CN104808236A - 小面积离子束辐照小样品注入剂量的实时监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小面积离子束辐照小样品注入剂量的实时监测装置及方法。本发明的监测装置包括：测束金属接收筒筒底、金属样品台、待辐照材料样品、测束金属接收筒、绝缘隔离圈、抑制电极、接线柱、束流积分仪和离子束调控装置。本发明将金属样品台与测束金属接收筒筒底有机结合为一体，实现了对小面积离子束辐照小样品注入剂量的实时在线准确监测；既避免了产生的二次电子对测量准确性的影响，又克服了拦截式测量不能实时在线监测辐照剂量的缺陷；抑制电极内的通束孔与金属样品台直径关联，可做成多种规格成对使用；入射离子束的束流强度在辐照过程中的起伏变化，不会影响到对最终辐照注入剂量的准确测量；方法简单明了，成本低，使用可靠。

Description

小面积离子束辐照小样品注入剂量的实时监测装置及方法

技术领域

本发明涉及材料辐照技术，尤其涉及一种对小面积离子束辐照小样品时注入剂量的实时在线准确监测装置及其监测方法。

背景技术

在用兆伏级加速器产生的高能离子束对材料进行辐照损伤研究的过程中，通常会遇到两个问题：(1)入射离子束强度弱，几百离子nA就已经算比较强的入射离子束，而高电荷态的入射离子束密度就更小，通常会为几十离子nA/cm²；(2)材料辐照需要的离子注入总剂量比较大，常常为2～3E16P/cm²，如此要完成对材料的离子束辐照总剂量，需要的辐照时间就会比较长，有时甚至达上百小时，与此同时，辐照时间的延长也会导致与离子束辐照有关的各种费用的增加。所以，为了节省辐照成本，提高束流利用率，受辐照材料样品一般均选取小样品，同时通过对加速器输出离子束的调试，使离子束的束斑面积恰能覆盖受辐照材料小样品为好。因此如何实现对小面积入射离子束辐照小样品注入剂量的实时在线准确监测就成为一个不可避免的非常重要的问题。

现有技术中，对于小面积入射离子束辐照小样品注入剂量的监测通常采用两种方法：(1)利用安装在受辐照材料样品前数米距离的束流输运线上已有的法拉第杯对入射离子束进行拦截测量，拦截测量期间，离子束对样品的辐照自动停止，然后用所测的离子束强度与辐照时间的乘积来确定辐照总剂量；(2)将受辐照材料样品与地绝缘，测试其在受离子束辐照时对地的泄漏电流并对该泄漏电流进行积分测量以确定辐照总剂量。以上两种对离子束辐照注入剂量的监测方法均存在不同程度的缺陷，第一种方法为拦截式测量，测量时材料样品不能得到辐照，同时长时间辐照时，由加速器提供的入射离子束强度不可避免的会发生变化；再考虑到束流的传输效率等因素影响，使得法拉第杯测量到的离子束强度未必完全等同于辐照在材料样品上的离子束强度，所以该方法不能实现对辐照总剂量的实时在线准确监测。第二种方法虽为实时在线监测，但却不能对辐照剂量进行准确地监测，因为入射离子束轰击材料样品表面时，必然会产生大量的二次电子，这些二次电子会发射到周围空间，如何扣除这些二次电子对泄漏电流的影响是一个非常复杂的问题，因为随着材料表面情况的变化和辐照时间的延长，二次电子的发射率也在发生着相应的没有规律的变化，这样二次电子发射与泄漏电流之间的量化关系就难以确定，因此该方法无法实现对辐照剂量的准确监测。

发明内容

针对现有技术中对小面积入射离子束辐照材料小样品时较大辐照注入剂量的实时在线准确监测中存在的问题和不足，本发明提出一种兆伏级加速器产生的小面积高能离子束对材料小样品进行大剂量辐照时注入剂量的监测方法及监测装置，从而实现对小面积离子束辐照小样品注入剂量的实时在线准确监测。

本发明的一个目的在于提供一种对小面积离子束辐照小样品时注入剂量的实时在线准确监测装置。

本发明的小面积离子束辐照小样品注入剂量的实时监测装置包括：测束金属接收筒筒底、金属样品台、待辐照材料样品、测束金属接收筒、绝缘隔离圈、抑制电极、接线柱、束流积分仪和离子束调控装置；其中，金属样品台安装固定在测束金属接收筒筒底的中心上，二者有机结合为一体，并可拆卸，金属样品台在测束金属接收筒筒底上形成圆形凸台；待辐照材料样品安装固定在金属样品台上；测束金属接收筒筒底安装在测束金属接收筒的底部；在测束金属接收筒的侧壁上设置有接线柱；接线柱连接至束流积分仪；在测束金属接收筒的离子束入口端固定绝缘隔离圈；在绝缘隔离圈上固定抑制电极，测束金属接收筒与抑制电极间为电绝缘；抑制电极的中心设置有通束孔，通束孔的孔径和金属样品台的直径尺寸一致，并同轴，待辐照材料样品的放置不越过金属样品台的周边；离子束的入射方向与测束金属接收筒的中心轴方向保持一致；在抑制电极之前3～5米设置离子束调控装置，通过对入射离子束进行调控，使得入射离子束的束斑能完全覆盖抑制电极内的通束孔。

本发明的巧妙之处在于将放置待辐照材料样品的金属样品台与测束金属接收筒筒底有机结合为一体，使得测束金属接收筒筒底既作为入射离子束接收测量装置的一部分，同时又作为安放待辐照材料样品及金属样品台的支撑体，这样受辐照材料样品就完全沉浸在入射离子束的测束金属接收筒中。金属样品台可从测束金属接收筒筒底上拆卸下来，其与测束金属接收筒筒底之间的连接通过螺丝固定的方式连接。金属样品台与测束金属接收筒筒底之间保证有良好的电导通连接；测束金属接收筒筒底采用金属材料，可从测束金属接收筒上拆卸下来。测束金属接收筒筒底与测束金属接收筒之间的连接既可采用螺纹方式进行连接，也可采用螺丝固定的方式实现连接。测束金属接收筒筒底与测束金属接收筒筒底之间的连接一定要确保有良好的电导通连接。根据待辐照材料样品的尺寸，选择金属样品台的尺寸，金属样品台的尺寸不小于待辐照材料样品的尺寸。金属样品台与测束金属接收筒筒底的有机结合，使得入射离子束轰击样品时表面上产生的二次电子在抑制电极产生的电场力作用下又返回到测束金属接收筒与测束金属接收筒筒底构成的监测装置中，如此既避免了以入射离子束泄漏流方式测量辐照剂量时因入射离子束打到样品上产生的二次电子对测量准确性的影响，又克服了拦截式测量辐照剂量时不能实时在线监测辐照剂量的缺陷。

抑制电极上的通束孔与金属样品台同轴，且直径相同，以避免样品因安放位置不当而影响辐照结果；抑制电极上的通束孔的直径大小与金属样品台的直径尺寸相互关联，可做成多种规格，抑制电极与金属样品台必需成对使用。抑制电极既作为抑制二次电子的辅助装置，同时又作为测量入射离子束的束斑大小的限制装置；通过离子束调控装置对离子束进行相应的调控，使得入射离子束的束斑能完全覆盖抑制电极上的通束孔，且二者越接近越好。

进一步，如在监测装置的外层设置一层金属屏蔽层，金属屏蔽层与其内部的结构绝缘并且接地，这样可以去除可能存在的杂散离子等外界因素带来的对辐照注入总剂量准确监测的影响，从而实现对辐照总剂量更加精确的监测。

本发明的另一个目的在于提供一种小面积离子束辐照小样品注入剂量的实时监测方法。

本发明的小面积离子束辐照小样品注入剂量的实时监测方法，包括以下步骤：

1)根据待辐照材料样品的大小选取与之对应的金属样品台的直径尺寸，将金属样品台安装固定在测束金属接收筒筒底的中心，形成圆形凸台，将待辐照材料样品安装固定在测束金属接收筒筒底的金属样品台上，确保待辐照材料样品不越过金属样品台的周边；

2)将安装有待辐照材料样品的测束金属接收筒筒底与测束金属接收筒的底部连接固定，确保二者之间为良好的电导通；

3)选取抑制电极，使得抑制电极上的通束孔的孔径与金属样品台的直径一致，然后将抑制电极与绝缘隔离圈安装固定在测束金属接收筒的离子束入口端，确保抑制电极与测束金属接收筒之间有良好的电绝缘；

4)通过离子束调控装置对入射离子束进行调试，使得入射离子束的束斑能完全覆盖抑制电极上的通束孔，并且束斑的大小越接近通束孔的大小越好；

5)将安装有待辐照材料样品的监测装置放置在离子束的通道上，使入射离子束的束斑能完全覆盖抑制电极上的通束孔，并确保离子束的入射方向与测束金属接收筒的中心轴线方向一致；

6)施加抑制电源，开始对待辐照材料样品进行辐照，入射离子束轰击待辐照材料样品的表面，其产生的二次电子在抑制电极产生的电场力的作用下返回到测束金属接收筒中，将泄露电流通过接线柱输出至束流积分仪，对入射离子束的辐照注入剂量进行实时在线准确的积分测量。

本发明的优点：

(1)实现了对小面积离子束辐照小样品注入剂量的实时在线准确监测；

(2)本发明巧妙的将放置待辐照材料样品的金属样品台与测束金属接收筒筒底有机地结合为一体，既实现了对材料小样品的辐照，又实现了对辐照注入剂量的实时在线准确监测；

(3)抑制电极上的通束孔与金属样品台同轴，且直径相同，以避免样品因安放位置不当而影响辐照结果；

(4)抑制电极上的通束孔与金属样品台直径关联，二者可做成多种规格，规格尺寸必需相互对应，使用时抑制电极与金属样品台相互对应，成对使用；

(5)抑制电极既作为抑制二次电子的辅助装置，同时又作为测量入射离子束束斑大小的限制测试装置，对辐照注入剂量的计算与监测具有非常重要的作用，通过离子束调控装置对离子束进行调试，使得入射离子束的束斑能完全覆盖抑制电极上的通束孔，且二者越接近越好；

(6)对入射离子束的束流强度是否长时间保持稳定没有限制，束流强度在辐照过程中的起伏变化，不会影响到对最终辐照注入剂量的准确测量；

(7)金属样品台与测束金属接收筒筒底的有机结合，既避免了以入射离子束泄漏流方式测量时因入射离子束打到样品上产生的二次电子对辐照注入剂量测量准确性的影响，又克服了拦截式测量不能实时在线对辐照注入剂量进行监测的缺陷；

(8)方法简单明了，成本低，使用可靠。

附图说明

图1为本发明的小面积离子束辐照小样品注入剂量的实时监测装置的一个实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，在本实施例中，小面积入射离子束辐照小样品注入剂量的实时监测装置包括：测束金属接收筒筒底1、金属样品台2、待辐照材料样品3、测束金属接收筒4、绝缘隔离圈5、抑制电极6、接线柱7、束流积分仪和离子束调试装置，8为入射离子束；其中，金属样品台2安装固定在测束金属接收筒筒底1的中心上，二者有机结合为一体，在测束金属接收筒筒底形成凸台；待辐照材料样品3固定在金属样品台2上；测束金属接收筒筒底1安装在测束金属接收筒4的底部；在测束金属接收筒的侧壁上设置有接线柱7；接线柱7连接至束流积分仪；在测束金属接收筒4的离子束入口端固定绝缘隔离圈5；在绝缘隔离圈5上固定抑制电极6；抑制电极6的中心设置有通束孔，通束孔的孔径和金属样品台的直径的尺寸一致，并同轴，其尺寸大小由待辐照材料样品的大小决定；离子束的入射方向与测束金属接收筒的中心轴方向一致；在抑制电极之前设置离子束调试装置，对入射离子束8进行调控，使得离子束束斑的大小可以完全覆盖抑制电极的通束孔，二者越接近越好。离子束调试装置采用四极透镜或光阑。

金属样品台与测束金属接收筒筒底可拆卸，二者之间的连接通过螺丝固定的方式连接，在金属样品台的圆盘中心加工一M4的半透螺纹孔，在测束金属接收筒筒底的中心加工一直径为4.5mm的通孔，用M4的螺丝即可将金属样品台固定在测束金属接收筒筒底上。测束金属接收筒筒底与测束金属接收筒之间的连接采用螺丝固定，测束金属接收筒上4个螺丝孔，测束金属接收筒筒底上对应位置4个通孔。

在本实施例中，采用能量为20MeV的C³⁺离子辐照面积为1cm*1cm的碳化硅SiC材料。要求离子辐照注入总剂量为2E16P/cm²。实时监测方法包括以下步骤：

1)根据待辐照材料样品的大小选区金属样品台的直径为1.5cm，将金属样品台安装在测束金属接收筒筒底上形成凸台，保证二者间有良好的电接触；将待辐照材料样品固定在金属样品台上，确保待辐照材料样品没有越过金属样品台的周边；

2)将结合为一体的金属样品台和测束金属接收筒筒底安装在测束金属接收筒的底部，确保它们间的连接为良好的电接触；

3)选取抑制电极，抑制电极上的通束孔的孔径为1.5cm，然后将抑制电极与绝缘隔离圈安装在测束尽速接收筒的离子束入口端，确保抑制电极与测束金属接收筒间具有良好的电绝缘；

4)通过离子束调控装置对离子束进行调试，使加速器产生的20MeV的C³⁺离子在离子束入口端形成直径略大于1.5cm的束斑，确保离子束的束斑能完全覆盖抑制电极上的通束孔；

5)将安装有待辐照材料样品的监测装置放置在离子束的通道上，使入射离子束的束斑能完全覆盖抑制电极上的通束孔，并使离子束的入射方向与测束金属接收筒的中心轴线方向一致，为节省样品材料的辐照成本，提高离子束辐照的效率，尽可能使入射离子束束斑的大小接近抑制电极上的通束孔；

6)施加抑制电源，开始对待辐照材料样品进行辐照，离子束轰击待辐照材料样品的表面，其产生的二次电子在抑制电极产生的电场力的作用下返回到测束金属接收筒中，将泄露电流通过接线柱输出至束流积分仪，对入射离子束的辐照注入剂量进行实时在线准确的积分测量。

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。

Claims (7)

1.一种小面积离子束辐照小样品注入剂量的实时监测装置，其特征在于，所述实时监测装置包括：测束金属接收筒筒底、金属样品台、待辐照材料样品、测束金属接收筒、绝缘隔离圈、抑制电极、接线柱、束流积分仪和离子束调控装置；其中，所述金属样品台安装固定在测束金属接收筒筒底的中心上，二者有机结合为一体，并可拆卸，金属样品台在测束金属接收筒筒底上形成圆形凸台；所述待辐照材料样品安装固定在金属样品台上；所述测束金属接收筒筒底安装在测束金属接收筒的底部；在测束金属接收筒的侧壁上设置有接线柱；所述接线柱连接至束流积分仪；在测束金属接收筒的离子束入口端固定绝缘隔离圈；在绝缘隔离圈上固定抑制电极，测束金属接收筒与抑制电极间为电绝缘；所述抑制电极的中心设置有通束孔，通束孔的孔径和金属样品台的直径尺寸一致，并同轴，待辐照材料样品的放置不越过金属样品台的周边；离子束的入射方向与测束金属接收筒的中心轴方向保持一致；在抑制电极之前设置离子束调控装置，通过对入射离子束进行调控，使得入射离子束的束斑能完全覆盖抑制电极内的通束孔。

2.如权利要求1所述的实时监测装置，其特征在于，所述离子束调控装置设置在抑制电极之前3～5米处。

3.如权利要求1所述的实时监测装置，其特征在于，进一步包括金属屏蔽层，所述金属屏蔽层设置在测束金属接收筒的外层，与其内部的结构绝缘并且接地。

4.如权利要求1所述的实时监测装置，其特征在于，所述金属样品台与测束金属接收筒筒底之间通过螺丝固定的方式连接。

5.如权利要求1所述的实时监测装置，其特征在于，所述测束金属接收筒筒底与测束金属接收筒之间采用螺纹方式进行连接，或者采用螺丝固定的方式进行连接。

6.如权利要求1所述的实时监测装置，其特征在于，所述离子束调试装置采用四极透镜或光阑。

7.一种小面积离子束辐照小样品注入剂量的实时监测方法，其特征在于，所述实时监测方法包括以下步骤：

1)根据待辐照材料样品的大小选取与之对应的金属样品台的直径尺寸，将金属样品台安装固定在测束金属接收筒筒底的中心，形成圆形凸台，将待辐照材料样品安装固定在测束金属接收筒筒底的金属样品台上，确保待辐照材料样品不越过金属样品台的周边；

2)将安装有待辐照材料样品的测束金属接收筒筒底与测束金属接收筒的底部连接固定，确保二者之间为良好的电导通；

3)选取抑制电极，使得抑制电极上的通束孔的孔径与金属样品台的直径一致，然后将抑制电极与绝缘隔离圈安装固定在测束金属接收筒的离子束入口端，确保抑制电极与测束金属接收筒之间有良好的电绝缘；

4)通过离子束调控装置对入射离子束进行调试，使得入射离子束的束斑能完全覆盖抑制电极上的通束孔；

5)将安装有待辐照材料样品的监测装置放置在离子束的通道上，使入射离子束的束斑能完全覆盖抑制电极上的通束孔，并确保离子束的入射方向与测束金属接收筒的中心轴线方向一致；

6)施加抑制电源，开始对待辐照材料样品进行辐照，入射离子束轰击待辐照材料样品的表面，其产生的二次电子在抑制电极产生的电场力的作用下返回到测束金属接收筒中，将泄露电流通过接线柱输出至束流积分仪，对入射离子束的辐照注入剂量进行实时在线准确的积分测量。