王 惠 郭 刚 史淑廷 范 辉

(中国原子能科学研究院，中国 北京 102413)

0 引言

单粒子效应地面模拟试验研究中，微束装置可以将束斑限制在微米量级，考察芯片不同微观区域的敏感度，促进了单粒子效应机理研究的发展[1]。随着芯片生产工艺进步，芯片特征尺寸已由微米量级降至纳米量级，现有重离子微束装置最小束斑尺寸约为1μm，且由于技术因素的限制，很难进一步减小[2]。面对上述问题，美国桑迪亚实验室提出建设IPEM 装置的新思路。与现有微束相比，IPEM 具有较高的实验效率，目前分辨率已达微米量级[4]，未来可能会得到进一步减小。本文针对IPEM 研制需求，为探索入射离子位置测量这一关键技术，率先开展二次光子位置测量技术研究。

1 IPEM 原理简介

IPEM（Ion Photon Emission Microscopy）需在样品表面覆盖一层发光薄膜，实验时利用非聚焦束流照射，薄膜沉积少量能量并产生二次光子，收集和测量二次光子获得入射离子位置信息，待测样品沉积大部分能量并产生单粒子效应，将样品单粒子效应信息与入射离子位置信息相结合，从而得到相应的二维图谱。

IPEM 装置与现有微束装置“先确定入射离子位置再辐照”的工作过程明显不同，因此如何利用二次光子确定入射离子位置是装置关键技术之一。目前国外装置大都使用单光子位置灵敏探测器，这种探测器性能优异，但订货周期较长[5]。为尽快开展相关研究，研究组决定暂时采用CCD，对二次光子位置测量技术进行探索。

图1 IPEM 工作原理示意图

图2 实验装置整体布局示意图

2 实验设置与流程

实验是在北京HI-13 串列加速器单粒子效辐照装置上进行，利用158MeV 的Cl 离子入射ZnS(Ag)材料，搭建基于显微镜的CCD 成像装置对二次光子进行测量。实验装置整体布局如图2 所示，ZnS(Ag)屏倾斜30°安装在样品架上，屏上紧贴直径200μm 的限束光阑；显微镜放置在限束光阑垂直方向，显微镜后安装CCD 用于采集图像。

实验流程包括激光对中、显微镜对焦、束斑调整和CCD 观察等。通过激光对中将限束光阑移动到束流位置，随后显微镜对焦，直到清晰看到ZnS(Ag)表层。调整束斑位置，使其覆盖整个限束光阑。最终在不同注量率下，CCD 观察材料发光情况。

3 实验结果与分析

实验选用三种不同注量率 105ions/cm2/s、3×106ions/cm2/s、2×107ions/cm2/s，图3为不同注量率下CCD 观察到的典型ZnS(Ag)图像。在注量率为105ions/cm2/s 时，CCD 视野中光点逐个出现，其图像如图3左图所示；在注量率为3×106ions/cm2/s 时，CCD 视野中光斑呈现团状，能够勉强分辨单个光点形状，其图像如图3 中图所示；在注量率为2×107ions/cm2/s 时，CCD 视野呈现为整个亮光斑，无法再分辨单个光点形状，其图像如图3 右图所示。

图3 不同注量率下ZnS(Ag)发光情况

首先对二次光子在CCD 处的照度进行估算。根据文献和理论估算，一个Cl 离子在ZnS(Ag)中产生的光子数约为1.1×104，实验所用光学系统总效率约为0.0128。所以CCD 收集到的光子数N 约为132 个。故CCD 处平均辐射通量P=N·hν/t=2.9×10-10W。CCD 对应照度约为P·Km·V/S=0.96lx。因此，单个离子产生的光点照度超过了CCD 最低照度（3×10-4lx）要求，CCD 具有测量单个离子在ZnS(Ag)处产生的二次光子的能力。

实验中入射离子数量的分布满足泊松分布P(n)=mn×e-m/n!。利用泊松公式计算在CCD 单帧时间内入射离子数的概率分布。根据泊松公式可知，在不同注量率下，入射离子数的最大概率出现在入射离子为1 个、12 个、80 时，这与图3 中CCD 图像的光点数在量级上是一致的。

通过对实验结果分析，实验所用CCD 具备测量二次光子的能力，在几种不同注量率下，实际观察光点符合入射离子数量概率分布，故图3 左图单个光点代表确代表单个入射离子。

4 结论

本文针对IPEM 入射离子位置测量这一关键问题，开展了离子诱发二次光子位置测量研究。通过搭建光学系统，使用CCD 对Cl 离子打在ZnS(Ag)后的发光现象进行观测。通过数据分析，确认注量率为105ions/cm2/s 时CCD 观察到的光点代表着单个入射离子。研究组据此将建立CCD 二次光子测量系统，推进IPEM 进一步建设。

［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].