质子单粒子效应实验束流诊断中的SEEM研制

宋 雷，郭 刚，沈东军，陈 泉，刘建成，何安林，韩金华，范 辉，史淑廷

（中国原子能科学研究院，北京102413）

质子单粒子效应实验束流诊断中的SEEM研制

宋 雷，郭 刚，沈东军，陈 泉，刘建成，何安林，韩金华，范 辉，史淑廷

（中国原子能科学研究院，北京102413）

针对目前我国急需开展质子单粒子效应辐照实验的需求，研制了适用于质子束流注量率监测的次级电子发射监督器（secondary－electron emission monitor，SEEM）。测试结果表明，SEEM在监测注量率为109～1010cm－2·s－1的质子束流时，其电流与注量率间的线性相关性很好，可应用于质子单粒子效应实验束流诊断。同时，测量了不同质子能量下铝的次级电子发射系数，测量值与理论计算结果吻合较好。

SEEM；质子单粒子效应；束流诊断

空间辐射环境中存在着大量的高能质子，当它们入射到宇航微电子器件中时，会引发诸如单粒子效应、总剂量效应和位移损伤等辐射效应，严重影响航天器正常在轨运行［1］。利用加速器产生的质子束流测量宇航微电子器件的质子单粒子效应截面曲线（σ－E曲线），已成为评估宇航微电子器件抗质子辐射性能的主要手段之一。因此，需要准确测量辐照到器件的质子注量和能量。

在进行质子辐照实验时，需将测量质子注量的法拉第杯（faraday cup，FC）从束流中心移开，因此，无法实时监测入射到被辐照器件的质子注量和注量率变化情况。与拦截测量束流的FC相比，次级电子发射监督器（secondary－electron emission monitor，SEEM）是一种束流可穿透的非拦截式诊断工具，在辐照器件时，可实时监测注量率大于107cm－2·s－1的质子束流，满足质子辐射效应实验对107～1011cm－2·s－1高注量率束流的测量需求［2］。

目前，由于缺乏质子加速器，我国对质子空间辐射效应的研究尚处于初级阶段。随着航天事业的迅速发展，正在建设越来越多的质子加速器，因此，对质子束流诊断技术的研究迫在眉睫。本文利用北京HI－13串列加速器提供的质子束流及单粒子效应专用辐照装置，对质子单粒子效应实验束流诊断中的注量率监测技术进行了研究，研制了适用于质子注量率监测的SEEM，为在中国原子能科学研究院100MeV质子回旋加速器上开展质子单粒子效应实验，奠定了技术基础。

1 SEEM原理

SEEM是一种常用的束流诊断工具，可用于监测高注量率的质子束流，并且在辐照器件时，不需要从束流中心移开，即可在线实时监测实验中的束流强度变化，制作简便，易于安装和调试。SEEM通常由几层很薄的铝箔构成，在铝箔奇数层上加正偏压，偶数层作信号收集。SEEM原理如图1所示［3］。

当质子穿过每层铝箔时，都会损失能量并使铝箔出射次级电子。信号层上出射的次级电子，在电场力作用下向偏压层移动，形成电流信号被收集，偏压层上打出的次级电子会被重新拉回到偏压层，因此，对电流收集无影响。

SEEM电流大小与入射质子的能量、强度及SEEM的信号层数有关。质子能量越高，其在铝箔上损失的能量就越少，次级电子发射系数（即一个质子使铝箔出射的次级电子数）也越小，SEEM的信号层总电流也越低。对此，可通过增加铝箔层数进行弥补，但铝箔层数不能太多，否则，质子穿过SEEM时的能量损失及束流能量展宽也越大。因此，应根据测量需要选择合适的铝箔层数。当质子束流的能量和SEEM的信号层数固定后，SEEM的电流大小与质子束流强度成正比，SEEM可用于监测质子流强。

由于金属表面发射的次级电子的动能一般很小，主要集中在20～30eV［4］，很容易损失在空气中，因此，SEEM只能在真空中使用。

2 SEEM结构设计

SEEM结构设计的关键是根据加速器质子束流能量，选择合适的铝箔厚度和层数。因为次级电子发射是一种发生在金属表面的效应，虽然在金属内部也会产生大量的次级电子，但其通常在运动到金属表面前已耗尽能量，无法从金属中逃逸出来，能出射的次级电子，基本上都来自金属表层。同时，为了减小束流的能量损失，用于制作SEEM的铝箔一般很薄，厚度约为1～10μm［4］。

为了使SEEM的电流尽可能大，以方便测量，SEEM层数的选取也很关键。因目前串列加速器的质子能量不太高，铝箔层数选取5～7层比较合适。综合考虑测量需求，SEEM由7层铝箔组成，每层厚度为10μm，固定在中间开孔的铜支架片上，通过绝缘的塑料螺纹柱相互隔离，如图2所示。奇数层加正偏压，偶数层连接在一起作信号收集，并通过真空转接头将信号引出到真空室外，与静电计相连，测量其电流大小。

3 实验测试与结果

实验在北京HI 13串列加速器二厅的单粒子效应专用辐照装置上进行，布局如图3所示。在该装置的T3束流诊断靶室和T4辐照靶室样品架上，分别安装了2个除准直孔外其余条件均相同的SEEM。T3SEEM准直孔为45mm×45mm，用于在束实时监测束流强度变化。T4SEEM准直孔直径与T4FC相同，均为8mm，以便测量铝的次级电子发射系数。T4FC用于测量辐照终端处的质子注量率，FC1和FC2用于测量不同位置处的束流强度，用荧光屏可在调束时观察束斑大小。考虑到质子实验辐射安全，所有数据测量与获取均在离实验厅较远的测量厅通过远程控制完成。

3.1 SEEM工作偏压选取

为了选取合适的工作偏压，使SEEM能完全收集发射的次级电子，首先研究了SEEM所加偏压与次级电子收集效率之间的关系。采用CAEN公司的程控高压电源对SEEM加偏压，可远程对电压进行调节；采用Keithley公司的可编程静电计测量电流，测量范围为20fA～20mA。

质子能量为20MeV时，测量了T3SEEM所加偏压与电荷收集效率之间的关系，如图4所示，纵坐标已按SEEM测得的最大电流值进行了归一化处理。从测量结果可以看出：SEEM所加偏压为20V时，电荷收集效率已超过90%，次级电子能量主要集中在20eV以下；偏压为100V时，收集效率已达100%。由此可知，发射的次级电子能量小于100eV，与文献［5］测量结果一致。为保证次级电子被充分收集，SEEM工作偏压应大于100V。

3.2 次级电子发射系数测量

质子在穿过铝箔时，会使铝箔内部和表面产生大量次级电子，但最终只有一部分能逃逸，因此，次级电子的发射系数通常比较小。对于绝大部分金属，次级电子发射系数可由式（1）［6］近似计算得出：

由式（2）可知，铝的次级电子发射系数与入射质子能量的平方根成反比，入射质子能量越高，损失在铝箔中的能量越少，则次级电子发射系数越小。

束流在传输过程中会发散或聚焦，不同位置处的质子束流强度是不一样的。在进行次级电子发射系数测量时，利用与T4SEEM在同一平面、相同准直孔下的T4FC，测量入射到T4SEEM上的质子数Np，而次级电子数Ne可由T4SEEM的电流计算得出。如表1所列，测量了不同质子能量下铝的次级电子发射系数Ne／Np，并与式（2）计算出的理论值进行对比。理论计算时，认为SEEM每层铝箔前后两面发射的次级电子数相同，因此，表中的Ne已换算成单层铝箔单面发射的次级电子数。

表1数据表明，实验测得的质子在铝中的次级电子发射系数与理论计算值很接近或一致，说明该实验测量方法是比较准确的；同时表1也表明，在计算时将SEEM每层单面发射的次级电子数假定为相同是可行的。但在17MeV时，实验值与理论值相差约为10%，这可能是由于质子束流强度较弱，电流测量误差较大引起的。

3.3 SEEM注量率监测

SEEM一般可以监测注量率为107～1012cm－2·s－1的质子束流，测量上下限依电流测量装置精度、环境本底噪声和真空下散热情况而变化。受加速器限制，在当时可用流强下，测量了质子单粒子效应实验中，常用注量率为109～1010cm－2·s－1范围内T3SEEM的电流值，如图5所示。

图5中横坐标为T3SEEM在束时，T4FC测得的辐照终端处的质子注量率；纵坐标为相应注量率下T3SEEM的电流。从图5可以看出，随着质子注量率的增大，SEEM电流也线性增加，SEEM可用于质子束流注量率的监测。在实验中，利用荧光屏还观察到聚焦质子束（束斑直径约15 mm）通过T3SEEM后，散开较均匀（束斑直径约50mm）。在T4靶室辐照终端处测得的注量率相比无T3SEEM时，降低了约1～2个量级，说明SEEM的散束效果很明显，而质子单粒子效应实验需要在大的均匀束斑下进行，因此，SEEM非常适用于质子单粒子效应实验束流诊断。

4 结语

为了对质子单粒子效应实验束流注量率进行监测，研制了SEEM束流诊断工具，并进行了实验测试和次级电子发射系数测量及理论计算分析，同时，测量了109～1010cm－2·s－1不同注量率下T3SEEM的电流值。结果表明，次级电子能量小于100eV，与文献测量结果一致，次级电子发射系数的实验测量值与理论计算结果也比较吻合；SEEM电流随质子注量率呈线性增大，可用于质子束流注量率监测。通过本次实验，项目组基本上掌握了质子束流注量率监测技术，这对完善质子单粒子效应实验束流诊断具有重要意义。

［1］BUCHNER S，MARSHALL P W，KNIFFIN S，et al.Proton test guideline development－lessons learned［C］／／NASA Electronic Parts and Packing（NEPP）Workshop，Houston，2002.

［2］MCMAHAN M A，BLACKMORE E，CASCIO E，et al.Standard practice for dosimetry of proton beams for use in radiation effects testing of electronics［C］／／IEEE Conference：Radiation Effects Data Workshop，Lawrence Berkeley National Laboratory，2008.

［3］KOPP S E，INDURTHY D，PAVLOVICH Z，et al.Beam test of a segmented foil SEM grid［J］.Nucl Instrum Methods A，2005，554（1／2／3）：138 146.

［4］BRUINING H.Physics and Applications of Secondary Electron Emission［M］.Oxford：Pergamon Press，1960.

［5］STERNGLASS E J.Backscattering of kilovolt electrons from solids［J］.Phys Rev，1954，95（2）：345 358.

［6］STERNGLASS E J.Theory of secondary electron emission by high－speed ions［J］.Phys Rev，1957，108（1）：1 12.

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－hua，FAN 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，四川遂宁人，硕士研究生，主要从事质子单粒子效应束流测量技术研究。

E－mail：lei.song＠163.com