒子效应性能评估试验技术，具体涉及一种单粒子试验重离子束流诊断装置。 

背景技术

北京HI-13串列加速器是目前国内非常适于开展星用器件抗单粒子效应性能评估用的地面模拟试验加速器。在过去十多年里，一直利用Q3D磁谱仪设备，在串列加速器上开展了大量星用器件抗单粒子效应性能评估地面模拟试验(以下简称单粒子试验)。 

单粒子试验通常需要准确获得辐照样品的重离子注量，同时根据单粒子效应情况，对辐照样品的注量率也有一定的范围要求。另外单粒子试验对辐照样品的重离子束斑大小及辐照束斑均匀性都有一定要求。因此，在利用加速器重离子开展单粒子试验时，需要掌握重离子束流诊断技术。 

基于Q3D磁谱仪设备，原有的重离子束流诊断装置分别在小靶室和探测器室放置两个金硅面垒探测器(MON与SDA)，束流到达探测器室时，移动探测器室的金硅面垒探测器SDA，将其移至束流中心位置，与小靶室的金硅面垒探测器MON(监督器)同时进行测量，获得注量比例系数K。 

$K=\frac{N_{\mathrm{SDA}}}{N_{\mathrm{MON}}}$

式中N_SDA为SDA探测器所测到的单位面积(cm²)的计数，N_MON为MON探测器所测到的单位面积(cm²)的计数。 

然后在辐照样品的同时用金硅面垒探测器MON(监督器)监督束流注量，通 过注量比例系数K反推就可以控制并获得样品辐照注量。 

N_sample＝K×N_MON′

式中N_MON′为在辐照样品的同时监督器MON探测器所测到的单位面积(cm²)的计数，N_sample为样品单位面积(cm²)辐照注量。 

这种样品辐照注量测量方法存在的缺点是两个金硅面垒探测器MON与SDA距离过远，再加上由于角度的关系，两处注量分布情况很不一样，探测到的MON与SDA计数经常相差很大，造成样品辐照注量测量存在较大统计误差。通过长期对试验数据的统计表明，样品辐照注量相对统计误差达到29％。影响样品辐照注量的准确测量。 

原有装置重离子束斑注量分布均匀性的测试采取的是离线测量方法，通过辐照剂量胶片获得重离子注量分布信息，试验后再对辐照的剂量胶片进行图像扫描分析，获得束斑尺寸及注量分布信息。这种方法存在的缺点是不能实时获得重离子注量分布均匀性，只有离线分析才能事后获得。另外，对剂量胶片的图像分析目前也只停留在定性分析基础上，还未掌握定量分析技术。 

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的缺陷以及单粒子试验发展的需要，提供一种单粒子试验重离子束流诊断装置，以提高样品辐照注量测量的准确度。 

本实用新型的技术方案如下：一种单粒子试验重离子束流诊断装置，设置在样品辐照靶室内，在样品辐照靶室的束流入口处设有由多路探测器组成的监督器组，探测器分布在入口光栏的周围；在样品辐照靶室的中心样品架上设有由多路探测器组成的样品探测器组，样品架与样品移动控制系统连接，并能够带动样品探测器组在水平和垂直方向上移动；所述的监督器组和样品探测器 组的每路探测器分别通过电子学线路与计算机连接。 

进一步，如上所述的单粒子试验重离子束流诊断装置，其中，所述的监督器组和样品探测器组的探测器均为金硅面垒探测器。 

进一步，如上所述的单粒子试验重离子束流诊断装置，其中，所述的每路金硅面垒探测器的电子学线路包括前置放大器和放大器，将探测到的离子注量信息信号放大后，送入定时计数器进行计数，定时计数器将计数结果输入计算机程序。 

进一步，如上所述的单粒子试验重离子束流诊断装置，其中，所述的监督器组包括四路金硅面垒探测器，均匀分布在入口光栏的四周，上下金硅面垒探测器的间距和左右金硅面垒探测器的间距相等。 

更进一步，如上所述的单粒子试验重离子束流诊断装置，其中，所述的监督器组的每路金硅面垒探测器的前准直孔直径均为Φ3mm，上下和左右金硅面垒探测器分别间距96mm。 

进一步，如上所述的单粒子试验重离子束流诊断装置，其中，所述的样品探测器组包括五路金硅面垒探测器，以一个探测器为中心，其余四个探测器在其外围均匀设置。 

更进一步，如上所述的单粒子试验重离子束流诊断装置，其中，所述的样品探测器组的每路金硅面垒探测器的前准直孔直径均为Φ3mm，外围相邻的四路探测器的间距为50mm。 

本实用新型的有益效果如下：本实用新型将监督器组和样品探测器组的探测器均设置在样品辐照靶室内，监督器组距样品处探测器组仅几十厘米的距离，两处注量分布情况基本一致，减少了辐照注量测量的误差；样品移动控制系统能够灵活的控制样品探测器组中的探测器进行水平和垂直方向的移动，从而实现了加速器重离子束斑大小以及均匀性的测量，并能够通过监督器组实时 监督加速器重离子大束斑均匀性，满足了单粒子试验发展的需要。 

附图说明

图1为本实用新型单粒子试验重离子束流诊断装置的结构示意图； 

图2为监督器组设置结构示意图； 

图3为样品探测器组设置结构示意图； 

图4为与探测器连接的电子学线路原理框图； 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。 

为了适应单粒子试验发展需要，2009年重离子单粒子效应专用辐照装置在串列加速器实验二厅建成。这套装置针对重离子单粒子试验特点而设计，可获得辐照器件所需的重离子大束斑(5cm×5cm)且束斑注量分布非均匀性小于±10％。随着装置的建成，对重离子束流诊断技术也提出了新的要求。为了获得单粒子适应辐照样品所需的离子注量、注量率、束斑大小、辐照注量均匀性等信息，需要解决重离子束流诊断技术，建立重离子束流诊断装置。 

基于北京HI-13串列加速器重离子单粒子效应专用辐照装置，在该装置样品辐照靶室内搭建单粒子试验重离子束流诊断装置，其基本结构如图1-3所示。装置主要由三部分构成，样品辐照靶室束流入口处监督器组1、辐照样品处探测器组2、样品移动控制系统3。 

在样品辐照靶室4的束流入口5的内侧设有由多路金硅面垒探测器组成的监督器组1，金硅面垒探测器分布在入口光栏的周围，如图2所示，本实施例中监督器组包括四路金硅面垒探测器7(分别记为M1至M4)，均匀分布在入口光栏8(尺寸为60mm×60mm)的四周，上下金硅面垒探测器的间距和左右金硅面垒探测器的间距相等。本实施例中，每路金硅面垒探测器的前准 直孔直径均为Φ3mm，上下和左右探测器分别间距96mm。每路探测器(作为监督器)探测到的离子注量信息形成信号，经前置放大器和放大器放大后，送入定时计数器PXI6602进行计数，然后通过Labview计算机程序，将计数结果直观地实时显示在计算机屏幕。每路金硅面垒探测器连接的电子学线路如图4所示。 

本实用新型中监督器组的探测器并不局限于金硅面垒探测器，其它半导体探测器也可以考虑使用，但从经济性和适用性来衡量，结合装置的实用性，金硅面垒探测器是最佳的选择。另外，金硅面垒探测器在入口光栏周围的布置形式也可以进行任意的设计，本实施例所提供的分布方式可视为一种最佳的设计方案。 

在样品辐照靶室4的中心样品架6上设有由多路金硅面垒探测器组成的样品探测器组2，样品架6与样品移动控制系统3连接，并能够带动样品探测器组2在水平和垂直方向上移动。本实施例中样品探测器组2包括五路金硅面垒探测器9(分别记为S 1至S5)，以一个探测器为中心，其余四个探测器在其外围均匀设置。样品探测器组的每路金硅面垒探测器的前准直孔直径均为Φ3mm，外围相邻的四路探测器的间距为50mm。每路探测器电子学线路与上述监督器组探测器的电子学线路相同，如图4所示。 

同监督器组的情况类似，本实用新型中样品探测器组的探测器并不局限于金硅面垒探测器，其它半导体探测器也可以考虑使用，但从经济性和适用性来衡量，结合装置的实用性，金硅面垒探测器是最佳的选择。另外，金硅面垒探测器的布置形式也可以进行任意的设计，本实施例所提供的布置方式可视为一种最佳的设计方案。 

样品辐照靶室底部设有一样品移动控制系统3，该系统可控制附于样品架6上的探测器组2沿与束流剖面水平、垂直移动，从而实现对辐照样品处重离子束斑的扫描。样品移动控制系统3采用通用的丝杠调节结构，包括一 根竖直丝杠和一根水平丝杠，样品架6通过连接件与竖直丝杠连接，竖直丝杠下部通过连接件与水平丝杠连接，竖直丝杠和水平丝杠分别通过电机带动，从而实现样品架的水平、垂直移动，这种机构对于本领域的技术人员是显而易见的公知常识。另外，在水平丝杠机构下部，还可以设置一个转动机构，使样品架可以在水平面内旋转一定的角度。 

此装置可实现单粒子试验中重离子束流诊断。具体方法如下： 

1)样品辐照注量和注量率的探测 

使用样品探测器组中任一探测器(例如S1)，通过样品移动控制系统将该探测器移至束流中心(辐照样品处)，在监督器组中任选一监督器(例如M1)，同时对M1、S 1探测计数，获得注量比例系数K。 

$K=\frac{N_{S1}}{N_{M1}}$

式中，N_S1为S1探测器所测到的单位面积(cm²)的计数，N_M1为M1探测器所测到的单位面积(cm²)的计数。 

然后移开S1，辐照样品，同时使用M1监督束流注量，通过注量比例系数K反推就可以控制并获得样品辐照注量。 

N_sample＝K×N_M1′

式中，N_M1′为在辐照样品的同时监督器M1探测器所测到的单位面积(cm²)的计数，N_sample为样品单位面积(cm²)辐照注量。 

这种方法的优点在于监督器组和样品处探测器组都设置在样品辐照靶室内，监督器组距样品处探测器组仅50cm(离扩束源点800cm)，两处注量分布情况基本一致，减少了测量系统误差。 

在上样品辐照测量中，通过测量辐照时间，可以获得样品辐照注量率。 

以具体的数据进行实施例的说明如下： 

利用串列加速器产生的140MeV的³⁵Cl重离子束，通过重离子单粒子效应专用辐照装置获得单粒子试验所需的束斑，对此束斑进行注量、注量率的 测量。 

将S1该探测器移至束流中心(辐照样品处)，同时对M1、S1探测计数，获得单位面积(cm²)M1、S1计数分别为5610、5520。因此注量比例系数K为： 

$K=\frac{N_{S1}}{N_{M1}}=\frac{5520}{5610}=0.98$

然后移开S1，辐照样品，同时使用M1监督束流注量，获得单位面积(cm²)M1计数为6000，因此单位面积(cm²)样品辐照注量为： 

N_sample＝K×N_M1′＝6000*0.98＝5880(ions/cm²) 

在上注样品辐照测量中，共辐照300秒，因此样品辐照注量率为： 

5880/300＝19.6(ions/cm²/sec) 

2)重离子束斑大小的测量 

在辐照样品处，通过移动样品处探测器组沿束流剖面进行扫描，同时探测重离子注量，根据重离子注量的改变情况可确定重离子束斑大小。本实施例设定当重离子注量发生大于50％的变化时，确定探测器当前位置处于重离子束斑的边缘。 

以具体的数据进行实施例的说明如下： 

通过移动样品处探测器组沿束流剖面进行水平扫描，发现当S5移至坐标为(-60，0)与(60，0)时，探测到的重离子注量分别为5500和5320，与(0，0)位置重离子注量5430基本相同，移至(-65，0)与(65，0)时，探测到的重离子注量分别为230和450。据此可判断水平方向重离子束斑尺寸为120mm，同样对束流剖面垂直方向进行扫描，结果获得垂直方向重离子束斑尺寸也为120mm。因此可确定此重离子束斑大小为120mm×120mm。 

3)重离子束斑均匀性的测量 

单粒子试验中待测样品平面上各点重离子辐照注量应保持一致，在某种程度上重离子束斑均匀性会直接影响到样品辐照注量测量的精确度。我们通过建立的重离子束流诊断装置可以实现重离子束斑均匀性的测量，具体方法如下： 

在上述确定重离子束斑大小的同时，我们也就获得了束斑中心位置，将样品处探测器组的中心探测器S 5移至束斑中心位置，并将此位置坐标记为(0，0)。然后利用5路探测器对重离子束斑进行扫描测量，即可获得重离子束斑注量分布均匀性信息。 

以具体的数据进行实施例的说明如下： 

在上述确定重离子束斑大小的同时，我们也就获得了束斑中心位置，并已将S 5移至束斑中心位坐标位置记为(0，0)。然后利用5路探测器对重离子束斑进行扫描测量，扫描间隔10mm，各扫描位置测试时间为300秒。扫描结束后对150mm×150mm范围内扫描所测到的实验数据进行处理。将各扫描位置点所测计数减去所有扫描位置点所测计数的平均值后除以该平均值，获得束斑注量分布非均匀性与位置关系的二维分布图(如图5所示)，图中数据为各点测量值的相对偏差。 

按照下述计算公式分别计算出束斑面积75mm×75mm、50mm×50mm范围内的平均值 标准偏差σ，得到出相对标准偏差即束流分布非均匀性指标。 

$\stackrel{\‾}{N}=\frac{\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{N}_i}{k},$ $\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{k-1}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{(N_i-\stackrel{\‾}{N})}^2},$

上述公式中，k为选定的束斑面积内所有位置点的总数，N_i为任意一个位置点所测的计数， 为束斑面积内所有位置点的计数的平均值。 

根据以上分析计算，可以知道在50mm×50mm内束流分布统计误差小于4.5％，即束流分布非均匀性小于4.5％。 

4)重离子束斑均匀性的实时监督 

在辐照样品的同时，利用监督器组同时对束斑注量进行监测，根据各监督器测到的计数，就可实时获得重离子束斑的均匀性，从而实现了重离子束斑均匀性的实时监督。 

以具体的数据进行实施例的说明如下： 

在辐照样品的同时，利用监督器组同时对束斑注量进行监测，分别获得各监督器计数为5620、5537、5580、5726，通过求平均值，然后将各计数值减平均值后除平均值，获得各点相对偏差分别为0.1％、1.4％、0.6％、2.0％。从计算已通过计算机编程实时显示，因此据此可实时判断重离子束斑注量均匀性是否满足试验要求，从而实现了重离子束斑均匀性的实时监督。本实用新型设定的合理的偏差范围为±10％，也就是说，各点的相对偏差在10％的范围内变化时，可确定重离子束斑注量均匀性是满足试验要求的，如果超过10％的变化范围，就视为重离子束斑注量均匀性已经不能满足试验要求了。 

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其同等技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。 

Claims (7)

1.一种单粒子试验重离子束流诊断装置，设置在样品辐照靶室内，其特征在于：在样品辐照靶室的束流入口处设有由多路探测器组成的监督器组，探测器分布在入口光栏的周围；在样品辐照靶室的中心样品架上设有由多路探测器组成的样品探测器组，样品架与样品移动控制系统连接，并能够带动样品探测器组在水平和垂直方向上移动；所述的监督器组和样品探测器组的每路探测器分别通过电子学线路与计算机连接。

2.如权利要求1所述的单粒子试验重离子束流诊断装置，其特征在于：所述的监督器组和样品探测器组的探测器均为金硅面垒探测器。

3.如权利要求2所述的单粒子试验重离子束流诊断装置，其特征在于：所述的每路金硅面垒探测器的电子学线路包括前置放大器和放大器，将探测到的离子注量信息信号放大后，送入定时计数器进行计数，定时计数器将计数结果输入计算机程序。

4.如权利要求2或3所述的单粒子试验重离子束流诊断装置，其特征在于：所述的监督器组包括四路金硅面垒探测器，均匀分布在入口光栏的四周，上下金硅面垒探测器的间距和左右金硅面垒探测器的间距相等。

5.如权利要求4所述的单粒子试验重离子束流诊断装置，其特征在于：所述的监督器组的每路金硅面垒探测器的前准直孔直径均为Ф3mm，上下和左右金硅面垒探测器分别间距96mm。

6.如权利要求2或3所述的单粒子试验重离子束流诊断装置，其特征在于：所述的样品探测器组包括五路金硅面垒探测器，以一个探测器为中心，其余四个探测器在其外围均匀设置。

7.如权利要求6所述的单粒子试验重离子束流诊断装置，其特征在于：所述的样品探测器组的每路金硅面垒探测器的前准直孔直径均为Ф3mm，外围相邻的四路探测器的间距为50mm。

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