Расчет формирования равномерных полей облучения протонами с энергиями от 5 до 15 МэВ на циклотроне МГЦ-20

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1.Теоретическая часть

1.1 Циклотрон, принцип работы

1.1.1 Изохронный циклотрон

1.1.2 Циклотрон МГЦ-20

1.2 Программа SRIM

1.3 Модифицирование полупроводников пучками протонов

1.3.1 Радиационное легирование

1.3.1.1 Ионная имплантация

1.3.2 Ионно-стимулированные процессы

2. Экспериментальная часть

2.1 Расчёт составляющих системы формирования равномерного поля протонов

2.1.1 Первая рассеивающая фольга

2.1.2Первый ионопровод

2.1.3 Вторая рассеивающая фольга

2.1.4 Второй ионопровод

2.1.5 Третья рассеивающая фольга

2.2 Итоговые данные

Выводы

Список используемой литературы

Введение

Непрерывное усложнение задач полупроводниковой электроники, развитие её новых направлений, таких как наноэлектроника и оптоэлектроника, продемонстрировали ограниченность используемых в настоящее время технологических процессов легирования и предопределили поиск и разработку новых методов, наиболее перспективными из которых являются радиационные методы.

Для проведения неоднородного по глубине легирования необходимо использовать такой вид радиационного воздействия, который обеспечит эффективное изменение свойств полупроводника на контролируемых глубинах. С этих позиций оптимальным является использование короткопробежных заряженных частиц, в частности ускоренных ионов, из-за их характерного профиля тормозных потерь энергии.

Наряду с практической важностью исследования радиационного легирования полупроводниковых материалов с использованием заряженных частиц, такой цикл работ оказался актуальным ив научном плане, поскольку с их помощью были получены дополнительные, необходимые для развития радиационной физики твёрдого тела сведения о процессах генерации радиационных дефектов, свойствах этих дефектов и их взаимодействии с примесями в полупроводниках. Проведённые за последние двадцать лет исследования выявили и наиболее перспективный вид заряженных частиц: это оказались самые лёгкие ионы - протоны. Так сформировалось новое направление радиационного легирования - модифицирование полупроводников пучками протонов.

В данной работе проведено исследование возможности использование этого метода на циклотроне МГЦ-20. В данном случаем необходимо облучать равномерным полем протонов мишень с радиусом 5 см. Так как из циклотрона выходит точечный (диаметром 3 мм) пучок протонов, то между ней и циклотроном находится система формирования. Она состоит из пяти элементов: трёх рассеивающих фольг и двух ионопроводов (рис.1).

Рис.1 Схема системы формирования равномерного поля протонов

Основными характеристиками, которые определяет поле, являются:

1) Неоднородность поля - показывает, насколько больше частиц попадет в центр мишени, нежели по краям

Для нормального облучения мишени необходимо, что этот показатель был меньше 10%

2) Плотность тока в мишени - показывает интенсивность облучения мишени

Для более эффективного облучения необходимо добиться как можно более высокого значения плотности тока

3) Разброс по энергии - отклонение от среднего значения энергии протонов

Для нормального облучения мишени необходимо, чтобы разброс по энергиям был не больше ±10% от среднего значения

Система формирования должна быть универсальной - необходимо, чтобы поле эти требования выполнялись при выходных энергиях в 5 МэВ и 8 МэВ.

Моделирование эксперимента производится на программе SRIM.

Главная задача этой работы - подобрать такие составляющие системы формирования, чтобы выполнялись все необходимые условия.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Циклотрон, принцип работы

Для того чтобы заряженная частица могла вступить в ядерную реакцию, она должна приблизиться к ядру на достаточное расстояние с тем, чтобы вероятность её проникновения путём туннельного перехода приобрела заметную величину. Поэтому важной экспериментальной задачей была разработка методов получения заряженных частиц с энергиями в несколько миллионов электрон-вольт.

Вначале стремились к тому, чтобы установка имела лабораторный масштаб, по возможности помещалась на лабораторном столе и чтобы она не требовала для своего осуществления слишком больших затрат. Однако, когда некоторые из установок, отвечающих этим требованиям, были изобретены, оказалось, что путём повышения их размеров и мощности можно значительно расширить экспериментальные возможности. Наиболее эффективной установкой этого типа является циклотрон, вначале построенный Лоуренсом в виде небольшого лабораторного прибора, а в настоящее время в ряде случаев являющийся грандиозной технической установкой.

Рис. 2. Принцип Действия циклотрона.

Принцип действия циклотрона необычайно прост. Представим себе металлическую коробку в виде плоского полого цилиндра, разрезанного пополам. Коробка помещается в поперечное магнитное поле и на обе половины её накладывается сравнительно небольшая разность потенциалов (примерно 10 - 100 кВ) от высокочастотного генератора. Пусть в некоторый момент в разрезе между этими половинами, которые называются дуантами, находится положительный ион. Если в этот момент левый дуант (рис. 2) заряжен до максимального отрицательного потенциала, то ион притянется влево и попадёт внутрь дуанта, где электрическое поле отсутствует, но имеется поперечное магнитное поле (перпендикулярное к плоскости чертежа). Под действием магнитного поля ион опишет полуокружность. Время, которое ему для этого понадобится, равно

а скорость определяется из условия

где с - радиус дуанта, m - масса иона, е - его заряд (выраженный в электростатических единицах). Комбинируя (1.1) и (1.2), получаем

Описав полуокружность, ион вновь попадает в пространство между дуантами. За это время потенциал между ними меняет фазу, но частота генератора подбирается так, чтобы полупериод его как раз равнялся t. Вследствие этого ион, начавший своё движение в то время, когда левый дуант был заряжен до максимального отрицательного потенциала, вернётся в пространство между дуантами в момент, когда левый дуант будет заряжен до максимального положительного потенциала, а правый - до максимального отрицательного. В результате ион испытает новое ускорение по направлению к правому дуанту и будет продолжать свой путь внутри него с большей скоростью по кругу большего радиуса. Так как, однако, время обращения иона t по формуле (1.3) не зависит от радиуса, то раз установленный синхронизм уже сохраняется. Вследствие этого, проходя через пространство между дуантами, ион будет получать всякий раз новые и новые добавочные импульсы, и одна и та же разность потенциалов используется многократно.

Положим, что разность потенциалов между дуантами равна V1. Очевидно, что при n оборотах ион приобретает энергию, эквивалентную ускоряющему потенциалу

так как при каждом полном обороте он проходит дважды пространство между дуантами и, следовательно, дважды получает добавочный импульс.

Для осуществления синхронизма угловая скорость иона должна совпадать с угловой частотой генератора, то есть должна быть равна 2рf, где f -- линейная частота генератора. Из (1.2) имеем

так что условие синхронизма напишется в виде

или (1.4)

Таким образом, для данного сорта ионов и при данной частоте генератора магнитное поле должно иметь напряжённость, определяемую условием (1.4) с тем, чтобы имел место синхронизм. Например, для протонов , и если частота f выражена в мегациклах, то

Отсюда, например, при f =10 поле, необходимое для синхронизма, H=6.56 килоэрстед. Для скорости протонов находим из (1.2), полагая R= 51,5 см

Эквивалентный ускоряющий потенциал найдём, комбинируя с (1.2) соотношение

пучок протон поле циклотрон

откуда получаем

(1.5)

Общая схема циклотрона приведена на рис. 3. На нём изображены спиральные траектории двух ионов, попавших в пространство между дуантами при разных фазах переменного напряжения на дуантах. Если ион начинает своё движение в момент, когда напряжение имеет максимальную величину, то после n оборотов он приобретает скорость, которой соответствует ускоряющий потенциал

Если же фаза напряжения в момент, когда в пространство между дуантами попадает ион, такова, что, например,,

Рис.3 Схема циклотрона

то ион испытает вдвое меньшее ускорение. Но так как по (1.3) время полуоборота зависит только от и H, то синхронизм последовательных многократных ускорений будет иметь место и для этого иона. Разница будет состоять только в том, что такой ион при прохождении между дуантами будет испытывать вдвое меньшее ускорение, и потому для достижения максимальной энергии, определяемой радиусом R, ему надо будет сделать соответственно большее число оборотов. Радиусы последовательных отрезков спирали находятся при помощи (1.5), где в левой части следует подставить вместо V:

откуда

Итак, радиусы возрастают пропорционально n1/2

Очевидно, что, двигаясь по спирали от центра к периферии, ион проходит внутри дуантов длинный путь. Очень важно при этом, чтобы траектория иона, по возможности, лежала в средней плоскости между крышками дуантов, так как иначе ион попал бы, в конце концов, на одну из крышек и не достиг выходной щели. Этому сохранению плоскости орбиты способствует двойная фокусировка, электростатическая и магнитная, имеющая место в циклотроне. На рис. 4а изображено распределение эквипотенциальных поверхностей в области между дуантами, где ион испытывает ускорение. Видно, что путь иона, ортогональный к эквипотенциальным поверхностям, таков, что ионы должны фокусироваться в плоскости симметрии: электростатическое поле действует как электрическая цилиндрическая линза. В остальной части пути, как видно из того рисунка, электростатическое поле действует дефокусирующим фокусом. Однако сохранению пучка ионов способствует магнитная фокусировка, возникновение которой поясняет рис.4b. У краёв магнита магнитное поле испытывает естественное рассеяние: магнитное поле не вполне однородно и его силовые линии не перпендикулярны к плоскости симметрии, но имеют вогнутость в сторону центра поля. Если представить себе ион, движущийся со скоростью перпендикулярно к плоскости чертежа вне плоскости симметрии, то как легко видеть, на него будет действовать сила, пропорциональная и направленная к плоскости симметрии, и показано стрелками на чертеже.



Рис.4 Электрическая и магнитная фокусировка в циклотроне: а) сечение дуантов вблизи области ускорения ионов, показывающее электростатическую фокусировку; b) фокусирующее действие магнитного поля циклотрона

Очевидно, что результирующий эффект действия обоих полей будет благоприятным для сохранения пучка при условии, если комбинированное фокусирующее и дефокусирующее действие даст амплитуду колебаний сечения пучка, меньшую половины внутренней высоты дуантов. Экспериментальное исследование распределения ионов в пучке в вертикальной плоскости показало, что оно соответствует теоретическим расчётам: при больших радиусах сечение пучка становится всё меньшим; он сжимается около плоскости симметрии.

Источником ионов является небольшая дуга, горящая в центре циклотрона внутри конической полости, окружённой металлическими стенками. Дуга горит между накалённым катодом и стенкой полости, служащей анодом. Так как для горения дуги необходимо давление газа порядка мм рт. ст., то газ подтекает внутрь полости через узкое отверстие, представляющее гидродинамическое сопротивление, а возникающие ионы проникают через капилляр в камеру циклотрона, откуда, газ откачивается мощными быстро действующими насосами. Благодаря такой системе в камере циклотрона поддерживается низкое давление порядка мм рт. ст., тогда как внутри полости, где горит дуга, необходимое для её поддержания давление примерно в 100 раз выше.

Рассмотрим, наконец, важный вопрос о максимальной энергии ионов в циклотроне. Так как по (1.5) эквивалентный ускоряющий потенциал пропорционален квадрату радиуса периферической части орбиты, то, казалось бы, что, увеличивая радиус полюсов магнита, можно соответственно повышать и энергию выходящих из циклотрона ионов. Однако это повышение имеет предел, существование которого вытекает из следующих соображений. Вследствие релятивистской зависимости массы от скорости отношение , начиная с некоторой достаточно высокой скорости, перестаёт быть постоянным (при 100 МэВ масса протона уже на 10,5 % больше его массы покоя) и при дальнейшем увеличении скорости возрастает. Если поэтому в нерелятивистской области условие синхронизма (1.4) будет удовлетворено, то при переходе в релятивистскую область оно нарушится. Наглядно это можно пояснить следующим образом: вследствие релятивистского возрастания массы ион будет отставать по фазе от фазы напряжения генератора. В конце концов это отставание может достигнуть такой величины, что ион будет попадать в пространство между дуантами в моменты, когда напряжение будет не ускорять его, но тормозить. Согласно условию (1.4) синхронизм можно было бы поддержать, сделав магнитное поле H неоднородным, а именно - возрастающим по направлению к периферии. Однако при этом нарушилось бы пространственное распределение поля, создающее фокусировку.

Отставание фазы иона от фазы напряжения можно уменьшить увеличивая ускоряющую разность потенциалов между дуантами , так как очевидно, что чем выше эта разность потенциалов тем большую энергию успеет набрать ион, прежде чем фазовые соотношения полностью расстроятся.

Теоретические расчёты показывают, что максимальная энергия равна

где - напряжение между дуантами в киловольтах, А - массовое число иона (соответственно, для протона равное единице), Z - заряд иона и - начальная фаза. Таким образом, повышая , можно увеличивать энергию выходящего циклотрона пучка ионов. Однако это повышение имеет практический предел, определяемый утечками. Кроме того, при повышении очень сильно возрастает мощность генератора.

1.1.1 Изохронный циклотрон

Зависимость периода обращения частиц от их энергии приводит к тому, что существенное повышение предельной энергии в циклотроне приводит к использованию очень высоких напряжений. Данный путь является тупиковым из-за больших технических трудностей. Поэтому одним из способов повышения энергии является нахождение такой модификации циклотрона, в которой период обращения частицы не зависит от ее энергии. Если дополнительно потребовать при этом постоянства частоты ускоряющего напряжения, то азимутально-симметричное магнитное поле должно возрастать с радиусом по закону

,

Метод создания изохронного циклотрона состоит в отказе от азимутальной симметрии магнитного поля. Используются поля, возрастающие по радиусу.

Для качественного рассмотрения представим циклотрон, в котором поверхности полюсов магнита не плоские, а синусоидально меняются по азимуту (рис.5). Зазор между полюсами при прохождении окружности фиксированного радиуса периодически становится то больше, то меньше. Соответственно, магнитное поле также меняется по азимуту, области сильного поля носят название горбов, а области слабого поля - впадин. Силовые линии перераспределяются по азимуту таким образом, что выпуклости обращены к центру впадин. В медианной плоскости существует только вертикальная компонента магнитного поля, но выше и ниже ее появляется также азимутальная компонента Bи, которая меняет свой знак при переходе координаты z через нуль.

Рис.5 Профиль полюсных наконечников и силовые линии магнитного поля в изохронном циклотроне

1.1.2 Циклотрон МГЦ-20

МГЦ-20 - компактный изохронный циклотрон с диаметром полюсов 103 см, предназначенный для ускорения ионов водорода (протонов и дейтронов) и гелия (гелия-3 и гелия-4) в диапазоне от 5 Z2/A до 20 Z2/A МэВ, где Z - заряд, А - массовое число ускоряемого иона. Структура магнитного поля трёхсекторная, «слабоспиральная». Воздушные зазоры электромагнита в «холме» и «долине» соответственно равны 72 мм и 120 мм. Изохронные зависимости среднего магнитного поля по радиусу для любого режима ускорения формируется при помощи четырёх концентрических обмоток с независимым питанием.

1.2 Программа SRIM

SRIM (the Stopping and Range of Ions in Matter - Остановка и прохождение ионов в веществе) - группа программ, позволяющие рассчитать прохождение ионов (в диапазоне до 2 ГэВ/а. е. м.) в материи и их возможную остановку, используя квантово-механическое рассмотрение ион-атомных взаимодействий (где движущийся атом рассматривается как "ион", а все атомы мишени как "атомы"). Вычисления производятся при помощи статистических алгоритмов, позволяющие иону перемещаться между расчетными столкновениями, а затем усредняемые по результатам столкновения по прошедшему промежутку. Во время столкновение иона и атома происходит экранированное кулоновское взаимодействие, которое включает в себя взаимодействия обмена и корреляции между электронными оболочками. За счёт этого ионы создают электронные возбуждения в атомах-мишенях, которые описываются включением в описание коллективной электронной структуры мишени и межатомной структуры связи

1.3 Модифицирование полупроводников пучками протонов

Модифицирование полупроводниковых материалов, то есть направленное изменение их свойств пучками легких ионов, в частности протонов, является одним из наиболее перспективных и бурно развивающихся в последние годы физико-технических методов. Интерес к протонам и альфа-частицам обусловлен возможностью получения широкого и контролируемого диапазона глубин модифицированного материала (от 0.1 мкм до 1 мм) и отсутствием после такого облучения сложных радиационных комплексов с высокой температурой отжига. Основными тремя факторами, которые могут оказывать воздействие на изменение свойств полупроводников в результате протонного облучения, являются: 1) радиационное дефектообразование, 2) образование новых примесей в результате ядерных реакций и 3) накопление атомов водорода.

Рассмотрим отдельно некоторые направления радиационного модифицирования.

1.3.1 Радиационное легирование

Радиационное легирование - основное направление радиационного модифицирования. Оно осуществляется путем контролируемого введения в полупроводник как дефектов состава (примеси), так и дефектов структуры (вакансия, междоузельный атом и т.д.) полупроводникового материала. Дефекты состава и дефекты структуры оказывают на свойства полупроводников одинаковое влияние. Обычно дефектообразование сопровождается появлением в запрещённой зоне полупроводника локальных энергетических уровней. Дефекты служат поставщиками или ловушками электронов (донорами или акцепторами) либо являются центрами излучательной или безызлучательной рекомбинации неравновесных носителей заряда. Контролируемое введение радиационных дефектов в сочетании с последующей термической обработкой позволяет в широких пределах изменять такие электрофизические характекристики полупроводника, как электропроводность, тип проводимости, концентрацию, подвижность и время жизни носителей заряда.

1.3.1.1 Ионная имплантация

Основой технологического комплекса является протонный ускоритель, который облучает кремниевые пластинки протонами.

Технология протонного облучения позволяет создавать в структуре полупроводникового прибора скрытые слои с уменьшенным временем жизни носителей заряда, а также скрытые слои с имплантированными атомами водорода.

Имплантированный водород индуцирует в кремнии «мелкие» центры донорного типа, подобные по своим свойствам атомам традиционных донорных примесей, что позволяет создавать скрытые слои с измененным удельным сопротивлением. Создание таких слоев позволяет значительно улучшить характеристики таких приборов, как высоковольтные ограничители напряжения и динисторы, а также интегрировать эти защитные элементы непосредственно в структуру других полупроводниковых приборов.

1.3.2 Ионно-стимулированные процессы

Ионно-стимулированные процессы связаны с облучением при повышенных температурах. Одновременное воздействие двух факторов - радиационного и термического - приводит к формированию условий, необходимых для эффективной реализации, в частности, процессов радиационно-стимулированной диффузии и ионно-лучевого перемешивания.

2. Экспериментальная часть

Установка по облучению мишеней состоит из трёх частей: циклотрона, системы формирования и самой мишени (рис.6).

Рис.6 Схема установки по облучению мишеней

Протоны, ускоренные в циклотроне попадают в систему формирования, где из точечный пучка преобразуется в равномерное поле, которое и облучает саму мишень. Циклотрон, используемый в данной установке - МГЦ-20, мишенью является круглая кремниевая пластинка диаметром 10 см. Система формирования состоит из трёх рассеивающих фольг и двух ионопроводов. Главная задача данной работы подобрать их в соответствии с требуемыми условиями: неоднородность поля меньше 10%, максимально возможная плотность тока, разброс по энергиям в диапазоне ±10%. Возможность работы при двух выходных энергиях в 5 МэВ и 8 МэВ. Рассмотрим каждую из составляющих системы формирования отдельно.

2.1 Расчёт составляющих системы формирования равномерного поля протонов

2.1.1 Первая рассеивающая фольга

При выходе из циклотрона пучок протонов имеет диаметр 3 мм и разброс по энергии не более 50кэВ. Получается относительный разброс при энергиях от 5 МэВ до 15 МэВ составляет от 0.3% до 1%, то есть можно считать, что пучок с высокой степенью точности можно считать моноэнергетичным и точечным. Первая рассеивающая фольга должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Должна слабо активироваться и не разрушаться под длительным воздействием мощного пучка протонов.

2. Должна обеспечивать основной вклад в необходимое рассеяние пучка протонов с целью его последующей оптимизации.

3. Должна создавать небольшой разброс по энергиям

Было рассмотрено несколько различных фольг: две алюминиевые фольги с толщиной 50 мкм и 100 мкм соответственно, железная с толщиной 20 мкм, никелевая с толщиной 20 мкм и титановая с толщиной 50 мкм. Результаты моделирования приведены в таблице 1:

Тип и толщина рассеивающей фольги	Количество частиц попавших в мишень, %	Плотность тока в мишени, нА/см2	Относительная неравномерность поля, %	Разброс по энергии, МэВ
Al, 50 мкм	97,28	495	49.14988	14.60 - 14.72
Al, 100 мкм	92,96	473	46.48588	14.22 - 14.42
Ni, 20 мкм	90,44	461	45.05309	14.54 - 14.70
Fe, 20 мкм	92,90	472	46.77329	14.57 - 14.74
Ti, 50 мкм	90,45	461	44.94813	14.41 - 14.60

Табл.1 Параметры пучка в мишени диаметром 5 см в зависимости от типа и толщины рассеивающей фольги на расстоянии 213 см от неё при входной энергии пучка 15 МэВ и его токе 10 мкА

Как видно, алюминиевая фольги с толщиной 50 мкм обеспечивает самую большую плотность тока из всех, и даёт удовлетворительный разброс по энергии. Её недостатком является самая большая неравномерность получившегося протонного поля.

2.1.2 Первый ионопровод

После прохождения первой рассеивающей фольги, пучок протонов попадает в первый ионопровод. Его длина составляет 2130 мм. В данной части системы формирования необходимо минимизировать воздействие на рассеянный пучок, для этого внутри ионопровода создаётся вакуум.

2.1.3 Вторая рассеивающая фольга

После прохождения первого ионопровода пучок попадает на вторую рассеивающую фольгу. Её назначение - изолирование первого ионопровода от второго и «доводка» параметров пучка до необходимых. Соответственно, она должна обладать необходимым запасом прочности, для выдерживания разности давлений в первом и втором ионопроводе, а также должна улучшить такой показатель пучка как неравномерность. Моделирование показало, что алюминиевые фольги показывают лучшие результаты по оптимизации, но они не выдерживают разности давлений в одну атмосферу, поэтому целесообразно использовать железные фольги с минимально возможной толщиной. Опыт показал, что фольга толщиной 20 мкм обеспечивает необходимую прочность и удовлетворительные данные по оптимизации пучка.

2.1.4 Второй ионопровод

В качестве наполнителя ионопровода используется воздух по следующим причинам: доступность, отсутствие необходимости в специальном оборудовании по контролю за газом, а также, в случае нарушения целостности трубы, характеристики системы прохождения не изменяться. Длина второго ионопровода определяется вместе с типом и толщиной третьей рассеивающей фольги.

2.1.5 Третья рассеивающая фольга

В конце всей системы прохождения протоны проходят сквозь последнюю фольгу, которая окончательно корректируют все параметры пучка. Несмотря на то, что её вклад незначителен по сравнению с остальными, тем не менее, её правильный выбор тоже важен. Было рассмотрено два варианта фольги - алюминиевая толщиной 50 мкм и алюминиевая толщиной 100 мкм. Вместе с её определением была также найдена зависимость необходимых параметров от длины второго ионопровода.

В качестве остальных параметров системы формирования использовались найденные ранее:

Первая рассеивающая фольга - алюминий, 50 мкм.

Первый ионопровод - вакуум, 213 см.

Вторая рассеивающая фольга - железо, 20 мкм.

Второй ионопровод - вакуум, переменная длина.

Рассматривалось четыре серии случаев:

1) Средняя выходная энергия протонов - 8 МэВ, третья рассеивающая фольга - алюминий 50 мкм.

2) Средняя выходная энергия протонов - 5 МэВ, третья рассеивающая фольга - алюминий 50 мкм.

3) Средняя выходная энергия протонов - 8 МэВ, третья рассеивающая фольга - алюминий 100 мкм.

4) Средняя выходная энергия протонов - 5 МэВ, третья рассеивающая фольга - алюминий 100 мкм.

Результаты представлены в виде таблиц:

Длина ионопровода, см	Начальная энергия пучка, МэВ	Количество частиц попавших в мишень, %	Плотность тока в мишени, нА/см2	Относительная неравномерность поля, %	Разброс по энергии, МэВ
10	10.00	42.92	109.30	17.91	7.86 - 8.14
20	10.48	38.05	96.91	15.67	7.83 - 8.17
30	10.94	34.04	86.69	14.39	7.81 - 8.19
40	11.39	30.24	77.02	12.24	7.80 - 8.20
50	11.81	27.28	69.48	10.58	7.77 - 8.23
60	12.24	24.65	62.79	9.90	7.76 - 8.24
70	12.64	22.04	56.14	9.15	7.74 - 8.26
80	13.04	20.19	51.43	8.31	7.72 - 8.28
90	13.49	18.27	46.53	7.01	7.70 - 8.30
100	13.81	16.70	42.52	6.95	7.67 - 8.33
110	14.18	15.26	38.87	5.52	7.66 - 8.34
120	14.54	13.89	35.37	5.67	7.66 - 8.34
130	14.91	12.87	32.79	4.56	7.63 - 8.37
140	15.25	11.90	30.30	5.50	7.63 - 8.37
150	15.60	11.14	28.36	5.23	7.61 - 8.39

Табл.2 Параметры пучка после прохода системы формирования в мишени диаметром 10 см в зависимости от длины второго ионопровода при средней выходной энергии 8 МэВ, начальном токе пучка 15 мкА и третьей рассеивающей фольги - алюминий 50 мкм

Длина ионопровода, см	Начальная энергия пучка, МэВ	Количество частиц попавших в мишень, %	Плотность тока в мишени, нА/см2	Относительная неравномерность поля, %	Разброс по энергии, МэВ
10	10.44	37.53	95.58	15.00	7.84 - 8.16
20	10.91	33.69	85.79	13.52	7.81 - 8.19
30	11.31	29.95	76.27	12.40	7.74 - 8.16
40	11.75	28.10	71.57	11.38	7.74 - 8.16
50	12.20	24.91	63.43	10.61	7.75 - 8.25
60	12.61	22.45	57.19	9.84	7.73 - 8.26
70	12.95	20.61	52.34	8.56	7.73 - 8.27
80	13.40	18.67	47.55	7.57	7.70 - 8.30
90	13.81	17.13	43.63	6.63	7.69 - 8.31
100	14.18	15.79	40.21	6.52	7.66 - 8.34
110	14.54	14.44	36.77	6.17	7.65 - 8.35
120	14.89	13.25	33.75	4.71	7.64 - 8.36
130	15.24	12.26	31.23	5.00	7.62 - 8.38
140	15.56	11.42	29.08	3.98	7.59 - 8.41
150	15.96	10.45	26.61	2.43	7.57 - 8.43

Табл.3 Параметры пучка после прохода системы формирования в мишени диаметром 10 см в зависимости от длины второго ионопровода при средней выходной энергии 8 МэВ, начальном токе пучка 15 мкА и третьей рассеивающей фольги - алюминий 100 мкм

Длина ионопровода, см	Начальная энергия пучка, МэВ	Количество частиц попавших в мишень, %	Плотность тока в мишени, нА/см2	Относительная неравномерность поля, %	Разброс по энергии, МэВ
10	7.60	23.96	61.03	9.61	4.82 - 5.18
20	8.20	21.56	54.90	8.94	4.80 - 5.20
30	8.75	19.46	49.57	8.10	4.79 - 5.21
40	9.28	17.36	44.22	6.67	4.73 - 5.23
50	9.79	15.82	40.30	6.27	4.72 - 5.28
60	10.25	14.47	36.86	5.85	4.71 - 5.29
70	10.75	13.02	33.17	3.81	4.68 - 5.32
80	11.15	11.89	30.29	5.62	4.65 - 5.35
90	11.65	10.99	27.99	3.74	4.61 - 5.39
100	12.03	9.93	25.28	3.82	4.61 - 5.39
110	12.44	9.13	23.25	2.89	4.57 - 5.43
120	12.86	8.46	21.54	4.09	4.52 - 5.48
130	13.23	7.66	19.52	3.76	4.49 - 5.51
140	13.63	7.42	18.91	2.82	4.48 - 5.52
150	13.95	6.65	16.95	2.30	4.47 - 5.53

Табл.4 Параметры пучка после прохода системы формирования в мишени диаметром 10 см в зависимости от длины второго ионопровода при средней выходной энергии 5 МэВ, начальном токе пучка 15 мкА и третьей рассеивающей фольги - алюминий 50 мкм

Длина ионопровода, см	Начальная энергия пучка, МэВ	Количество частиц попавших в мишень, %	Плотность тока в мишени, нА/см2	Относительная неравномерность поля, %	Разброс по энергии, МэВ
10	8.18	20.88	53.17	9.89	4.82 - 5.18
20	8.73	19.04	48.48	6.88	4.79 - 5.21
30	9.28	17.44	44.42	7.01	4.77 - 5.23
40	9.78	15.74	40.08	6.32	4.73 - 5.27
50	10.20	14.46	36.81	5.72	4.63 - 5.21
60	10.77	13.05	33.24	5.59	4.62 - 5.38
70	11.12	12.06	30.72	5.09	4.62 - 5.38
80	11.64	10.87	27.69	3.93	4.61 - 5.39
90	12.07	10.23	26.05	3.32	4.60 - 5.40
100	12.42	9.31	23.70	2.90	4.59 - 5.41
110	12.98	8.68	22.09	2.68	4.55 - 5.45
120	13.20	7.82	19.93	2.41	4.54 - 5.46
130	13.67	7.38	18.79	2.47	4.53 - 5.47
140	14.08	6.69	17.05	2.50	4.50 - 5.50
150	14.43	6.32	16.09	1.9	4.45 - 5.55

Табл.5 Параметры пучка после прохода системы формирования в мишени диаметром 10 см в зависимости от длины второго ионопровода при средней выходной энергии 5 МэВ, начальном токе пучка 15 мкА и третьей рассеивающей фольги - алюминий 100 мкм

Видно, что фольга толщиной 50 мкм показывает лучшие результаты, хоть и незначительно, также было определено, что практически для всего диапазона значений выполняется условие о равномерности по энергии.

2.2 Анализ полученных данных

Построим графики зависимостей относительной неравномерности, начальной энергии протонов и плотности тока в мишени от длины второго ионопровода.



Рис.6 Зависимость относительной неравномерности поля протонов от длины второго ионопровода для средних выходных энергий 5 МэВ и 8 МэВ.

Из графика зависимости относительной неравномерности (рис.6) видно, что для соблюдения условия равномерности поля необходимо, чтобы для средней выходной энергии 8 МэВ длина второго ионопровода была больше 60 см, а для 5 МэВ - больше 10 см. То есть рекомендуется сделать или сменяемый ионопровод, или телескопический - для того чтобы была возможность регулировать его длину.



Рис.7 Зависимость плотности тока в мишени диаметром 10 см при токе пучка из циклотрона 15 мкА от длины второго ионопровода для средних выходных энергий 5 МэВ и 8 МэВ.

В соответствии с вычисленными длинами второго ионопровода из условия равномерности поля согласно графику зависимости плотности тока в мишени (рис.7) получаем, что она в том и другом случае составляет примерно 60 нА/см2.

График, отображающий зависимость начальной энергии пучка от длины второго ионопровода (рис.8) , позволяет определить её при данных значениях: для 8 МэВ она составляет 12.24 МэВа, а для 5 МэВ - 7.60 МэВа



Рис.8 Зависимость начальной энергии протонов в пучке на выходе из циклотрона от длины второго ионопровода для средних выходных энергий 5 МэВ и 8 МэВ.

Согласно проведённому моделированию, система формирования равномерного поля протонов состоит из:

1) Для средней выходной энергии 5 МэВ (Рис.9):

Выходная энергия пучка протонов из циклотрона - 7.60 МэВ, первая рассеивающая фольга - алюминий 50 мкм, первый ионопровод - вакуум, 213 см, вторая рассеивающая фольга - железо 20 мкм, третья рассеивающая фольга - алюминий, 50 мкм.



Рис.9 Схема системы формирования для средней выходной энергии 5 МэВ

2) Для средней выходной энергии 8 МэВ (Рис.10):

Выходная энергия пучка протонов из циклотрона - 12.24 МэВ, первая рассеивающая фольга - алюминий 50 мкм, первый ионопровод - вакуум, 213 см, вторая рассеивающая фольга - железо 20 мкм, второй ионопровод - воздух, 60 см, третья рассеивающая фольга - алюминий, 50 мкм.

Рис.10 Схема системы формирования для средней выходной энергии 10 МэВ

Выводы

Было произведено моделирование прохождения пучка протонов через систему формирования равномерного поля протонов и исследована возможность создания на базе циклотрона МГЦ-20 установки для облучения кремниевых пластин диаметром до 10 см. Также были определены составляющие компоненты системы формирования для создания равномерных полей при заданных выходных энергиях.

Список используемой литературы

1) Шпольский Э.В. Атомная физика. Т.II Электронная оболочка атома и атомное ядро. - М.: Государственное издательство технической литературы, 1950г. - 720 с.

2) Глессон C. Атом. Атомное ядро. Атомная энергия. Развитие современных представлений об атоме и атомной энергии. Пер. с англ. М.И.Флёровой. - М.: Издательство иностранной литературы, 1961г. - 648 с.

3) Ziegler J.M., Biersack J.P., Mattias D. SRIM - The Stopping and Range of Ions in Matter. - Morriville: Lulu Press, 2012. - 398 pages

4) Галаев А.Н., Гальчук А.В., Рябова Л.А., Степанов А.В., Стогов Ю.И. Магнитное поле 103-см компактного циклотрона. - Л.: НИИЭФА, 1978г. - 20 с.

5) Козловский В.В. Модифицирование полупроводников пучками протонов. - СПб: Наука, 2003г. - 272 с.

Размещено на Allbest.ru