基于静电分析器的全自动高精度能谱测量系统

基于静电分析器的全自动高精度能谱测量系统 李敏;朱洲森;韩纪锋;师勉恭;周茂蕾;陈桎远;刘东;曲国峰 【摘 要】A fully automatic high precision energy acquisition system based on electrostatic analyzer which was successfully used in the experimental study between microclusters and graphene was realized. Based on this system, the interaction process of 1. 8MeV H+2 micro-clusters with 4layers of graphene films was studied, and the energy spectrum of the proton after the Coulomb explosions as well as the spectrum of the transmitted H+2 was measured, which greatly improved the speed of data acquisition and reduced the experimental error. The measurement results show that the energy resolution of the system is about 0. 6keV for the 1. 8MeV H+2 , which is of great significance for the future high precision energy spectrum measurements.%本文实现了一种基于静电分析器的全自动高精度能谱测量系统,并成功用于微团簇离子束同石墨烯薄膜相互作用的实验研究.基于该高精度能谱测量系统,研究了1.8MeV的H+2微团簇同4层石墨烯薄膜的相互作用过程,测量了库仑爆炸后的质子能谱和透射的H+2能谱,实现了全自动的能谱采集,极大提高了数据获取速度,降低了实验误差.测量结果表明,该系统在H+2的入射能量1.8MeV处的能量分辨约为0.6keV,对于下一步开展基于加速器的高精度能谱测量研究具有重要意义.

【期刊名称】《原子能科学技术》 【年(卷),期】2018(052)004 【总页数】5页(P705-709) 【关键词】微团簇;90°静电分析器;测量系统;能谱测试;石墨烯 【作 者】李敏;朱洲森;韩纪锋;师勉恭;周茂蕾;陈桎远;刘东;曲国峰 【作者单位】四川大学原子核科学技术研究所辐射物理及技术教育部重点实验室,四川 成都 610065;四川师范大学物理与电子工程学院,四川 成都 610066;四川大学原子核科学技术研究所辐射物理及技术教育部重点实验室,四川 成都 610065;四川大学原子核科学技术研究所辐射物理及技术教育部重点实验室,四川 成都 610065;四川大学原子核科学技术研究所辐射物理及技术教育部重点实验室,四川 成都 610065;四川大学原子核科学技术研究所辐射物理及技术教育部重点实验室,四川 成都 610065;四川大学原子核科学技术研究所辐射物理及技术教育部重点实验室,四川 成都 610065;四川大学原子核科学技术研究所辐射物理及技术教育部重点实验室,四川 成都 610065

【正文语种】中 文 【中图分类】TL817.3

从Poizat和Remillieux[1]在1971年首次开展微团簇与固体相互作用研究以来，科学家已开展了大量的有关等微团簇离子束同固体材料相互作用的研究。文献[2]研究了在固体薄膜中的能量沉积，第1次观察到了邻近效应，即微团簇在薄膜中的能量损失要大于相同情况下两个单独质子的能量损失(正效应)。文献[3-4]研究了入射能量和薄膜厚度对邻近效应的影响，发现随着微团簇离子束能量的增加，邻近效应从负变为正且逐渐增强，同时发现固体材料粗糙度越大则邻近效应越强；膜厚度越厚则邻近效应越弱并逐渐消失。文献[5]对微团簇与固体相互作用研究进行了综述，指出在高能量端邻近效应随能量增加而增强，且都为正效应。这些研究极大推动了对分子离子(微团簇)结构、运动规律和相互作用过程的认识。四川大学原子核科学技术研究所从1980年开始组建了一套多功能原子碰撞装置并用于微团簇同物质相互作用的实验研究，并在氢键、氦键键长测量等领域发表了一系列科研成果。文献[6-9]实验研究并给出了和H2D+的结构和键长。石墨烯作为21世纪的新型材料，具有独特的二维层状结构，在电子、半导体等领域具有重大的应用前景。其层内电子仅能在二维方向运动，因此其同微团簇离子束相互作用时，有望发生完全不同于块体薄膜的新现象。为了该实验项目的开展，需设计一套全新的全自动高精度能谱测量系统。 微团簇同固体相互作用后产生的能量差较小，如对于1.8 MeV的微团簇，库仑爆炸后两个质子的能量差约为8 keV，因此必须采用具有高精度本领的探测器进行测量。在核物理实验中通常采用金硅面垒型探测器进行带电粒子的探测，但金硅面垒型探测器能量分辨较差，通常为10 keV(对241Am源产生的5.486 MeV的α粒子)，无法满足实验要求。本系统采用四川大学原子核科学技术研究所自行设计的90°静电分析器进行测量[9]，在静电分析器的出口用金硅面垒型探测器进行带电粒子探测。此时，金硅面垒型探测器只作为计数型探测器而非能谱测量用探测器，该系统的能量分辨率主要取决于静电分析器，通过采用高精度的稳压电源可将静电分析器的能量分辨率提高到极高的水平。本文通过控制两台高精度的高压电源产生正、负高压，加载在静电分析器的极板上产生静电场，通过自动控制系统实现高压的准连续调节，通过采集金硅面垒型探测器在给定高压下的计数获得能谱，以达到高的能量分辨。 1 离子束及90°静电分析器 从高频离子源引出的分子离子团簇束在2.5 MV静电加速器中加速获得能量，再经过偏转磁铁(出口处缝宽1 mm)偏转后，获得单一种类和能量的分子离子团簇束流，之后经过20°磁分析器再一次偏转后进入图1所示的用于微团簇同石墨烯相互作用研究的实验装置。装置由束流准直净化系统、靶室、4个观察室、90°静电分析器、测量室和配套的真空泵系统组成，整个系统真空度约为5×10-4 Pa，其中90°静电分析器是全自动高精度能谱测量系统的关键。 图1 原子碰撞装置示意图Fig.1 Schematic diagram of atomic collision device

微团簇束流同石墨烯薄膜相互作用后，发生库仑爆炸并产生质子碎片，通过安装在0°方向的静电分析器，测量获得沿束流方向的高精度质子能谱和透射微团簇束能谱，用于研究微团簇同石墨烯的相互作用过程。对于静电分析器能谱获取系统，需首先控制加载在静电分析器上的高压，待稳定后统计在给定时间内金硅面垒型探测器获得的计数；之后，通过不断改变静电分析器的电压，来获得入射粒子的全能谱，静电分析器的能量分辨主要取决于机械加工精度、高压电源的电压稳定性和步长。通过采用高精度的高压电源可获得高精度的能谱。 静电分析器的电极由两块截面为80 mm×40 mm、对圆心的张角为90°的不锈钢圆弧钢板组成。两电极间的距离为(8.00±0.01) mm，对靶张角<0.75×10-4 rad[6]，中心轨道半径为800 mm，静电分析器入口、出口狭缝开口小于1 mm。当静电分析器两电极板之间的电压为V时，仅有满足式(1)的离子可穿过静电分析器并到达出口处的探测器上。 E=qRV/2d (1) 其中：R为静电分析器的中心轨道半径；d为电极间距；q和E分别为粒子的电荷和能量。因此，根据电极上的电压大小和分析器的参数可确定待测粒子的能量。 2 全自动高精度能谱测量系统 图2 测量系统连接示意图Fig.2 Measurement system connection diagram 全自动高精度能谱测量系统硬件设施的设备连接示意图如图2所示。静电分析器及其高压系统和测量室中的计数型探测器及其配套电子学系统组成了全自动高精度能谱测量系统的硬件设施。 90°静电分析器作为整套高精度能谱测量系统的核心，其连接的高压电源要求有：精度高、稳定性好、响应灵敏、控制简单等特性。本系统采用了两个Spellman公司的TOF3000型高压电源，通过输入0～10 V的调节信号可对应产生0～30 000 V的输出高压，电源纹波≤70 mV，精度0.001%。高压电源的调节信号由RIGOL公司的DP800系列可编程线性直流电源产生，控制精度为1 mV。静电分析器上的高压经高精度电阻网络分压3 000倍后产生0～10 V的低压电平，并通过RIGOL公司的M300系列数据采集系统采集该电平信号，用于监控静电分析器上的实际高压值。数据处理时，测量值用于能量的计算以减小实验误差。M300同时监控获得温度、湿度等环境数据。该套系统的最小高压调节步长为3 V，对应理论能量步长为0.15 keV，从而实现了高精度的能谱测量。 静电分析器出口安装ORTEC公司生产的CA-014-025-1000型金硅面垒型探测器测量带电离子。该探测器作为计数型探测器使用，信号经过电荷灵敏前置放大器(142IH)、主放大器(575A)后，通过单道转换为数字信号，并通过1台定标器转换为计数。PC机通过串口同定标器进行通信，实现控制和数据传输。 基于LabWindows设计了1套软件来实现对全自动高精度能谱测量系统硬件设施的控制。软件采集功能流程如图3所示。 图3 软件采集功能流程Fig.3 Software acquisition function flow 软件分为3个功能模块，分别是设备寻找功能、束流调试功能和数据采集功能模块。软件运行时首先启动设备寻找功能，软件控制计算机分别与DP800、M300和定标器握手，并建立连接，为下一步数据传输做好准备。如果有其中1个设备未连接成功，将不能启动后续有关该设备的功能。之后，可开始运行束流调试功能或数据采集功能。其中，束流调试功能用来测量原始束流的准确能量，在加速器给