混合离子束各成分束流强度及注入剂量的实时监测方法

摘要

本发明提供了一种对混合离子束各离子成分束流强度及注入剂量的实时监测方法。本发明提出的监测方法是基于当离子穿过固体薄片时，如果固体薄片的材质和厚度保持不变，束流的放大系数仅与入射离子本身的性质有关，而改变固体薄片的材质或厚度，束流的放大系数也会随之改变。根据这些物理规律和特点，测定入射混合离子在穿过固体薄片前后束流强度或其积分量的变化，便可以确定混合离子束辐照样品时各离子成分的束流强度或注入剂量。本发明对待测混合离子束各成分离子的种类和数目、束流强度间的相互比例关系以及稳定性均没有特别的限制。本发明的监测方法简单明了，成本低，使用可靠。

说明书

技术领域

本发明属于离子束技术应用领域，尤其涉及一种混合离子束各成分的束流强度的实 时监测方法及注入剂量的实时监测方法。

背景技术

近年来，随着核能技术的迅速发展和人类对宇宙太空探索的不断进取，应用于核能系统 的核材料以及应用于宇宙太空探索的各类半导体电子学器件的抗辐照性能受到越来越广泛的 重视，尤其是相关材料和器件在其所处的辐照环境下它们各自所拥有的诸如物理的、化学的、 机械的、电学的、光学的等性能的变化成为了人们关注和研究的焦点。由于真实辐照环境的 复杂性、危险性、不易触及性及非普遍性，要身临其境地开展相关问题的研究既不科学也不 现实，而加速器离子束辐照技术为这些研究工作的开展提供了一种最为简单、最为直接、最 为安全和最为可靠的模拟实验研究手段，是被公认和普遍接受的模拟研究方法之一。

在用加速器离子束辐照技术开展相关模拟研究过程中，离子束注入剂量的准确监测对所 有应用离子束辐照技术开展的研究工作都有着极为重要的意义，这是因为：一般情况下，离 子束辐照注入剂量的大小会直接影响到离子束辐照效应的结果，因此相关结论的获得必然与 离子束辐照注入剂量的大小密不可分。

当用单一成分的离子束对所研究的样品进行辐照时，离子辐照注入剂量的监测比较简单， 通常是利用束流积分仪对其测束装置(如法拉第杯)输出的束流随辐照时间进行电荷量积分 即可实现。由于辐照离子为单一成分，所以在离子束辐照过程中，即使存在着束流强度的起 伏变化，也并不影响最终对离子辐照注入总剂量的准确测量。

但是当用两种以上的混合离子束同时对同一样品进行辐照时，情况则完全不同。由于各 束流成分之间不存在必然的量化关系，每种离子的电荷态多数情况下也互不相同，而且各种 成分的离子束在长时间辐照过程中束流强度不可能是一成不变的，其中的涨落是随机的，且 相互之间的起伏变化并不存在必然的联系。这种情况下，上述利用束流积分仪与一测束装置 相连的简单测量方法已经不可能实现对离子辐照总注入剂量及各离子束流成分的分注入剂量 的准确监测。目前，两种以上的离子束同时辐照同一样品的研究工作还处于初级阶段，但如 何实现对多离子混合束辐照总注入剂量及各离子束成分分注入剂量的实时监测成为了多离子 混合束辐照技术中必须面对的关键性问题，而现有离子束辐照技术中还没有一个行之有效的 解决方法。

发明内容

针对现有技术中当两种以上的混合离子束同时辐照同一样品时，尚没有一个行之有效的 对离子束辐照总注入剂量及各束流成分注入剂量进行准确可靠的监测方法这一问题，本发明 提出一种混合离子束各成分束流强度的实时监测方法及注入剂量的实时监测方法，利用该方 法对辐照束流取样分析，可以准确获知各束流成分辐照样品时的大小，从而实现对多离子混 合束辐照总注入剂量及各束流成分的实时、在线、准确监测。

当高能离子穿过固体薄片时，其部分或全部外层电子将被剥离。入射的离子的外层电子 被剥离导致了穿过固体薄片的出射的离子的电荷态增加，其电荷态的增加将导致其束流强度 的增加，这里将穿过固体薄片的出射束流强度与未穿过固体薄片时的入射束流强度之比称为 束流的放大系数。影响束流放大系数的唯一因素为入射离子外层电子被剥离的多少，而外层 电子被剥离的多少与以下两个因素有关：(1)入射离子的种类及能量，(2)固体薄片的材质 及厚度，前者由离子束本身性质决定，后者为外部因素。所以在为外部因素的固体薄片的材 质及厚度固定的情况下，则束流的放大系数就只取决于入射束流本身的性质。而在入射离子 本身性质确定的情况下，改变为外部因素的固体薄片的材质及厚度，同样也可以导致束流放 大系数的改变。本发明正是利用这些特点实现对混合离子束各成分束流强度及注入剂量的实 时、在线、准确监测。

本发明的监测方法中采用的取样测束法拉第杯包括：接收入射的混合离子束的金属接收 筒，通过设置在其侧壁上的穿线孔输出与电流计或束流积分仪相连，实现对束流的监测；在 金属接收筒外套装一接地的金属屏蔽筒，其功能为屏蔽掉外来杂散离子及二次电子对束流准 确监测的干扰；金属接收筒与接地的金属屏蔽筒之间有一绝缘隔离层；抑制电极通过绝缘隔 离圈固定在接地的金属屏蔽筒的端口上，用于抑制金属接收筒上产生的二次电子；绝缘隔离 圈与金属接收筒不直接接触；抑制电极与金属接收筒的端口之间有一定的间隙；绝缘隔离层 与绝缘隔离圈无直接接触，之间存在一定的间隙。

本发明的一个目的在于提供一种混合离子束各成分的束流强度的实时监测方法。

本发明的混合离子束各成分的束流强度的实时监测方法对N种成分的高能混合离子束辐 照样品时，包括以下步骤：

(1)选取取样测束法拉第杯：选取与混合离子束的成分的数目N相同的结构完全 一致的测量束流强度的取样测束法拉第杯N个，并行放置于待测混合离子束中，并分别 与N个电流计或束流积分仪相连接，其中N为≥2的自然数；

(2)选取固体薄片：选取N-1个对于N种混合离子束中的每一种离子束的束流放 大系数均不同的固体薄片，分别放置在N-1个取样测束法拉第杯前，固体薄片厚度的选 取原则为其厚度不能大于N种高能混合离子束中的任一种离子束穿过该类固体薄片后达 到电荷态平衡状态时所需的最小厚度；

(3)确定束流放大系数：从源头拦截N种束流成分中的其它束流，只让第一种束 流入射，记录N个取样测束法拉第杯同一时间测量到的束流强度分别为I₁₁、I₁₂、.....、 I_1N，则第一种入射束流穿过N-1个固体薄片后的束流放大系数依次为：K₁₂＝I₁₂/I₁₁、.......、 K_1N＝I_1N/I₁₁；类似的可得到第M种束流穿过N-1个固体薄片后的束流放大系数依次为： K_M2＝I_M2/I_M1、.......、K_MN＝I_MN/I_M1；依次类推完成对N种束流成分穿过不同固体薄片后 束流放大系数的确定，其中，I_M1为未放置任何固体薄片取样测束法拉第杯测得的第M 种束流的束流强度，I_M2、.....、I_MN依次为放置不同固体薄片的取样测束法拉第杯测得的 第M种束流的束流强度，M为自然数且1≤M≤N；

(4)确定混合离子束辐照样品时各离子成分的束流强度：混合离子束辐照样品时各 取样测速法拉第杯测得的束流强度分别记为I₁、I₂、......、I_N，入射混合离子束中待确定 各离子成分的束流强度分别设定为X₁、X₂、......、X_N，于是有：

X₁+X₂+......+X_N＝I₁(1)

K₁₂X₁+K₂₂X₂+......+K_N2X_N＝I₂(2)

......

K_1MX₁+K_2MX₂+......+K_NMX_N＝I_M    (M)

......

K_1NX₁+K_2NX₂+......+K_NNX_N＝I_N    (N)

解由此N个方程组成的方程组即可求得入射混合离子束中各离子成分的束流强度X₁、 X₂、......、X_N。

在步骤(2)中，N-1固体薄片材质相同但厚度不同，从而对于N种混合离子束中的每 一种离子束的束流放大系数均不同；或者N-1固体薄片厚度相同但材质不同，从而对于N种 混合离子束中的每一种离子束的束流放大系数均不同。

本发明的另一个目的在于提供一种混合离子束各成分的注入剂量的实时监测方法。

对于长时间连续辐照各成分离子注入剂量的确定，将上述N个取样测速法拉第杯分别与 N个束流积分仪相连接，利用束流积分仪的积分功能测量一定时间内电荷量的积分总值，便 可确定一定时间内混合离子束辐照样品时各离子成分的分电荷量辐照剂量，从而准确获知该 时间段内各离子成分的辐照离子注入剂量。

本发明的混合离子束各成分的注入剂量的实时监测方法对N种成分的高能混合离子束辐 照样品时，包括以下步骤：

(1)选取取样测束法拉第杯：选取与混合离子束的成分的数目N相同的结构完全 一致的测量束流强度的取样测束法拉第杯N个，并行放置于待测混合离子束中，并分别 与N个束流积分仪相连接，其中N为≥2的自然数；

(2)选取固体薄片：选取N-1个对于N种混合离子束中的每一种离子束的束流放 大系数均不同的固体薄片，分别放置在N-1个取样测束法拉第杯前，固体薄片厚度的选 取原则为其厚度不能大于N种高能混合离子束中的任一重离子束穿过该类固体薄片后达 到电荷态平衡状态时所需的最小厚度；

(3)确定束流放大系数：从源头拦截N种束流成分中的其它束流，只让第一种束 流入射，记录N个取样测束法拉第杯同一时间测量到的束流强度分别为I₁₁、I₁₂、.....、 I_1N，则第一种入射束流穿过N-1个固体薄片后的束流放大系数依次为：K₁₂＝I₁₂/I₁₁、.......、 K_1N＝I_1N/I₁₁；类似的可得到第M种束流穿过N-1个固体薄片后的束流放大系数依次为： K_M2＝I_M2/I_M1、.......、K_MN＝I_MN/I_M1；依次类推完成对N种束流成分穿过不同固体薄片后 束流放大系数的确定，其中，I_M1为未放置任何固体薄片取样测束法拉第杯测得的第M 种束流的束流强度，I_M2、.....、I_MN依次为放置不同固体薄片的取样测束法拉第杯测得的 第M种束流的束流强度，M为自然数且1≤M≤N；

(4)确定混合离子束辐照样品时各离子成分的注入剂量：束流积分仪经过时间T 后测得混合离子束辐照样品时各取样测速法拉第杯的电荷量为Q₁、Q₂、......、Q_N，入射 混合离子束中待确定各离子成分的电荷量分别设定为X₁、X₂、......、X_N，于是有：

X₁+X₂+......+X_N＝Q₁(1)

K₁₂X₁+K₂₂X₂+......+K_N2X_N＝Q₂(2)

......

K_1MX₁+K_2MX₂+......+K_NMX_N＝Q_M    (M)

......

K_1NX₁+K_2NX₂+......+K_NNX_N＝Q_N    (N)

解由此N个方程组成的方程组即可求得入射混合离子束中各离子成分的电荷量分别为 X₁、X₂、......、X_N，然后将电荷量换算成注入剂量即单位面积的离子个数，从而得到入射混 合离子束中各离子成分的注入剂量。

在步骤(2)中，N-1个对于N种混合离子束中的每一种离子束的束流放大系数均不同 的固体薄片，可以是材料相同但厚度不同，从而对于N种混合离子束中的每一种离子束的束 流放大系数均不同；也可以是厚度相同但材料不同，从而对于N种混合离子束中的每一种离 子束的束流放大系数均不同。

本发明的优点：

(1)实现了对多成分混合离子束辐照样品时辐照总注入剂量及各束流成分分注入剂量的实 时、在线、准确监测；

(2)巧妙地利用了高能带电粒子穿过固体薄片后电荷态增加的物理规律；

(3)对待测混合离子束各成分离子的种类及数目没有限制；

(4)对待测混合离子束各成分离子间的束流强度相互比例关系没有限制；

(5)对待测混合离子束各成分离子束流强度的稳定性没有限制；

(6)待测混合离子束中任一离子成分的束流强度在辐照过程中的起伏变化，既不会影响到对 其它离子成分最终辐照注入剂量的准确测量，也不会对该成分离子本身最终辐照注入剂量的 准确测量造成影响；

(7)特殊的取样测速法拉第杯的使用，去除了大面积束流打到靶室壁上及其它物体上产生的 二次电子及其散射离子对测量准确性的影响；

(8)方法简单明了，成本低，使用可靠。

附图说明

图1是取样测速法拉第杯的结构示意图；

图2为束流入口处放置固体薄片的取样测速法拉第杯的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明采用的取样测速法拉第杯包括：金属屏蔽筒1；绝缘隔离层2；金属 接收筒3；绝缘隔离圈4；抑制电极5；以及穿线孔6。在图1中，7为待测束流。

如图2所示，在取样测速法拉第杯和待测束流之间放置固体拨片8。

下面结合实施例详细说明本发明的实施方式。

两台加速器产生的大面积3MeV的质子与25MeV的Si⁴⁺均匀混合束，各自的流强可调。 两种离子的混合束辐照样品时各成分的注入剂量的监测方法：

(1)选取取样测速法拉第杯：依据图1选取两个结构完全相同的取样测速法拉第杯， 第一取样测速法拉第杯和第二取样测速法拉第杯，其束流接收口的面积为5mm²；

(2)选取固体薄片：选取面积为1cm²，厚度为5ug/cm²的碳固体薄片放置在第二取样 测速法拉第杯的束流接收口前；

(3)确定束流放大系数：让3MeV的质子与25MeV的Si⁴⁺分别单独入射，对于质子， 第一和第二取样测速法拉第杯测得的束流强度分别为4nA和4nA(质子已无外 层电子，穿过碳固体薄片后电荷态不变，因此流强也不变)，束流放大系数为1， 对于Si⁴⁺，第一和第二取样测速法拉第杯测得的束流强度分别为1.3nA和2.7nA， 束流放大系数为2.08；

(4)确定混合离子束辐照样品时各离子成分的注入剂量：放置辐照样品并确定与第一 和第二束流取样测速法拉第杯平行，在混合束辐照过程中，随机改变质子的流强 和Si⁴⁺的流强，10分钟后停止离子束辐照，该段时间内第一和第二取样测速法拉 第杯的束流积分的电荷量分别为3000nC和4000nC，于是得到方程组：

X₁+X₂＝3000(1)

X₁+2.08X₂＝4000(2)

其中，X₁和X₂分别代表质子和Si⁴⁺的电荷量，解以上方程组即可确定质子与Si⁴⁺的电荷 量分别为2074nC和926nC，转换为离子辐照时的各离子成分的注入剂量分别为2.6E13P/cm²和2.9E12P/cm²。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技 术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是 可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求 书界定的范围为准。