气体和固体中带电粒子束能量沉积精细结构的等效测量方法研究

To study the fine structure of energy deposition for charged particles in electronic components on sub-micrometer scale, we propose an equivalent measuring method based on gas scintillators.Energy deposition distribution of charged particle beams in gas scintillator is concluded from the fluorescent image of particle beams tracks. The fine energy distribution of charged particles in solids (mainly in Si) can be derived from that in gases by using the energy distribution equivalent relationship of charged particles between gas and solid state materials. This research will mainly concern on two aspects: 1) Track imaging technology of charged particle beams in gas scintillators; 2) Equivalent relationship of energy distributions along the particle track between gas and solid materials(Si). This research offers a novel method for mechanics study on radiation damage in electronic components, and may provide an accurate studying method for the measurement of Bragg curve.

为准确获知辐射粒子在器件中亚微米尺度能量沉积的精细分布，提出了一种利用气体闪烁体等效研究带电粒子与固体材料（Si）作用能量沉积分布精细结构的方法。通过实验获取带电粒子束在气体闪烁体中径迹发光图像，得到入射带电粒子在气体中能量沉积空间分布，结合气体与固体（Si）等效关系模型，推断带电粒子在电子元器件中亚微米尺度能量沉积分布特性。主要研究内容包括：1）气体闪烁体中带电粒子束径迹直接成像技术；2）建立气体和固体（Si）中沿粒子径迹能量沉积分布等效模型。本项目的开展不仅可为器件辐射损伤机理研究提供了一种全新的技术手段，还可为带电粒子在物质中Bragg曲线研究提供一种精确的直接测量方法。

为深化对带电粒子在固体中能量沉积分布及器件辐射损伤机理认识，本项目提出根据气体中带电粒子能量沉积精细结构等效研究固体器件中辐射损伤的方法。在项目研究中，逐渐发现开展气体闪烁体的粒子束和单粒子径迹荧光成像测量，可实现粒子束和单粒子能谱的精细分辨。为此，项目重点开展了相关方面工作：（1）研究了Ar、CF4及其混合气体辐射发光特性及其在强电场中的雪崩发光特性。光谱测量结果表明加入CF4能显著改善Ar谱线主要位于紫外波段的不足，Ar+CF4发射光谱涵盖紫外-可见-红外整个波段。单光子计数时间曲线测量结果表明混合气体衰减时间约为8-14ns，是一种较快的气体闪烁体。（2）研究建立了粒子束径迹成像实验系统，包括气体腔室、具备对不同气体精确控制的混气装置及成像装置。在加速器上开展质子束实验，实验获得了清晰的质子束径迹图像。气体荧光成像系统具有很高能量分辨，基于直流质子束径迹图像可分辨10keV以下的极小能量晃动。这为基于反冲质子束的脉冲中子能谱测量提供了实验支撑。（3）在质子束径迹成像系统基础上，提出采用多丝正比室雪崩放大实现单粒子径迹成像的思路，研究建立了用于单粒子径迹成像测量的实验系统。实验成功获得了单质子径迹图像，并在此基础上，由单质子径迹反推出入射粒子能量等信息，结果表明其能量分辨好于3%。