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摘 要：离子束的注量是宇航微电子器件重离子单粒子效应辐照试验截面测量的关键数据，本文结合北京HI-13串列加速器重离子单粒子效应试验，通过对束流光路调节和探测器计数测量的深入分析，给出注量测量误差的成因分析，并对误差的性质加以研究。其结果可以指导今后重离子单粒子效应辐照试验束流的规范调节，从而改善注量测量的准确性，也可以用于试验注量误差的定量计算与分析。
关键词：单粒子效应 注量 误差分析
中图分类号：TL99 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）07（c）-0112-04
重离子单粒子效应辐照试验测试的核心数据是单粒子效应截面，即单粒子效应事件数与离子束的注量的比值。在多数试验情况下，测得的单粒子效应事件数并不多，在阈值附近事件数更少，因此单粒子效应事件数占了效应截面误差的很大部分。但在高LET（线性能量转移）值时，单粒子事件数明显增多，相对误差降了下来，这时注量的数值和误差就显得重要了，尤其关心的是注量测量中的系统误差。
注量误差常常仅由探测器计数误差给出，一般在百分之几。但实际多轮次测量的結果有可能远超出这个范围。因此分析这种误差成因是必要的。另外，为了能够定量分析注量误差，对于这些误差的性质也应加以分析与研究。
1 注量测量方法简介
在注量测量中，通常在束流抵达样品前的上、下、左、右位置，放置有四个探测器，在样品处放置一个探测器，如图1所示。在注量测量中首先获得五个探测器计数，计算比例系数K。
从公式（1）（2）可以看到，注量测量误差主要与两类量有关，一类是探测器计数，另一类是比例系数K值，下面分别予以分析。
2 探测器计数测量误差分析
如果探测器前的限束光阑很精确地安排了，并且正确选择了探测器，探测器工作点也都正确，由探测器系统而引起的系统误差是可以忽略的。所以同常规核物理实验一样，探测器计数误差按高斯分布取其计数的平方根。由于计数一般都很大，所以相对误差都很小。无论是单次测量或多次测量，相对误差通常应是1%～2%。
结合北京HI-13串列加速器开展的宇航微电子器件重离子单粒子效应试验[1，2]，在计数测量误差分析中尚需关注两个可能的误差来源。
（1）计数率过高引起的测量误差。
按李萨如理论，对磁场相互垂直的两个扫描磁铁分别加上不同频率的三角波函数激磁电流可以在靶上获得均匀束流。串列加速器重离子单粒子效应试验就是利用这种方式来获得大面积的均匀束流[3，4]。因此，样品处的离子并不是从时间上均匀到达探测器上的，按扫描周期（1s）具有时间性，所以探测器实际探测的计数率要远高于用探测到的计数除以时间计算得到的计数率结果。
探测器都有相应的计数率探测范围，比如金硅面垒探测器受后端电子学影响（主要是前置放大器，其输出信号后沿衰减较慢，衰减时间达1ms），其可探测计数率非常有限，在高计数率时，考虑到上述分析中提到的单粒子效应试验离子具有时间性，因此我们不宜采用金硅面垒探测器来探测计数，而应尽量选用具有快信号处理能力的塑料闪烁体探测器及其后端电子学，来规避或减小测量死时间引入的计数测量误差。
（2）杂散离子或低能散射离子引起的计数本底误差。
受串列加速器端电压限制，在单粒子效应试验中常通过引出剥离几率低的双剥离高电荷态离子来获得较高能量（对应射程大于30μm）的离子束流[5]，这样在样品处的束流有可能夹杂其他能量的杂散离子，从而引入计数测量误差。如图2即为一次串列加速器单粒子效应试验中利用金硅面垒探测器获得的能谱图。从谱中可以看到在662道主峰前有一个小峰在610道附近，即为引入的杂质离子。另外在小于610道还有一些低能散射本底，有可能是束流在传输管道上经降束、扩束，通过与管壁、狭缝、入口光阑、探测器前准直孔边缘相互作用，引起的一些散射本底。通过分析，低能散射与杂质离子成分占总计数的8.4%。因此在进行注量误差分析时应充分考虑杂质离子和低能散射离子引入的计数测量误差。有效的措施是在调束时对引出的原始离子束利用金硅面垒探测器进行前期探测分析，如有杂散离子更换新的高电荷态离子再次引出，同时积累引出离子经验参数来规避今后试验引入该杂散离子，从而避免可能引入的计数测量误差。
3 比例系数K值测量误差分析
一般在辐照样品前进行几次比例系数的测量，取平均值代入公式（2）计算获得样品辐照注量，并给出误差。但是在试验中发现辐照样品前和辐照样品后两次测量如果隔了若干小时，两次K值的差异可能比上述的测量误差大得多。当改变注量率、改变离子种类或改变能量前后，理论上K值都应该不变，但是实际上都有较大变化。例如表1所示即为一次串列加速器单粒子效应试验中长期测量的比例系数数据，较长试验时间后，N右的比例系数平均值为255.2±87.5，相对误差34%，N下的比例系数平均值为163.2±19.8，相对误差12%。可以看到比例系数值相互间差异还是很大。因此分析比例系数K值的误差是不能仅考虑计数引入的误差，更多的是需要关注束流光路引入的误差。
常规的基于串列加速器的核物理实验，处理的常常仅是计数的误差，很少涉及加速器和束流管道带来的误差。原因是加速器束流光学较简单且稳定，误差主要来源于实验测试设备，而不在束流。对于单粒子效应辐照试验，束流要求与常规的核物理实验完全不同，讲求低束流强度和辐照束斑的均匀且大面积，其中低束流强度已超出加速器正常供束能力，束流光路需要有降束段;辐照束斑的均匀且大面积要求束流要有扩束及均匀化阶段，因此辐照试验需要添加很多设备和增加管道长度，并且辐照试验具有频繁更换束流种类、频繁调节注量率特点，讲求束流的快速引出和快捷调节，因此有了众多的误差来源。 相比常规的核物理实验，单粒子效应辐照试验调束要难的多。束流经过几十米的传输距离才到终端，中间要经过多个设备。到达辐照终端前，要经过4个二极磁铁、4对四极透镜、2个x-y导向器和若干个光栏和反散射光栏，每个元件均对束流有影响。这些影响大致分两个方面，一种是影响束流的方向，另一种是影响束流横截面的形状。同是四极透镜功能却不一样，有一对四极透镜的功能为散焦，在常规核物理实验的置场中不会有这样的透镜。
在降束段，先采用四极透镜降束，束流截面扩大，然后取其一小部分，如图3所示。如果入射束流有偏离，则出光栏的束流方向也有偏离，如图4。到达扫描磁铁处，位置也有变化，再经过较长的距离达到样品处更加偏离中心。结果是扫描中点不在中心，可能导致上、下、左、右探测器计数有差别，注量测量也就不准确，也不均匀。例如在光栏处，束流有0.1°的偏差，就会导致8m后的束斑有1～2cm的偏差。因此束流光学的一点差别就会引起测量的误差之外的问题。
一般在调节之初，效果很好，束斑在中间，4个探测器计数均匀。但是数小时之后，也有可能变化。因此长时间试验的注量测量结果必须考虑束流光学涨落引起的误差。
为了解释此种束流的稳定性如何造成注量率的变化，即此误差的成因，我们简单举例说明。图5为调束的时候在荧光屏的右上角出现一块多余的束斑，它的强度较低，摄像头没有足够的动态范围，只看到中间的亮束斑。但扫描后会引起不均匀，随后造成了比例系数值偏小，不准确。
另外，如果两方向扫描强度不同或者束斑不是正方形，而是长方形，也会引起K值的变化。上述例子都说明束流的稳定、束流的调节和降束和均匀化系统的设计、调节和稳定都会引起注量比例系数K的测量准确性。因此比例系数的误差决不是仅有探测器的测量误差，必须把束流光路带来的误差考虑进去。
束流光路引起的误差具有偶然性，与探测器计数误差并不相关，不存在于某一事物的函数关系，这是判断非系统误差的关键点，所以比例系数误差是与计数误差不同根源的偶然误差，而不是系统误差。因此比例系数的变化也是束流调节质量的好坏的标志，即反映整个试验测量好坏的质量标志。比例系数的数据必须累积，不同的束流、不同的注量、不同的加速器状态和不同时期的比例系数的数据进行平均和误差处理。例如一年试验4轮，每轮试验200h左右，共计约800h，这样我们就可能有了上千次的比例系数K测量的结果。
式中为一年内比例系数进行N次测量的平均值;K′为本次比例系数K值测量结果，所以ΔK它代表了这个系统的比例系数误差。即使我们只做了一次试验，也就10min，我们也得到了一个K′值，其误差也应标注为ΔK为宜。
4 结语
本文结合北京HI-13串列加速器重离子单粒子效应辐照试验，讨论了注量测量的误差，给出了它的起因和性质。其中探测器计数测量误差要注意死时间和本底带来的误差，比例系数误差除了探测器计数误差外，还因考虑束流光路带来的误差;并进一步阐明比例系数误差是与计数误差不同根源的偶然误差。因此在重离子单粒子效应辐照试验中，应尽可能的规范束流调节，并积累比例系数测量数据，以最终改善单粒子效应试验的注量测量准确性。
参考文献
[1] 赵大鹏，唐民，孟庆茹，等.采用串列静电加速器进行单粒子效应模拟试验研究[J].宇航学报，1995，16（2）：85-89.
[2] 国防科学技术工业委员会.QJ1005-2008宇航用半导体器件重离子单粒子效应试验指南[S].北京：中国航天标准化研究所，2008.
[3] 郭刚，许谨诚，李志常，等.北京HI-13串列加速器上单粒子效应辐射装置简介[J].高能物理与核物理，2006，30（增刊）：268-270.
[4] 沈東军，范辉，郭刚，等.欧空局单粒子监督器在北京HI-13串列加速器上的单粒子效应校核实验[J].原子能科学技术，2017，51（3）：556-560.
[5] 高丽娟，史淑廷，郭刚，等.高电荷态重离子束流产生技术的研究[J].原子能科学技术，2014，48（7）：1304-1308.
关键词：单粒子效应 注量 误差分析
中图分类号：TL99 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）07（c）-0112-04
重离子单粒子效应辐照试验测试的核心数据是单粒子效应截面，即单粒子效应事件数与离子束的注量的比值。在多数试验情况下，测得的单粒子效应事件数并不多，在阈值附近事件数更少，因此单粒子效应事件数占了效应截面误差的很大部分。但在高LET（线性能量转移）值时，单粒子事件数明显增多，相对误差降了下来，这时注量的数值和误差就显得重要了，尤其关心的是注量测量中的系统误差。
注量误差常常仅由探测器计数误差给出，一般在百分之几。但实际多轮次测量的結果有可能远超出这个范围。因此分析这种误差成因是必要的。另外，为了能够定量分析注量误差，对于这些误差的性质也应加以分析与研究。
1 注量测量方法简介
在注量测量中，通常在束流抵达样品前的上、下、左、右位置，放置有四个探测器，在样品处放置一个探测器，如图1所示。在注量测量中首先获得五个探测器计数，计算比例系数K。
从公式（1）（2）可以看到，注量测量误差主要与两类量有关，一类是探测器计数，另一类是比例系数K值，下面分别予以分析。
2 探测器计数测量误差分析
如果探测器前的限束光阑很精确地安排了，并且正确选择了探测器，探测器工作点也都正确，由探测器系统而引起的系统误差是可以忽略的。所以同常规核物理实验一样，探测器计数误差按高斯分布取其计数的平方根。由于计数一般都很大，所以相对误差都很小。无论是单次测量或多次测量，相对误差通常应是1%～2%。
结合北京HI-13串列加速器开展的宇航微电子器件重离子单粒子效应试验[1，2]，在计数测量误差分析中尚需关注两个可能的误差来源。
（1）计数率过高引起的测量误差。
按李萨如理论，对磁场相互垂直的两个扫描磁铁分别加上不同频率的三角波函数激磁电流可以在靶上获得均匀束流。串列加速器重离子单粒子效应试验就是利用这种方式来获得大面积的均匀束流[3，4]。因此，样品处的离子并不是从时间上均匀到达探测器上的，按扫描周期（1s）具有时间性，所以探测器实际探测的计数率要远高于用探测到的计数除以时间计算得到的计数率结果。
探测器都有相应的计数率探测范围，比如金硅面垒探测器受后端电子学影响（主要是前置放大器，其输出信号后沿衰减较慢，衰减时间达1ms），其可探测计数率非常有限，在高计数率时，考虑到上述分析中提到的单粒子效应试验离子具有时间性，因此我们不宜采用金硅面垒探测器来探测计数，而应尽量选用具有快信号处理能力的塑料闪烁体探测器及其后端电子学，来规避或减小测量死时间引入的计数测量误差。
（2）杂散离子或低能散射离子引起的计数本底误差。
受串列加速器端电压限制，在单粒子效应试验中常通过引出剥离几率低的双剥离高电荷态离子来获得较高能量（对应射程大于30μm）的离子束流[5]，这样在样品处的束流有可能夹杂其他能量的杂散离子，从而引入计数测量误差。如图2即为一次串列加速器单粒子效应试验中利用金硅面垒探测器获得的能谱图。从谱中可以看到在662道主峰前有一个小峰在610道附近，即为引入的杂质离子。另外在小于610道还有一些低能散射本底，有可能是束流在传输管道上经降束、扩束，通过与管壁、狭缝、入口光阑、探测器前准直孔边缘相互作用，引起的一些散射本底。通过分析，低能散射与杂质离子成分占总计数的8.4%。因此在进行注量误差分析时应充分考虑杂质离子和低能散射离子引入的计数测量误差。有效的措施是在调束时对引出的原始离子束利用金硅面垒探测器进行前期探测分析，如有杂散离子更换新的高电荷态离子再次引出，同时积累引出离子经验参数来规避今后试验引入该杂散离子，从而避免可能引入的计数测量误差。
3 比例系数K值测量误差分析
一般在辐照样品前进行几次比例系数的测量，取平均值代入公式（2）计算获得样品辐照注量，并给出误差。但是在试验中发现辐照样品前和辐照样品后两次测量如果隔了若干小时，两次K值的差异可能比上述的测量误差大得多。当改变注量率、改变离子种类或改变能量前后，理论上K值都应该不变，但是实际上都有较大变化。例如表1所示即为一次串列加速器单粒子效应试验中长期测量的比例系数数据，较长试验时间后，N右的比例系数平均值为255.2±87.5，相对误差34%，N下的比例系数平均值为163.2±19.8，相对误差12%。可以看到比例系数值相互间差异还是很大。因此分析比例系数K值的误差是不能仅考虑计数引入的误差，更多的是需要关注束流光路引入的误差。
常规的基于串列加速器的核物理实验，处理的常常仅是计数的误差，很少涉及加速器和束流管道带来的误差。原因是加速器束流光学较简单且稳定，误差主要来源于实验测试设备，而不在束流。对于单粒子效应辐照试验，束流要求与常规的核物理实验完全不同，讲求低束流强度和辐照束斑的均匀且大面积，其中低束流强度已超出加速器正常供束能力，束流光路需要有降束段;辐照束斑的均匀且大面积要求束流要有扩束及均匀化阶段，因此辐照试验需要添加很多设备和增加管道长度，并且辐照试验具有频繁更换束流种类、频繁调节注量率特点，讲求束流的快速引出和快捷调节，因此有了众多的误差来源。 相比常规的核物理实验，单粒子效应辐照试验调束要难的多。束流经过几十米的传输距离才到终端，中间要经过多个设备。到达辐照终端前，要经过4个二极磁铁、4对四极透镜、2个x-y导向器和若干个光栏和反散射光栏，每个元件均对束流有影响。这些影响大致分两个方面，一种是影响束流的方向，另一种是影响束流横截面的形状。同是四极透镜功能却不一样，有一对四极透镜的功能为散焦，在常规核物理实验的置场中不会有这样的透镜。
在降束段，先采用四极透镜降束，束流截面扩大，然后取其一小部分，如图3所示。如果入射束流有偏离，则出光栏的束流方向也有偏离，如图4。到达扫描磁铁处，位置也有变化，再经过较长的距离达到样品处更加偏离中心。结果是扫描中点不在中心，可能导致上、下、左、右探测器计数有差别，注量测量也就不准确，也不均匀。例如在光栏处，束流有0.1°的偏差，就会导致8m后的束斑有1～2cm的偏差。因此束流光学的一点差别就会引起测量的误差之外的问题。
一般在调节之初，效果很好，束斑在中间，4个探测器计数均匀。但是数小时之后，也有可能变化。因此长时间试验的注量测量结果必须考虑束流光学涨落引起的误差。
为了解释此种束流的稳定性如何造成注量率的变化，即此误差的成因，我们简单举例说明。图5为调束的时候在荧光屏的右上角出现一块多余的束斑，它的强度较低，摄像头没有足够的动态范围，只看到中间的亮束斑。但扫描后会引起不均匀，随后造成了比例系数值偏小，不准确。
另外，如果两方向扫描强度不同或者束斑不是正方形，而是长方形，也会引起K值的变化。上述例子都说明束流的稳定、束流的调节和降束和均匀化系统的设计、调节和稳定都会引起注量比例系数K的测量准确性。因此比例系数的误差决不是仅有探测器的测量误差，必须把束流光路带来的误差考虑进去。
束流光路引起的误差具有偶然性，与探测器计数误差并不相关，不存在于某一事物的函数关系，这是判断非系统误差的关键点，所以比例系数误差是与计数误差不同根源的偶然误差，而不是系统误差。因此比例系数的变化也是束流调节质量的好坏的标志，即反映整个试验测量好坏的质量标志。比例系数的数据必须累积，不同的束流、不同的注量、不同的加速器状态和不同时期的比例系数的数据进行平均和误差处理。例如一年试验4轮，每轮试验200h左右，共计约800h，这样我们就可能有了上千次的比例系数K测量的结果。
式中为一年内比例系数进行N次测量的平均值;K′为本次比例系数K值测量结果，所以ΔK它代表了这个系统的比例系数误差。即使我们只做了一次试验，也就10min，我们也得到了一个K′值，其误差也应标注为ΔK为宜。
4 结语
本文结合北京HI-13串列加速器重离子单粒子效应辐照试验，讨论了注量测量的误差，给出了它的起因和性质。其中探测器计数测量误差要注意死时间和本底带来的误差，比例系数误差除了探测器计数误差外，还因考虑束流光路带来的误差;并进一步阐明比例系数误差是与计数误差不同根源的偶然误差。因此在重离子单粒子效应辐照试验中，应尽可能的规范束流调节，并积累比例系数测量数据，以最终改善单粒子效应试验的注量测量准确性。
参考文献
[1] 赵大鹏，唐民，孟庆茹，等.采用串列静电加速器进行单粒子效应模拟试验研究[J].宇航学报，1995，16（2）：85-89.
[2] 国防科学技术工业委员会.QJ1005-2008宇航用半导体器件重离子单粒子效应试验指南[S].北京：中国航天标准化研究所，2008.
[3] 郭刚，许谨诚，李志常，等.北京HI-13串列加速器上单粒子效应辐射装置简介[J].高能物理与核物理，2006，30（增刊）：268-270.
[4] 沈東军，范辉，郭刚，等.欧空局单粒子监督器在北京HI-13串列加速器上的单粒子效应校核实验[J].原子能科学技术，2017，51（3）：556-560.
[5] 高丽娟，史淑廷，郭刚，等.高电荷态重离子束流产生技术的研究[J].原子能科学技术，2014，48（7）：1304-1308.