重離子誘發(fā)二次光子位置測量技術(shù)研究

王 惠 郭 剛 史淑廷 范 輝

(中國原子能科學(xué)研究院，中國 北京 102413)

0 引言

單粒子效應(yīng)地面模擬試驗研究中，微束裝置可以將束斑限制在微米量級，考察芯片不同微觀區(qū)域的敏感度，促進(jìn)了單粒子效應(yīng)機理研究的發(fā)展[1]。隨著芯片生產(chǎn)工藝進(jìn)步，芯片特征尺寸已由微米量級降至納米量級，現(xiàn)有重離子微束裝置最小束斑尺寸約為1μm，且由于技術(shù)因素的限制，很難進(jìn)一步減小[2]。面對上述問題，美國桑迪亞實驗室提出建設(shè)IPEM 裝置的新思路。與現(xiàn)有微束相比，IPEM 具有較高的實驗效率，目前分辨率已達(dá)微米量級[4]，未來可能會得到進(jìn)一步減小。本文針對IPEM 研制需求，為探索入射離子位置測量這一關(guān)鍵技術(shù)，率先開展二次光子位置測量技術(shù)研究。

1 IPEM 原理簡介

IPEM（Ion Photon Emission Microscopy）需在樣品表面覆蓋一層發(fā)光薄膜，實驗時利用非聚焦束流照射，薄膜沉積少量能量并產(chǎn)生二次光子，收集和測量二次光子獲得入射離子位置信息，待測樣品沉積大部分能量并產(chǎn)生單粒子效應(yīng)，將樣品單粒子效應(yīng)信息與入射離子位置信息相結(jié)合，從而得到相應(yīng)的二維圖譜。

IPEM 裝置與現(xiàn)有微束裝置“先確定入射離子位置再輻照”的工作過程明顯不同，因此如何利用二次光子確定入射離子位置是裝置關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國外裝置大都使用單光子位置靈敏探測器，這種探測器性能優(yōu)異，但訂貨周期較長[5]。為盡快開展相關(guān)研究，研究組決定暫時采用CCD，對二次光子位置測量技術(shù)進(jìn)行探索。

圖1 IPEM 工作原理示意圖

圖2 實驗裝置整體布局示意圖

2 實驗設(shè)置與流程

實驗是在北京HI-13 串列加速器單粒子效輻照裝置上進(jìn)行，利用158MeV 的Cl 離子入射ZnS(Ag)材料，搭建基于顯微鏡的CCD 成像裝置對二次光子進(jìn)行測量。實驗裝置整體布局如圖2 所示，ZnS(Ag)屏傾斜30°安裝在樣品架上，屏上緊貼直徑200μm 的限束光闌；顯微鏡放置在限束光闌垂直方向，顯微鏡后安裝CCD 用于采集圖像。

實驗流程包括激光對中、顯微鏡對焦、束斑調(diào)整和CCD 觀察等。通過激光對中將限束光闌移動到束流位置，隨后顯微鏡對焦，直到清晰看到ZnS(Ag)表層。調(diào)整束斑位置，使其覆蓋整個限束光闌。最終在不同注量率下，CCD 觀察材料發(fā)光情況。

3 實驗結(jié)果與分析

實驗選用三種不同注量率 105ions/cm2/s、3×106ions/cm2/s、2×107ions/cm2/s，圖3為不同注量率下CCD 觀察到的典型ZnS(Ag)圖像。在注量率為105ions/cm2/s 時，CCD 視野中光點逐個出現(xiàn)，其圖像如圖3左圖所示；在注量率為3×106ions/cm2/s 時，CCD 視野中光斑呈現(xiàn)團狀，能夠勉強分辨單個光點形狀，其圖像如圖3 中圖所示；在注量率為2×107ions/cm2/s 時，CCD 視野呈現(xiàn)為整個亮光斑，無法再分辨單個光點形狀，其圖像如圖3 右圖所示。

圖3 不同注量率下ZnS(Ag)發(fā)光情況

首先對二次光子在CCD 處的照度進(jìn)行估算。根據(jù)文獻(xiàn)和理論估算，一個Cl 離子在ZnS(Ag)中產(chǎn)生的光子數(shù)約為1.1×104，實驗所用光學(xué)系統(tǒng)總效率約為0.0128。所以CCD 收集到的光子數(shù)N 約為132 個。故CCD 處平均輻射通量P=N·hν/t=2.9×10-10W。CCD 對應(yīng)照度約為P·Km·V/S=0.96lx。因此，單個離子產(chǎn)生的光點照度超過了CCD 最低照度（3×10-4lx）要求，CCD 具有測量單個離子在ZnS(Ag)處產(chǎn)生的二次光子的能力。

實驗中入射離子數(shù)量的分布滿足泊松分布P(n)=mn×e-m/n!。利用泊松公式計算在CCD 單幀時間內(nèi)入射離子數(shù)的概率分布。根據(jù)泊松公式可知，在不同注量率下，入射離子數(shù)的最大概率出現(xiàn)在入射離子為1 個、12 個、80 時，這與圖3 中CCD 圖像的光點數(shù)在量級上是一致的。

通過對實驗結(jié)果分析，實驗所用CCD 具備測量二次光子的能力，在幾種不同注量率下，實際觀察光點符合入射離子數(shù)量概率分布，故圖3 左圖單個光點代表確代表單個入射離子。

4 結(jié)論

本文針對IPEM 入射離子位置測量這一關(guān)鍵問題，開展了離子誘發(fā)二次光子位置測量研究。通過搭建光學(xué)系統(tǒng)，使用CCD 對Cl 離子打在ZnS(Ag)后的發(fā)光現(xiàn)象進(jìn)行觀測。通過數(shù)據(jù)分析，確認(rèn)注量率為105ions/cm2/s 時CCD 觀察到的光點代表著單個入射離子。研究組據(jù)此將建立CCD 二次光子測量系統(tǒng)，推進(jìn)IPEM 進(jìn)一步建設(shè)。

［1］F.W.Sexton.Microbeam Studies of Sigle-Event Effects [J].IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE,1996(43)NO.2：687-695.

［2］D.F.Heidel,U.H.Bapst,et al.Ion Microbeam Radiation System [J].IEEE TRANSACTIONS ONNUCLEARSCIENCE,1993(40)NO.2：127-134.

［3］B.L.Doyle, D.S.Walsh, et al.Nuclear emission microscopies[J].NIMB,2001：199-210.

［4］J.V.Branson, B.L.Doyle, et al.The ion photon emission microscope on SNL’s nuclear microprobe and in LBNL’s cyclotron facility [J].NIMB 267,2009：2085-2089.

［5］Quantar Technology INC., 2620A Mission Street, Santa Cruz, CA 95060[Z].