ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 1, с. 15-21
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.08+539.1.043
ИЗМЕРЕНИЕ ЭНЕРГИИ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ НА УСТАНОВКЕ ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
© 2014 г. В. А. Скуратов, Ю. Г. Тетерев, О. В. Лишилин, В. Б. Загер, А. И. Крылов, И. В. Калагин
Объединенный институт ядерных исследований, Лаборатория ядерных реакций Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6 E-mail: teterev@jinr.ru Поступила в редакцию 12.04.2013 г. После доработки 15.05.2013 г.
Описана система измерения энергии пучков тяжелых ионов низкой интенсивности методом времени пролета с использованием сцинтилляционных детекторов. Дано краткое описание установки, приведены параметры использованного оборудования, алгоритмы обработки данных. Представлены результаты измерения энергии тяжелых ионов, точность оценивается не хуже чем ±1.5%.
DOI: 10.7868/S003281621401011X
ВВЕДЕНИЕ
В процессе эксплуатации бортовая аппаратура космических аппаратов подвергается воздействию ионизирующих излучений заряженных частиц естественного радиационного поля Земли, галактических и солнечных космических лучей. Под действием радиации в микросхемах наблюдаются радиационные отказы двух видов: 1) из-за накопления дозы радиации, 2) за счет попадания единичного иона с высокой энергией.
Несмотря на свой относительно низкий вклад (~1%) в общее число заряженных частиц, именно тяжелые ионы за счет высокого уровня удельных ионизационных потерь энергии приводят к наибольшим повреждениям микроэлектронной элементной базы, вызывая сбои. В связи с этим воспроизведение условий воздействия тяжелоионной компоненты космического излучения для прогноза радиационной стойкости электронных изделий предполагает использование низкоинтенсивных (до 106 см-2 • с-1) пучков тяжелых ионов с уровнями линейной передачи энергии (л.п.э. — величина ионизационных потерь энергии на единицу пути в веществе) в кремнии, характерными для энергий ионов 50—200 МэВ/нуклон. Учитывая необходимость тестирования реальных интегральных схем, находящихся в металлических и пластмассовых корпусах, а также готовых к применению электронных плат, в модельных экспериментах применяют пучки ионов с энергиями в диапазоне 3—50 МэВ/нуклон.
На базе ускорителя тяжелых ионов МЦ-400 в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова ОИЯИ создана установка для тестирования радиоэлектронных изделий [1]. Циклотрон МЦ-400
[2] предназначен для ускорения пучков ионов в двух режимах — в интервалах энергий 19—52 и 6— 9 МэВ/нуклон. Параметры пучков ионов низко-энергетичного интервала, наиболее часто используемых в испытаниях, приведены в табл. 1.
Тестирование проводится по методике, в которой за основу взяты международные стандарты, например [3]. Стандарты распространяются на ионы с энергией <10 МэВ/нуклон. В соответствии с этими стандартами к процедуре проведения тестов, в частности к пучкам ионов, предъявляются следующие требования. Тестирование должно проводиться с использованием набора ионов с различающимися значениями л.п.э. в материале тестируемых изделий. В пучках облучающих ионов не должно быть примесей ионов других атомов. При невозможности очистки пучка от примесей допускается их незначительное присутствие, но содержание примесей должно быть известно. В стан-
Таблица 1. Параметры пучков ионов, используемых для тестирования электронных изделий
Ион Энергия, МэВ Л.п.э., МэВ ■ см2/мг Интенсивность, —2 -1 см 2 ■ с 1
16O 56 ± 3 4.5
20Ne 65 ± 3 7
40Ar 122 ± 7 16
56Fe 213 ± 3 28 1-105
84Kr 240 ± 10 41
132Xe 305 ± 12 67
209Bi 490 ± 10 95
Рис. 1. Сигналы с пикап-электродов от ионов крип-
84 27 +
тона Кг , наблюдаемые с помощью двухлучевого
быстрого осциллографа.
дартах допускается, что л.п.э. должно быть известно с точностью ±10%. Исходя из этого требования, энергия ионов должна быть известна с этой же точностью. Измерение энергии с большей точностью позволит использовать систему и в других экспериментах, например в работах по радиационному материаловедению.
Принятая методика тестирования требует измерения плотности потока ионов в интервале 1— 105 частиц/(см2 • с), флюенса потока до 107 частиц/см2, однородности пучка по облучаемому изделию и энергии ионов. Необходимо также иметь возможность проверки соответствия типа иона заявленному, отсутствия или наличия примесей и их содержания. Соответствующие устройства для измерения этих параметров входят в состав данной установки и описаны в работе [4].
Для измерения энергии ионов в работе [3] рекомендуется использовать полупроводниковые детекторы. С нашей точки зрения, этот метод не совсем удобен, так как требует постоянной калибровки детектора. Амплитуда импульса с детектора при облучении его тяжелыми ионами зависит не только от поглощенной энергии, но и от л.п.э. При больших значениях л.п.э. наблюдается так называемая колонная рекомбинация, которая приводит к уменьшению амплитуды импульса и, следовательно, к нелинейности в требуемом методикой диапазоне л.п.э. ионов.
Свободным от этого недостатка является метод времени пролета. Он часто используется в экспериментальной физике частиц высокой энергии (более десятков мегаэлектронвольт на нуклон). Суть метода состоит в том, что одна и та же заряженная частица последовательно регистрируется двумя быстрыми детекторами, установленными по ходу пучка на известном расстоянии — пролет-
ной базе. Одно из основных условий осуществления метода состоит в том, чтобы потеря энергии частицей в детекторе, установленном в начале пролетной базы, была столь незначительной, что изменением скорости можно пренебречь.
Указанное условие трудно реализовать для тяжелых ионов рассматриваемого диапазона энергий из-за малости длины их пробега в веществе. В этом диапазоне энергий наиболее часто используют неразрушающий метод, в котором время пролета определяют, регистрируя индуцированные одним и тем же микробанчем заряженных частиц сигналы с двух пикап-электродов, разделенных пролетной базой, например [5—7]. Микробан-чи являются естественной временной структурой пучка ионов, ускоренных на циклическом ускорителе. Наличие микробанчей связано с определенным интервалом фазового захвата ионов в процесс ускорения с помощью высокочастотного электрического поля. На изохронном циклотроне МЦ-400 фазовый угол захвата равен примерно 20°. Например, при ускорении ионов аргона частота в.ч.-генератора составляет 14.7 МГц, следовательно, длительность одного микробанча будет ~4 нс. Сигналы с пикап-электродов наблюдают с помощью двухлучевого быстрого осциллографа. На рис. 1 в качестве примера приведено изображение, полученное на экране осциллографа при измерении энергии пучка ионов криптона 84Кг27+.
Применение данного метода для решения рассматриваемой задачи связано с рядом трудностей. Одна из них обусловлена тем, что минимальный ток пучка, при котором метод работает, составляет 0.3 мкА, а тестирование электронных изделий проводят на пучках, ток которых на несколько порядков меньше. К сожалению, не для всех используемых в тестировании типов ионов на существующих ускорителях можно достичь такой величины тока.
МЕТОД И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ
В данной работе для измерения энергии ионов использовался метод, по сути близкий к методу измерения с помощью пикап-электродов, но с применением сцинтилляционных детекторов. Использовались детекторы, имеющие существенно меньший по сравнению с сечением сканируемого пучка размер. Они устанавливались на периферии исследуемого пучка так, чтобы не затенять друг друга и поле облучения тестируемых изделий, как схематично показано на рис. 2.
Для отработки методики использовалось три детектора, причем первые два были установлены впереди по ходу пучка в одной и той же перпендикулярной ему плоскости, а третий — на некотором известном базовом расстоянии от первых. Сигна-
Рис. 2. Схема канала облучения В-5 циклотрона МЦ-400 ЛЯР ОИЯИ. 1 — корректирующие магниты; 2 — магниты сканирования; 3 — набор фольг-дегрейдеров; 4 — сцинтилляционные детекторы с ф.э.у.; 5 — ионизационные камеры; 6 — тестируемое изделие.
лы с детекторов направлялись к двухканальному времяцифровому преобразователю (в.ц.п.). Сигнал с одного из двух детекторов, стоящих впереди по ходу пучка, задавал команду "Старт" преобразования, а сигналы оставшихся — команду "Стоп". Связь в.ц.п. с компьютером, установленным за пределами зала ускорителя, осуществлялась по кабелю Ethernet.
На рис. 3 приведена фотография установленного на фланце Ду-160 одного из сцинтилляци-онных детекторов. В его составе использованы изделия фирмы HAMAMATSU: фотосенсорный модуль серии Н6780 (2) и модуль интегрального дискриминатора-формирователя с регулируемым фиксированным порогом серии С9744 (1). Для регистрации ионов использовались быстрые органические сцинтилляторы.
Настройка оборудования позволила свести абсолютную систематическую ошибку измерения времени, связанную с флуктуацией задержки выходного сигнала формирователя в зависимости от амплитуд входных сигналов, до значения <0.5 нс. Для достижения этого во всех трех детекторах усиление ф.э.у. регулировалось таким образом, чтобы амплитуды импульсов на их выходе при регистрации частиц пучка были одинаковыми; выравнивались и пороги дискриминации. Поскольку органические сцинтилляторы не обладают высокой радиационной стойкостью, измерения энергии выполнялись эпизодически. Остальную часть рабочего времени сцинтилляторы были закрыты заслонкой (4 на рис. 3), которая закрывала детектор без нарушения вакуума. Базовое расстояние между детекторами на данной установке составило 1602 мм. Сигнальные кабели с детекторов имели строго одинаковую длину, чтобы временная за-
держка сигнала в обоих каналах измерения была одинаковой.
Естественно, что при используемой для тестирования плотности потока ионов ~103— 104 ионов/(см2 • с) и частоте следования микро-банчей ~107 Гц мала вероятность получить после команды "Старт" с одного из детекторов команду "Стоп" с другого — от частиц того же самого банча. На измеренном временном спектре можно наблюдать пики интенсивности, соответствующие приходу команд "Стоп", связанных как с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.