范 輝，郭 剛，沈東軍，劉建成，陳紅濤，趙 芳，陳 泉，何安林，史淑廷，惠 寧，蔡 莉，王貴良

（中國原子能科學(xué)研究院核物理研究所，北京 102413）

14 MeV中子引發(fā)SRAM器件單粒子效應(yīng)實驗研究

范 輝，郭 剛，沈東軍，劉建成，陳紅濤，趙 芳，陳 泉，何安林，史淑廷，惠 寧，蔡 莉，王貴良

（中國原子能科學(xué)研究院核物理研究所，北京 102413）

在中國原子能科學(xué)研究院的高壓倍加器裝置上開展了SRAM器件的14MeV中子單粒子效應(yīng)實驗研究。介紹了中子的產(chǎn)生、中子注量率的測量和調(diào)節(jié)以及中子單粒子效應(yīng)的測試等的實驗方法，獲得了HM628512BLP型和R1LV1616HSA型SRAM器件的14MeV中子單粒子效應(yīng)截面。前者與文獻(xiàn)的單粒子效應(yīng)截面在誤差范圍內(nèi)一致，驗證了實驗方法的科學(xué)性和可行性。后者與由效應(yīng)機(jī)制出發(fā)獲得的理論分析結(jié)果在量級上一致，對實驗結(jié)果給出了定性的解釋。

高壓倍加器；SRAM；單粒子效應(yīng)；截面

空間中的初級宇宙射線主要為高能質(zhì)子和重粒子，當(dāng)這些初級宇宙射線的能量足夠大時，便會克服地磁場的屏蔽進(jìn)入臨近空間（距地面20～ 100km的空間區(qū)域），與大氣中氮、氧等原子碰撞發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生大量次級粒子（電子、γ、中子、質(zhì)子、π介子和μ子等），在產(chǎn)生的各次級粒子中，有3種粒子可產(chǎn)生單粒子效應(yīng)，即中子、質(zhì)子和π介子，其中，中子引起的單粒子效應(yīng)最嚴(yán)重。

近年來，臨近空間的戰(zhàn)略價值逐漸引起各國重視，臨近空間飛行器也因其顯著特點和潛在的軍、民用價值而成為各國研究的熱點。對臨近空間飛行器構(gòu)成威脅的最主要因素是大氣中子，當(dāng)臨近空間的高能中子穿過半導(dǎo)體器件時，可能會在器件內(nèi)引起單粒子效應(yīng)，造成數(shù)據(jù)丟失、損壞，甚至飛行器功能異常。國際航空界非常重視大氣中子環(huán)境及其輻射效應(yīng)的研究，而國內(nèi)限于缺乏合適的高能加速器中子源，中子輻射效應(yīng)研究尤其是中子單粒子效應(yīng)研究開展得較少，技術(shù)以及理論水平相比國外存在一定差距。本文利用中國原子能科學(xué)研究院的高壓倍加器裝置產(chǎn)生的14MeV準(zhǔn)單能中子束進(jìn)行SRAM器件的中子單粒子效應(yīng)實驗研究，以逐步積累中子單粒子效應(yīng)實驗技術(shù)、深入了解中子單粒子效應(yīng)機(jī)理。

1 實驗

1.1 實驗對象

實驗對象包括兩種型號的SRAM，其中一種為國外已有相關(guān)實驗數(shù)據(jù)的SRAM，實驗時作為參考芯片，用以驗證實驗時實驗環(huán)境、測試系統(tǒng)是否正常，以及實驗方法的可行性；另外一種為已獲得重離子實驗數(shù)據(jù)的SRAM，它是本次實驗的主要測試對象，用以測試中子單粒子翻轉(zhuǎn)截面并從理論上對實驗結(jié)果進(jìn)行分析。表1給出了本實驗的兩種SRAM的主要參數(shù)及其實驗的編號。

表1 中子實驗用到的SRAM的信息Table 1 Information of SRAMs used in neutron experiment

1.2 實驗裝置

實驗于2013年3月在中國原子能科學(xué)研究院的高壓倍加器上進(jìn)行，高頻離子源產(chǎn)生的氘離子束被加速（最高能量600keV）轟擊氚靶，發(fā)生T（d，n）4He反應(yīng)，產(chǎn)生能量約14MeV的快中子［1］。圖1為高壓倍加器的裝置平面示意圖與主要性能參數(shù)。

1.3 實驗布局

圖1 高壓倍加器的裝置平面示意圖與主要性能參數(shù)Fig.1 Structure and main character parameter of Cockcroft-Walton accelerator

由于中子具有強(qiáng)穿透能力，且其輻照實驗廳的裝置或材料易將其活化，產(chǎn)生γ射線，因此在實驗布局上采取了一定的屏蔽措施。中子單粒子效應(yīng)實驗的實驗布局如圖2所示。樣品板位于實驗廳內(nèi)靶與屏蔽體之間，以束流軸線為中心垂直放置于實驗支架上；測試系統(tǒng)和電源放置在實驗廳與測量廳之間的屏蔽墻（迷宮）中，與樣品板通過長線連接。用于遠(yuǎn)程控制和顯示的PC位于測量廳，與測試系統(tǒng)通過網(wǎng)線連接。操作人員在測量廳通過遠(yuǎn)程PC即可控制測試系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)實驗操作，也可將系統(tǒng)對SRAM樣品的測試結(jié)果實時顯示在PC上。

圖2 中子單粒子效應(yīng)實驗布局Fig.2 Layout of neutron SEE experiment

1.4 實驗方法

1）中子產(chǎn)生

實驗選用T（d，n）4He反應(yīng)產(chǎn)生的14MeV快中子作為輻照源，選用直流束打靶時，產(chǎn)生的中子源強(qiáng)≤3×1010s－1，T（d，n）4He反應(yīng)在0°方向全微分截面約為10－29m2／sr，反應(yīng)產(chǎn)生的中子在質(zhì)心系近似各向同性；T（d，n）4He反應(yīng)除產(chǎn)生中子外，還產(chǎn)生能量約3.5MeV的α粒子（4He），但其在空氣中射程較?。s2cm），實驗期間保持樣品板與靶的距離大于2cm可避免α粒子對實驗結(jié)果的影響。

圖3示出了不同氘束能量下產(chǎn)生的中子的飛行時間譜［2］，由圖3可知，氘束能量為300keV時，14MeV中子飛行時間譜中子峰的半高寬約為1.25ns；氘束能量為100keV時，14MeV中子飛行時間譜中子峰的半高寬約為2.42ns。

圖3 不同氘束能量的14MeV中子飛行時間譜Fig.3 14MeV neutron time-of-flight spectra with different energy of deuterium

2）中子注量率測量與調(diào)節(jié)

中子注量率通過伴隨粒子法測量。90°伴隨靶管的結(jié)構(gòu)［3］示于圖4，反散射限制光闌和α立體角光闌的設(shè)置有利于降低管壁上散射的α粒子進(jìn)入探測器。在α探測器前放置1μm厚的鋁吸收膜，以阻止散射d粒子進(jìn)入探測器。高壓倍加器實際使用155°伴隨靶管，但結(jié)構(gòu)與原理與之類似。

圖4 90°伴隨靶管結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of 90°tube with associated-particle method

根據(jù)測量的伴隨α粒子計數(shù)率n和探測器對靶張的立體角ΔΩ，可獲得與入射d束成θ角處單位立體角內(nèi)的中子注量率為：

式中，A為各向異性因子。

對于器件輻照而言，需獲得的是輻照在器件表面上的中子注量率，并非單位立體角內(nèi)的中子注量率φ（θ，Ed），因此還需添加另一因數(shù)——器件相對靶源所成的立體角Ω，它可根據(jù)器件與靶的距離d和器件有效面積S計算獲得。與入射d束成θ角、距靶d位置處，輻照在器件表面上的中子注量率為：

由式（2）可知，直接影響中子注量率的因素是φ（θ，Ed）和Ω；對于固定的器件，S為常量，因此影響Ω的因素只有器件與靶的距離；再根據(jù)式（1），ΔΩ、A分別與實驗裝置和核反應(yīng)角分布有關(guān)，對于本次實驗特定的實驗裝置和中子能量而言，均是不可變的，唯一可變的是測量的伴隨粒子計數(shù)率n，而它由中子源強(qiáng)度（即入射氘離子束的流強(qiáng)）決定。由此可知，影響中子注量率的因素主要為入射氘離子束的流強(qiáng)和器件與靶的距離d。

3）單粒子效應(yīng)測試

對器件進(jìn)行單粒子效應(yīng)測試需一套準(zhǔn)確、可靠的單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)，本實驗使用的測試系統(tǒng)是針對器件的結(jié)構(gòu)與效應(yīng)機(jī)理研制的大容量SRAM單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)。系統(tǒng)除具備通常測試系統(tǒng)所具備的SEU測試以及SEL測試、保護(hù)功能外，還可通過SRAM的SEU物理分布間接反映實驗期間的束流狀態(tài)，并結(jié)合粒子能量、注量等信息繪制截面曲線。

為對大容量SRAM單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性進(jìn)行驗證，對其進(jìn)行了重離子實驗驗證。驗證結(jié)果表明：系統(tǒng)測得的不同LET離子（Li、C、F、Si、Cl、Ti、Br）輻照下R1LV1616RSA型SRAM器件的截面與文獻(xiàn)［4］實驗數(shù)據(jù)在誤差范圍內(nèi)一致，且器件的SEU分布均勻，保證了測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

2 結(jié)果與分析

2.1 截面計算

中子單粒子效應(yīng)截面的計算公式為：

其中：Φ為注量；NSEU為實驗測得的單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)（SEU數(shù)）；C為存儲器件的容量。

注量根據(jù)半導(dǎo)體探測器的計數(shù)Nα、器件與靶的立體角以及器件的面積計算獲得：

將Ω與Φ的表示式代入截面計算式，并將常數(shù)項統(tǒng)一用A0表示，可得器件翻轉(zhuǎn)截面最終表示為：

2.2 實驗結(jié)果

按照實驗流程，首先在系統(tǒng)和實驗板安裝后進(jìn)行離線初始檢測，檢測結(jié)果良好，保證了測試中無其他錯誤來源；之后進(jìn)行中子輻照，并對參考芯片進(jìn)行多次在線測試，實驗原始數(shù)據(jù)與結(jié)果列于表2，從初始實驗結(jié)果可看出參考芯片的實驗截面與文獻(xiàn)［5］的單粒子效應(yīng)截面3× 10－14cm2／bit在統(tǒng)計誤差范圍內(nèi)一致，可進(jìn)行下一步實驗；最后對16M容量的1＃、2＃芯片（同種芯片）進(jìn)行輻照，并對其進(jìn)行在線測試，實驗原始數(shù)據(jù)與結(jié)果也列于表2。

在計算每種器件的單粒子效應(yīng)截面時，還需考慮實驗中各測量量的誤差（本文只考慮了統(tǒng)計誤差），結(jié)合式（6）的截面公式與誤差傳播理論，最終得到的實驗單粒子效應(yīng)截面為：0＃實驗，HM628512BLP器件單粒子效應(yīng)截面為（2.8± 0.4）×10－14cm2／bit；1＃實驗，R1LV1616HSA器件單粒子效應(yīng)截面為（6.7±1.3）×10－15cm2／bit。

2.3 數(shù)據(jù)分析

HM628512BLP參考芯片的14MeV中子單粒子效應(yīng)截面為（2.8±0.4）×10－14cm2／bit，文獻(xiàn)［5］的同種器件單粒子效應(yīng)截面約為3×10－14cm2／bit，本次實驗結(jié)果與文獻(xiàn)報道的器件截面在誤差范圍內(nèi)一致，驗證了實驗方法的科學(xué)性、可行性以及測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。

R1LV1616HSA型號SRAM的14MeV中子實驗單粒子效應(yīng)截面為（6.7±1.3）× 10－15cm2／bit，該器件無文獻(xiàn)數(shù)據(jù)可對比，因此對于該器件的實驗結(jié)果還需從理論上進(jìn)行分析。整體思路是由中子單粒子效應(yīng)的機(jī)理可知，中子主要通過與器件材料核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子（包括重反沖核和輕出射粒子）沉積電荷，因此若已獲得器件的重離子截面曲線，則相當(dāng)于獲得了離子沉積能量大于器件LET閾值的截面，可由重離子截面曲線結(jié)合中子與Si的核反應(yīng)數(shù)據(jù)反向計算器件的中子單粒子效應(yīng)截面。經(jīng)計算，最終得到的器件中子單粒子效應(yīng)截面為4.3×10－15cm2／bit，實驗測得的單粒子效應(yīng)截面為（6.7±1.3）×10－15cm2／bit，兩者在量級上一致，對于R1LV1616HSA型器件的實驗結(jié)果給出了定性的解釋。

表2 14MeV中子單粒子效應(yīng)實驗數(shù)據(jù)Table 2 Results of 14MeV neutron SEE experiment

3 結(jié)論

利用中國原子能科學(xué)研究院的高壓倍加器裝置，選用T（d，n）4He反應(yīng)產(chǎn)生的14MeV快中子作為輻照源，對HM628512BLP型和R1LV1616HSA型SRAM器件進(jìn)行中子單粒子效應(yīng)實驗研究。結(jié)果表明：HM628512BLP參考芯片的14MeV中子單粒子效應(yīng)截面為（2.8±0.4）×10－14cm2／bit，文獻(xiàn)［5］的同種器件單粒子效應(yīng)截面約為3×10－14cm2／bit，實驗結(jié)果與文獻(xiàn)［5］的器件截面在誤差范圍內(nèi)一致，驗證了實驗方法的科學(xué)性、可行性以及測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性；R1LV1616HSA型SRAM的14MeV中子實驗單粒子效應(yīng)截面為（6.7± 1.3）×10－15cm2／bit，根據(jù)中子單粒子效應(yīng)的物理機(jī)制，結(jié)合器件的重離子截面，對該器件的14MeV中子單粒子效應(yīng)截面理論分析結(jié)果為4.3×10－15cm2／bit，兩者在量級上一致，對實驗結(jié)果給出了定性的解釋。

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Experimental Study on 14 MeV Neutron Induced Single-event-effect in SRAMs

FAN Hui，GUO Gang，SHEN Dong－jun，LIU Jian-cheng，CHEN Hong-tao，ZHAO Fang，CHEN Quan，HE An-lin，SHI Shu-ting，HUI Ning，CAI Li，WANG Gui-liang
（Department of Nuclear Physics，China Institute of Atomic Energy，Beijing102413，China）

The 14MeV neutron single-event-effect（SEE）experiments of SRAMs were carried out on the Cockcroft-Walton accelerator in CIAE.The experiment methods for neutron production，neutron fluence rate measurement and SEE testing were introduced.Also，the 14MeV neutron SEE cross sections of two types of SRAMs were obtained.The results show that HM628512BLP’s cross section agrees with previous research in the range of error and R1LV1616HSA’s cross section has the same order of magnitude with theoretical analysis.

Cockcroft-Walton accelerator；SRAM；single-event-effect；cross section

O571.1

：A

：1000-6931（2015）01-0171-05

10.7538／yzk.2015.49.01.0171

2013-11-08；

2014-02-10

范 輝（1988—），男，山東泰安人，研究實習(xí)員，碩士，粒子物理與原子核物理專業(yè)