Способ облучения образца пучком ускоренных заряженных частиц Советский патент 1991 года по МПК G01N23/00 

Изобретение относится к технике управления потоками ускоренных заряженных частиц.

Целью изобретения является почыше- ние устойчивости равномерности облучения образца при сохранении времени облучения.

На фиг, 1 представлен график зависимости тока в обмотках (магнитного) сканирова- теля и напряженности сканирующего (магнитного) поля Н от времени t при низкой частоте линейного сканирования; на фиг. 2 - график зависимости напряженности скапирующего (магнитного) поля от времени при повышенной частоте сканирования; на фиг. 3 - траектория движения сфокусированного пучка по поверхности образца при сканировании по координате Y по синусоидальному закону с постоянной амплитудой, а также эпюры распределения дозы облучения по обеим координатам (заштриховано); на фиг. 4 - зависимость координаты Y сканируемого пучка от времени; на фиг. 5 - зависимость амплитуды А синусоидального сканирования от времени; на фиг. 6 и 7 - разновидности периодического сканировао

XJ

ю

Сл

О

ния, недопустимые при использовании в способе.

Сущность способа заключается в следующем.

Поскольку облучение осуществляется пучком, то для обеспечения достаточной равномерности облучения всей поверхности образца необходимо осуществить большое число циклов сканирования. Поэтому достаточную степень равномерности облучения невозможно получить в том случае, если частота сканирования невелика, а время облучения ограничено. Это требуется тогда, когда необходима малая доза облучения при достаточно интенсивных пучках.

Для обеспечения равномерности облучения сканирование по каждой координате осуществляют по линейному закону (фиг. 1). Чтобы осуществить сканирование по линейному закону, ток в обмотках магнитного ска- нирователя необходимо изменять также по линейному закону (фиг, 1). Если частота сканирования f I /Тек, где ТСк - период скани- рования, невысока, то такое изменение осуществить удается, при этом сканирующее магнитное поле меняется также по линейному закону.

При повышении частоты f инерционность обмоток магнитного сканирователя приводит к искажению формы тока за счет снмжения вклада высших гармонических составляющих. К этому же приводит инерционность магнитных свойств используемых ферромагнитных материалов, связанная с повышением роли токов Фуко на высоких частотах. В результате с повышением частоты сканирования сканирующее магнитное поле изменяется во времени так, как показано на фиг. 2. Это приводит к нарушению равномерности облучения образца (уменьшение дозы облучения в средней части и повышение ее по краям).

Единственным периодическим законом, при котором форма изменения сканирующего магнитного поля совпадает с формой.изменения тока в обмотках магнитного сканирователя (а также с формой напряжения на этих обмотках) является синусоидальный закон. Утверждение справедливо, поскольку инерционное магнитное сканирование можно рассматривать как управление координатным положением пучка через одно или несколько линейных инерционных звеньев, которые передают управляющее воздействие с минимальными потерями и без искажения формы при повышении частоты только тогда, когда это воздействие осуществляется по синусоидальному закону.

При повышении частоты форма изменения сканирующего магнитного поля начинает автоматически приближаться к синусоидальной (фиг. 2). По предлагаемому

способу сканирование по координате X сохраняет линейный характер изменения (фиг. 1), а сканирование по координате Y осуществляют по синусоидальному закону. Причем синусоидальное сканирование можно

осуществить без искажений при повышении частоты вплоть до предельной частоты пропускания данной сканирующей системы. При этом сфокусированный пучок двигается по поверхности образца, вычерчивая на ней

синусоидальный след (фиг. 3). Поскольку сканирование по обеим координатам осуществляется асинхронно, при каждом очередном проходе пучка по координате X описываемая им траектория не совпадает с

траекторией всех предыдущих проходов (фиг. 3). В этом случае происходит постепенное в среднем равномерное облучение образца вдоль координаты X. При этом для заданного времени экспозиции локальная

равномерность облучения тем выше, чем больше частота сканирования.

Если амплитуда сканирования по оси Y неизменна, то облучение образца по этой координате неравномерное (фиг. 3 штрихованные эпюры). Для выравнивания дозы облучения по оси Y периодически изменяют амплитуду синусоидального сканирования. Рассмотрим один период этого изменения. Предположим, что амплитуда А медленно

(т.е. на малую величину за период сканирования) изменяется, уменьшаясь от -максимального значения АО до нуля. При этом закон изменения амплитуды необходимо выбрать так, чтобы происходила постепенная равномерная засветка всего образца. Покажем, что это можно сделать в случае синусоидального сканирования.

На фиг. 4 изображен один период изменения координаты пучка Y во времени t Из

графика видно, что доза облучения выделенного участка A Y пропорциональна времени прохождения пучка через этот участок, т.е.

пропорциональна величине Jy , где t(Y)

- функция, обратная функции

Y(t) Asint,(1)

а время t берется в угловом измерении. Поскольку

t (Y) arcsln,(2)

то

1

(3)

При изменении амплитуды удельная доза облучения в точке с координатой Y А от каждого очередного периода сканирования складывается с удельной дозой облучения в этой точке от всех предыдущих периодов. Учитывая (3), можно утверждать, что эта суммарная доза пропорциональна величине

г(А)АА

,- .(4)

где г(А) - среднее время, в течение которого изменяющаяся амплитуда А находится в интервале от А до А + А А.

Для обеспечения равномерности облучения по координате Y необходимо, чтобы выражение (4) равнялось постоянной, независящей от Y, величине С. Учитывая медлен- ное изменение амплитуды, знак суммирования можно заменить знаком интеграла. Тогда приходим к интегральному уравнению

в

Л VA -У2 неизвестной функцией в котором является

т (А), а ядро определяется синусоидальным законом сканирования. Уравнение (5) имеет решение, которое может быть найдено известными численными методами. Зная г (А), можно определить t, при котором амплитуда принимает значение А. Это время определяется выражением

t(A) jJi(A)dA.

(6)

причем t(Ao) Т, где Т - полная длительность периода изменения амплитуды, Зависимость амплитуды от времени, т.е. функция A(t), обратная (6), следующая.

Решение Т(А) уравнения (5) найдено одним из известных численных методов решения интегральных уравнений данного класса, затем численным образом рассчитывается функция (6) и определяется ей обратная искомая функция A(t).

Гладкий и монотонный характер изменения функции А(т) дает возможность пред- ставить ее с достаточной точностью суперпозицией экспонент

A(t) - 1,024exp(-0,1t/T) - 0,536ехр(- 2t/T) - 0,439exp(-13,3t/T),(7)

где t меняется от нуля до Т.

Функция A(t), определяющая изменение амплитуды сканирования по координате Y во времени, графически представлена на фиг. 5. Амплитуда изменяется с временем в сторону увеличения, а не в сторону уменьшения, как это предполагалось при

обосновании выражения (4). Инверсия времени происходит при использовании выражения (б), где переменным принят верхний предел интегрирования.

5Уравнение (5) разрешимо, поскольку его

ядро определяется синусоидальным законом сканирования. В общем случае это не всегда так. В качестве примера на фиг. 6 и 7 изображены некоторые временные зависи- 10 мости, по которым также может быть осуществлено периодическое сканирование. Но уравнения типа (5) с ядром, определяемым этими функциями, не имеет решения, т.е. никакое изменение амплитуды не позволит 5 получить равномерное облучение образца, если сканирование осуществлять так, как на фиг. 6 и 7 (в частности, фиг. 7 соответствует использованию тиристорного регулятора без фильтра высших гармоник для измене- 0 ния амплитуды сканирования на низких частотах).

Таким образом, при медленном изменении амплитуды синусоидального сканирования от нуля до Т в соответствии с 5 выражением (7) получают равномерное облучение образца, что справедливо в том случае, когда интенсивность облучающего потока постоянна по величине, Реальные пучки ускоренных заряженных частиц, пол- 0 учаемые на ускорителях, как правило, изме- няют свою интенсивность в течение времени. При этом возможно появление неравномерности облучения в течение одного цикла длительностью Т, которая связана с 5 указанной нестабильностью интенсивности пучка.

Чтобы сохранить равномерность облучения при нестабильности средней интенсивности облучающего потока, необходимо 0 периодически повторить указанный цикл изменения амплитуды некоторое целое число раз п. При этом общее время облучения То связано с периодом Т выражением Т То/п.Поскольку изменения интенсивности 5 пучка статическим не связаны с законом изменения амплитуды сканирования, периодическое повторение изменения амплитуды приводит к повышению общей равномерности облучения, 0 Но увеличение числа периодов изменения амплитуды при условии медленного изменения амплитуды внутри каждого периода невозможно при ограниченной продолжительности экспозиции. Для повы- 5 шения равномерности облучения при сохранении времени облучения длительность периода Т можно сократить, не требуя больше медленного изменения амплитуды внутри каждого периода, но при этом необходимо обеспечить полную асинхроннусоидального сканирования и процессом периодического изменения его амплитуды, Асинхронность в данном случае означает недопустимость кратности периодов этих двух процессов какому-либо общему временному интервалу, Необходимо, чтобы ве- личина Т/Тек, где ТСк - период синусоидального сканирования, была числом иррациональным. Указанное условие исключает появление периодической неравномерности облучения вдоль оси Y, а результаты облучения от каждого периода изменения амплитуды, усредняясь, дают равномерное распределение дозы облучения по поверхности образца. Поскольку величина п при этом сохраняется, нестабильность интенсивности пучка не сказывается на равномерности облучения.

Таким образом, использование синусоидального магнитного сканирования по одной из координат дает возможности повысить сканирующую частоту по этой координате и тем самым повысить локальную равномерность. Остальные операции способа обеспечивают выравнивание удельной дозы облучения по всей поверхности образца в условиях реальных облучающих пучков. Окончательным результатом является повышение равномерности облучения.

Поскольку сканирование по координате Y осуществляют по синусоидальному закону, это позволяет увеличить частоту сканирования и, тем самым повысить локальную однородность облучения. Для компенсации образующейся при атом неравномерности облучения вдоль оси Y используется изменение амплитуды сканирования за время Т по закону A(t), определенному выражением

(7).

Если предположить, что амплитуда А изменяется от максимального значения до нуля, то по мере ее приближения к нулю доза облучения образца в районе Y - 0 плавно повышается, постепенно приближаясь к дозе облучения краев образца, соответствующих большим Y. Плавное повышение дозы обусловлено тем, что при синусоидальном сканировании даже при больших амплитудах облучение образца происходит по всей поверхности, включая центральные части образца. Это обеспечивает устойчивость удельной дозы облучения по отношению к малым отклонениям функции A(t) от расчетного значения. Периодическое повторение изменения амплитуды в п раз устраняет неравномерность облучения, связанную с флюктуациями облучающего потока, и делает способ практически реализуемым при использовании реальных потоков ускоренных частиц, а обеспечение асинхронное™ двух

процессов - процесса периодического изменения амплитуды А и процесса периодического сканирования по координате Y позволяет повысить число периодов п, обеспечив гем самым равномерность облучения при сохранении времени облучения То. Поскольку п - целое число, то способ обеспечивает устойчивость равномерности облучения за время То по отношению к ма0 лым отклонениям функции A(t) от расчетного значения.

Пример. Осуществляют облучение контрольного образца согласно предлагаемому способу. Для облучения используется

5 пучок ионов 0 , ускоренных на циклотроне до энергии 20 МэВ. Неравномерность облучения при малых дозах оценить трудно, по- скольку отсутствуют достаточно чувствительные прямые методы такой оцен0 ки. Но неравномерность облучения сказывается на качественных характеристиках облучаемых образцов и проявляется в том или ином виде при дальнейшем их использовании.

5 Для оценки равномерности облучения можно воспользоваться косвенным методом частотной трансформации. Этот метод заключается в том, что вместо низкоинтен- сивных пучков используют пучки, интенсив-

0 ность которых в Ki раз превышает заданную, а все частоты наоборот в К2 раз меньше заданных. При этом погонная доза облучения вдоль траектории движения пучка по поверхности образца увеличивается в

5 KiKa раз, а равномерность облучения сохраняется, если время облучения увеличено в «2 раз, Это дает возможность использовать в качестве индикатора равномерности плотную бумагу, изменение цвета которой зави0 сит от дозы.

Экспериментально установлено, что имеющиеся в наличии квадрупольные магнитные линзы позволяют производить линейное магнитное сканирование с

5 максимальной частотой, равной 10 Гц, а синусоидальное - с частотой 50 Гц. В соответствии с этим проводят два контрольных эксперимента на частотах в 10 раз ниже рабочих. При этом интенсивность ускорен0 ного пучка ионов составляет А.

Известный способ. Частота линейного сканирования по X f 1 0,7 Гц, частота линейного сканирования по Y fa 1,0 Гц, общее время облучения То 40 с.

5 Предлагаемый способ. Частота линейного сканирования по X fi 1,0 Гц. частота синусоидального сканирования по Y fa 5,0 Гц, период изменения амплитуды Т 4 с, общее время облучения Te 10Т-40 с (п - 10).

При проверке способа задействованы две квадрупольные линзы специального изготовления, которые одновременно используют и для фокусировки пучка, и для его сканирования. Сфокусированный пучок при отсутствии сканирования направляется в центр контрольного образца, который представляет собой кусок плотной бумаги размерами ЗОхЗОмм2. Средняя база сканирования составляет 1,7 м.

Магнитное сканирование осуществляют путем противофазного изменения тока в полуобмотках линз через два отдельных усилителя постоянного тока, Асинхрон- ность сканирования по обеим координатам достигается независимой установкой частот сканирования для обеих линз от двух независимых генераторов Г6-28. Причем генератор, управляющий сканированием по координате X, работает в режиме линейного выходного сигнала, а аналогичный генератор управления сканированием по оси Y - в режиме синусоидального. Амплитуда сканирования по координате Y изменяется в соответствии с выражением (7) путем периодического изменения напряжения, управляющего усилением усилителя Y. Это напряжение формируется на периодически разряжаемом конденсаторе, заряд которого осуществляется с различными постоям- ными времени в соответствии с (7), а разряд происходит через интервал Т, который примерно равняется двадцати периодам сканирования по оси Y. Точное значение периода Т формируется при помощи специального

асинхронизатора, на вход которого поступает частота синусоидального сканирования. При этом обеспечивается асинхронность процесса синусоидального сканирования и процесса изменения его амплитуды.

Визуальная оценка равномерности облучения показывает, что при одинаковом времени экспозиции То предлагаемый способ обладает большей равномерностью облучения (равномерное изменение цвета бумаги), чем известный (пестрый, неровный фон облучения).

Формула изобретения

Способ облучения образца пучком ускоренных заряженных частиц, включающий фокусировку пучка и сканирование пучка по поверхности образца асинхронно по двум координатам, при этом сканирование по координате X осуществляют по линейному закону, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости равномерности облучения при сохранении времени облучения, сканирование по координате Y осуществляют по синусоидальному закону, при этом амплитуду сканирования А по координате Y периодически изменяют с периодом Т То/n, где п - целое число; То - полное время облучения, асинхронно по отношению к синусоидальному сканированию в соответствии с выражением

Aft) - 1,024exp(-0.1t/T) - 0.53бехр(- 2t/T)-0,439exp(-13,3t/T)J где t - текущее время;

АО - максимальная амплитуда сканирования.

Изобретение относится к технике управления потоками ускоренных заряженных ча- стиц и может быть использовано в следующих областях: глубокая имплантация в полупроводниковые материалы, активационный анализ поверхности образцов, изготовление ядерных фильтров, а также в других областях науки и техники. Цель изобретения - повышение устойчивости равномерности облучения при сохранении времени облучения. При реализации способа осуществляют сканирование сфокусированного пучка по поверхности образца асинхронно по обеим координатам, при сканировании по координате X - по линейному закону, а по координате Y - по синусоидальному закону, амплитуду сканирования А по координате Y периодически изменяют с периодом Т То/n асинхронно по отношению к синусоидальному сканированию, где п - целое положительное число; То - полное время облучения. Изменение амплитуды сканирования А в течение каждого периода осуществляют в соответствии с выражением A(t) - 1.024 exp (-0,1t/T) - 0.536 ехр(- 2t/T) - 0,439 exp (-13,3 t/T), где Т - текущее время; АО - максимальная амплитуда сканирования. 7 ил. со с

Iff

Ъм

Фиг Л

А Л

V V V

ФПГ. 1

t

Фиг. Z

Фиг.-v

(pi/е.б

Фиг. 7