王勛 張鳳祁 陳偉 郭曉強(qiáng) 丁李利 羅尹虹

由于缺少可用的散裂中子源, 多年來我國在大氣中子單粒子效應(yīng)方面主要依靠模擬仿真和單能中子試驗(yàn)的方式開展研究. 隨著中國散裂中子源(CSNS)通過國家驗(yàn)收, 基于CSNS開展大氣中子單粒子效應(yīng)研究成為可能. 本文利用CSNS反角白光中子源開展多款靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器器件的中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn), 并與早期開展的高原大氣試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比, 對CSNS在大氣中子單粒子效應(yīng)研究中的應(yīng)用進(jìn)行評估. 結(jié)果表明,相同器件在CSNS反角白光中子源測得的單粒子翻轉(zhuǎn)截面小于大氣試驗(yàn)的結(jié)果, 且不同器件的翻轉(zhuǎn)截面與特征尺寸沒有明顯的單調(diào)關(guān)系. 分析得到前者由于CSNS反角白光中子譜偏軟; 后者由于特征尺寸降低導(dǎo)致的臨界電荷變小和靈敏體積變小對截面的貢獻(xiàn)是競爭關(guān)系. 針對截面偏小的問題, 根據(jù)能譜差異分析了中子能量閾值對器件翻轉(zhuǎn)截面的影響, 發(fā)現(xiàn)能量閾值取12 MeV進(jìn)行計(jì)算時, 器件在CSNS反角白光中子源和高原大氣中子環(huán)境中能夠得到較一致的截面. 研究結(jié)果表明CSNS反角白光中子源能夠用于加速大氣中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn). 考慮到CSNS的運(yùn)行功率正在逐步提高, 且多條規(guī)劃中的白光中子束線與大氣中子能譜更為接近,預(yù)期未來CSNS將能更好地應(yīng)用于大氣中子單粒子效應(yīng)研究.

1 引 言

近年來, 大氣中子對航空電子系統(tǒng)的輻照效應(yīng)越來越受到關(guān)注. 隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展, 電子器件的特征尺寸和工作電壓不斷減小, 工作頻率不斷增加, 單位芯片面積上集成的器件數(shù)量隨之增加, 這些趨勢使得中子單粒子效應(yīng)導(dǎo)致航空電子設(shè)備發(fā)生錯誤的風(fēng)險不斷增大[1]. 事實(shí)上, 大氣中子單粒子效應(yīng)不僅威脅航空電子設(shè)備的可靠性[2,3],地面上越來越多的電子設(shè)備如心臟起搏器、超級計(jì)算機(jī)、高鐵控制系統(tǒng)、高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、大容量數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器等對可靠性要求高的電子系統(tǒng)也將面臨大氣中子單粒子效應(yīng)的威脅[4,5]. 大氣中子單粒子效應(yīng)可能導(dǎo)致這些系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)錯誤, 嚴(yán)重時會導(dǎo)致系統(tǒng)通訊中斷、控制異常, 對系統(tǒng)的可靠性與安全性構(gòu)成威脅, 甚至危及人的生命[6]. 因此, 研究大氣中子單粒子效應(yīng), 預(yù)估其產(chǎn)生的危害, 對于提升關(guān)鍵應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性和安全性具有重要意義.

美國早在20世紀(jì)90年代初就通過航空飛行實(shí)驗(yàn)證明了大氣中子能夠誘發(fā)器件發(fā)生單粒子效應(yīng)[7], 引起了歐美一些航空大國的關(guān)注. 隨后開展了一系列飛行試驗(yàn)對大氣中子單粒子效應(yīng)進(jìn)行研究[2,8-10]. 由于飛行試驗(yàn)高昂的成本和風(fēng)險, 人們轉(zhuǎn)而在地面開展試驗(yàn)研究大氣中子的單粒子效應(yīng)[4,11-17]. 在地面上可使用以下3種中子輻射源:

1) 地面(高山)大氣環(huán)境[14], 提供無誤差大氣中子輻射環(huán)境, 但注量率太低, 能夠用于開展中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn), 但時間成本非常大;

2) 散裂中子源[15], 提供全能譜中子, 其能譜與大氣中子輻射環(huán)境比較相似, 非常適合開展中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn);

3) 單能中子源[16,17], 提供單一能量中子, 比較適合開展中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn), 若需獲得器件抗中子單粒子能力的連續(xù)譜, 需要在不同的中子輻射源上開展試驗(yàn).

表1給出3種中子源與航空高度大氣環(huán)境的對比. 綜合各方面因素, 因散裂中子源能譜與大氣中子能譜較接近, 可以用作仿真大氣中子束流, 且中子注量率是大氣中子場的數(shù)百萬倍, 是研究存儲芯片和大規(guī)模集成電路單粒子效應(yīng)的較為理想的模擬源[15]. 此前, 國際上已經(jīng)用于開展大氣中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)的散裂中子源主要有美國洛斯·阿拉莫斯中子科學(xué)中心的散裂中子源、俄羅斯圣彼得堡核物理研究所的散裂中子源、加拿大的散裂中子源、瑞典斯維德貝格實(shí)驗(yàn)室的散裂中子源和英國魯涉福德阿普頓實(shí)驗(yàn)室的散裂中子源[18].

表1 大氣中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中子源Table 1. Neutron sources for atmospheric neutron SEE experiment.

隨著國內(nèi)航空工業(yè)的發(fā)展, 國內(nèi)學(xué)者對大氣中子單粒子效應(yīng)的關(guān)注也越來越多[19-22], 但受限于缺少可用于模擬大氣中子的散裂中子源, 國內(nèi)相關(guān)研究只能基于模擬仿真[23-25]或單能中子源[26,27]展開. 隨著中國散裂中子源 (CSNS)于2018年8月23日通過國家驗(yàn)收, 基于CSNS開展大氣中子單粒子效應(yīng)研究成為可能[28]. CSNS項(xiàng)目中規(guī)劃了4條可以用于大氣中子研究的束線, 分別是第1靶站質(zhì)子入射反方向和41°方向引出的兩條白光中子束線, 第2靶站在引出方向與質(zhì)子入射方向夾角為 30°和 15°的兩條白光中子束線. 目前僅第1靶站的反角白光中子源建成可用, 其余3條束線尚在規(guī)劃建設(shè)過程中.

本文利用CSNS反角白光中子源開展多款靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)器件的中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn), 給出試驗(yàn)開展的方法流程及試驗(yàn)結(jié)果, 并將結(jié)果與前期在西藏羊八井宇宙射線觀測站開展的SRAM高原大氣中子輻照試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比.對CSNS在大氣中子單粒子效應(yīng)研究中的應(yīng)用進(jìn)行評估.

2 CSNS 反角白光中子源輻照試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)對象

存儲器是多數(shù)高可靠電子系統(tǒng)中的不可缺少且對大氣中子單粒子效應(yīng)敏感的微電子器件, 本文以SRAM存儲器為對象, 開展大氣中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn). 考慮到SRAM器件工藝及設(shè)計(jì)上的差異會對器件的中子單粒子效應(yīng)的敏感性產(chǎn)生影響, 為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性, 對實(shí)驗(yàn)器件的選擇遵循相同廠家、相同系列、相同工藝和相同單元結(jié)構(gòu)的原則. 根據(jù)上述原則, 在 HITACHI/RENESAS 公司生產(chǎn)的HM62系列互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝商業(yè)級SRAM器件中選擇3款, 它們具有相同的單元結(jié)構(gòu), 特征工藝尺寸分別為 0.18, 0.35, 和 0.5.器件詳細(xì)參數(shù)如表2所列.

表2 待測 SRAM 器件參數(shù)Table 2. Parameters of the SRAM devices for test.

2.2 試驗(yàn)源及條件

CSNS是一個可開展多學(xué)科研究的國家大科學(xué)裝置. 它利用1.6 GeV入射質(zhì)子轟擊鎢靶產(chǎn)生大量中子, 中子能譜很寬, 設(shè)計(jì)最高能量達(dá)1 GeV以上, 即使是反角方向能量也可達(dá)200 MeV, 可用于開展核數(shù)據(jù)測量和中子輻照試驗(yàn). 反角白光中子源實(shí)驗(yàn)終端的布局如圖1所示, 高能質(zhì)子沿質(zhì)子通道到達(dá)鎢靶. 入射質(zhì)子束流將被距鎢靶20 m處的偏轉(zhuǎn)磁鐵偏轉(zhuǎn)15°; 在環(huán)到靶的輸運(yùn)線上鎢靶到偏轉(zhuǎn)磁鐵之間質(zhì)子束流與中子束流將共用一部分真空束流管; 在偏轉(zhuǎn)磁鐵處中子束流和質(zhì)子束流自然分離. 基于CSNS質(zhì)子輸運(yùn)線的此特點(diǎn),在偏轉(zhuǎn)磁鐵后建有專用的中子通道, 在中子通道約56, 76 m處建有兩個試驗(yàn)廳: 終端1和終端2[28].

圖1 CSNS 反角白光中子源實(shí)驗(yàn)終端布局[28]Fig. 1. Layout of back-n at CSNS[28].

本文在終端2中開展SRAM中子單粒子效應(yīng)輻照試驗(yàn), 終端 2的束流能量范圍是 0.1 eV—200 MeV. 試驗(yàn)過程中 CSNS 運(yùn)行在 20 kW 附近,注量率約為 1.6 × 106n/(cm2·s). 圖 2 給出了 20 kW附近運(yùn)行時終端2處的中子微分能譜與羊八井大氣中子微分能譜的對比. 可以看出, CSNS反角白光中子源與真實(shí)的大氣中子能譜比較相近.

圖2 CSNS 反角白光中子源終端 2 與羊八井大氣中子微分能譜對比Fig. 2. Comparison between the differential neutron energy spectra of CSNS back-n and Yangbajing.

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)現(xiàn)場包括位于地下的試驗(yàn)廳(終端2)和地上的控制間, 兩個區(qū)域垂直距離約25 m, 以保障人員的安全. 由于試驗(yàn)廳內(nèi)本底較低, 試驗(yàn)過程中直接將測試板置于試驗(yàn)廳內(nèi), 另一方面為了減小人員受到的輻照劑量, 測試人員在控制間通過遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制整個試驗(yàn)流程, 試驗(yàn)廳和控制間通過以太網(wǎng)進(jìn)行連接, 如圖3所示.

圖3 CSNS 反角白光中子源輻照試驗(yàn)布局示意圖Fig. 3. Layout of the irradiation experiment at CSNS back-n.

每款器件進(jìn)行4輪測試, 每輪測試寫入不同的數(shù)據(jù), 4 輪測試分別寫入 0x00H, 0x55H, 0xAAH和0xFFH. 監(jiān)測方法是通過對比中子輻照前后被測SRAM器件中的數(shù)據(jù)變化來統(tǒng)計(jì)單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù). 單粒子翻轉(zhuǎn)監(jiān)測有動態(tài)和靜態(tài)兩種方法, 為實(shí)時掌握測試過程的情況, 采用動態(tài)監(jiān)測方法, 即輻照前向存儲單元寫入數(shù)據(jù), 每隔固定時間間隔回讀數(shù)據(jù), 并與寫入數(shù)據(jù)進(jìn)行逐位比對統(tǒng)計(jì)錯誤的比特位數(shù). 試驗(yàn)過程中實(shí)時監(jiān)測輻照板電流, 當(dāng)超過一定閾值時認(rèn)為發(fā)生單粒子閂鎖效應(yīng), 然后給輻照板重新上電, 重新寫入數(shù)據(jù)進(jìn)行測試.

圖4 輻照過程中的器件布局Fig. 4. Layout of the devices under test.

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過程中, 所有器件均觀測到單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng); 此外HM628512B還觀測到單粒子閂鎖效應(yīng).HM628512B測試0x55H圖形時, DUT2的翻轉(zhuǎn)數(shù)明顯高于DUT1和DUT3予以剔除, 其余測試中每款SRAM的3片器件的翻轉(zhuǎn)數(shù)量相差不大, 均認(rèn)定為有效數(shù)據(jù). 得到翻轉(zhuǎn)位置的物理地址均勻分布, 可以認(rèn)為觀測到的翻轉(zhuǎn)全部是中子導(dǎo)致的單粒子翻轉(zhuǎn).

SRAM器件的中子單粒子效應(yīng)翻轉(zhuǎn)截面計(jì)算公式如下:

此外, 在 HM628512B 的輻照過程中, 3 個器件共觀測到 12 次閂鎖, 總注量為 1.36 × 1010n/cm2.若仍考慮45.73%的有效注量, 則由(2)式計(jì)算單粒子閂鎖 (SEL)截面為 2.94 × 10–10cm2/device.

表3 在CSNS反角白光中子源的SEU測試結(jié)果Table 3. Test result of the SEUs in CSNS back-n.

3 試驗(yàn)結(jié)果評估

為評估利用CSNS反角白光中子源模擬大氣中子開展微電子器件大氣中子單粒子效應(yīng)的效果,將上述的測量結(jié)果與前期開展的高原大氣中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比.

3.1 與大氣中子輻照試驗(yàn)對比

早期利用上述的3款器件在西藏羊八井宇宙射線觀測站開展了SRAM大氣中子單粒子效應(yīng)(SEE)輻照試驗(yàn). 羊八井宇宙射線觀測站位于東經(jīng) 90.5°, 北緯 30.1°, 海拔 4300 m, 現(xiàn)場如圖 5(a)所示. 仿真獲得羊八井的大氣中子微分能譜, 如圖2所示, 可以得到每小時中子通量為277.5,其中大于 1 MeV 占比 46.12%, 即 128.為縮短試驗(yàn)時間, 采用大規(guī)模存儲矩陣的方式構(gòu)建測試系統(tǒng), 如圖5(b)所示, 測試過程中所有器件寫入數(shù)據(jù)0x55H, 經(jīng)過數(shù)千小時的輻照試驗(yàn)3種器件分別獲得195, 181和76次翻轉(zhuǎn). 根據(jù)(1)式計(jì)算得到羊八井大氣中子輻照的單粒子翻轉(zhuǎn)截面,利用文獻(xiàn)[29]中的方法可以計(jì)算結(jié)果的置信水平, 三種器件的置信水平均不低于97%, 測試及計(jì)算結(jié)果列于表4.

圖5 羊八井大氣中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn) (a)測試場景;(b)測試系統(tǒng)Fig. 5. SEE test in Yangbajing: (a) Test environment;(b) test system.

表4 在羊八井測得的 SEU 翻轉(zhuǎn)結(jié)果Table 4. Test result of the SEU in Yangbajing.

在20 kW附近運(yùn)行時, CSNS反角白光中子源大于 1 MeV 的中子通量為 7.32 × 105n/(cm2·s),而羊八井能量大于1 MeV的大氣中子為3.56 ×10–2n/(cm2·s). 在當(dāng)前功率下, CSNS 反角白光中子源大于1 MeV的中子通量為羊八井大于1 MeV的大氣中子的 2.1 × 107倍. 可見 CSNS 反角白光中子源可用于加速大氣中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn), 考慮1 MeV能量閾值時20 kW工作加速因子就達(dá)到了 2.1 × 107.

圖6給出了寫入0x55H時CSNS反角白光中子源與大氣中子輻照單粒子翻轉(zhuǎn)截面對比. 可以看出位翻轉(zhuǎn)截面與器件的特征尺寸沒有明顯的單調(diào)關(guān)系, 其原因分析如下: 一方面, 器件特征尺寸減小使得器件的臨界電荷降低, 導(dǎo)致相同的中子入射后翻轉(zhuǎn)截面增大; 另一方面, 器件特征尺寸減小使得敏感體積減小, 即被中子擊中的概率減小, 導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)截面減小; 兩個方面的影響是競爭關(guān)系, 因此,位翻轉(zhuǎn)截面與器件的特征尺寸沒有必然的單調(diào)關(guān)系.

圖6 CSNS 反角白光中子源與羊八井大氣中子 SEU 截面對比Fig. 6. Comparison of the SEU cross section between the tests in CSNS back-n and Yangbajing.

從圖6中還可以看出, CSNS反角白光中子源獲得的翻轉(zhuǎn)截面均小于在羊八井獲得的翻轉(zhuǎn)截面,對于上述三種器件, CSNS反角白光中子源測得的翻轉(zhuǎn)截面分別是羊八井的21%, 25%和27%. 即考慮能量閾值為1 MeV時, 大氣中子導(dǎo)致的翻轉(zhuǎn)截面約是CSNS反角白光中子源的3—5倍.

為分析導(dǎo)致兩種環(huán)境截面不同的原因, 對比CSNS反角白光中子源和羊八井大氣中子的能譜.圖7給出了兩種中子源大于1 MeV部分的微分能譜對比, 可以計(jì)算不同能區(qū)中子的占比, 表5給出了1 MeV以上中子中不同能區(qū)中子的占比.

可以看出, CSNS反角白光中子源中大于1 MeV的中子主要集中在1—10 MeV, 占比達(dá)到81.7%,10—100 MeV 的中子占 16.8%, 大于 100 MeV 的中子僅占1.5%. 而羊八井大氣中子譜中上述3個能區(qū)占比相當(dāng), 分別為 35.6%, 32.1%和 32.3%.表5同時給出了JEDEC[29]地面標(biāo)準(zhǔn)大氣中子能譜和IEC[30]航空12 km標(biāo)準(zhǔn)大氣中子能譜. 可以看出羊八井大氣中子能譜與兩種標(biāo)準(zhǔn)能譜中大于1 MeV的中子各能區(qū)占比相近, 而CSNS反角白光中子源中子譜偏軟, 能量主要集中在低能區(qū). 根據(jù)單能中子單粒子效應(yīng)的模擬仿真[23]和試驗(yàn)[16]結(jié)果, 能量越大的中子導(dǎo)致的中子單粒子效應(yīng)截面越大, 因此羊八井測得的大氣中子單粒子效應(yīng)截面比CSNS反角白光中子源測得的截面大.

圖7 CSNS反角白光中子源與羊八井大氣中子微分能譜對比(大于1 MeV部分)Fig. 7. Comparison between the differential neutron energy spectra of CSNS back-n and Yangbajing (above 1 MeV).

表5 不同中子環(huán)境中中不同能區(qū)的中子占比Table 5. Proportion of different energy bands in different neutron environments.

3.2 CSNS反角白光中子源試驗(yàn)結(jié)果的修正

考慮能量閾值為1 MeV時, 實(shí)際使用的大氣環(huán)境中SRAM器件的翻轉(zhuǎn)截面約為CSNS白光中子源輻照試驗(yàn)獲得截面的3—5倍. 即直接用CSNS白光中子源評價電子器件的抗大氣中子單粒子效應(yīng)水平可能會低估大氣中子導(dǎo)致的翻轉(zhuǎn)截面. 為此, 可以引入修正因子的概念, 對于一款器件定義大氣中子條件下測得的翻轉(zhuǎn)截面與CSNS白光中子源獲得的翻轉(zhuǎn)截面比值為該器件的修正因子. 即在CSNS白光中子源測得中子單粒子翻轉(zhuǎn)截面后乘以修正因子即可估計(jì)該器件在大氣中子單粒子效應(yīng)的翻轉(zhuǎn)截面, 對于上面的器件能量閾值取 1 MeV 時, 修正因子分別為 4.76, 4 和 3.70.

上面假設(shè)了三種器件的能量閾值相等均為1 MeV, 但實(shí)際上SRAM器件的翻轉(zhuǎn)能量閾值很難精確獲得且與器件的特征尺寸有關(guān)[31]. 因?yàn)槠骷奶卣鞒叽缭酱竺舾畜w積越大, 從而臨界電荷也越大, 因此電位翻轉(zhuǎn)所需要的最低能量越大. 即能量閾值隨著特征尺寸的增大而增大. 文獻(xiàn)[31]仿真得到特征尺寸為 0.18, 0.35和 0.5的 SRAM 器件的能量閾值分別為 0.6, 2.5 和 6.0 MeV. 為說明能量閾值估計(jì)不準(zhǔn)確帶來截面估算的差異, 本文不考慮上述仿真結(jié)果的準(zhǔn)確程度, 假設(shè)HM62V8100,HM628512B和HM628512A的實(shí)際能量閾值分別為0.6, 2.5 和 6.0 MeV, 分析與上面能量閾值取1 MeV時的差異. 首先根據(jù)微分能譜可以重新計(jì)算CSNS反角白光中子源和羊八井大氣中子對在這三種能量閾值下的有效注量占比, 進(jìn)一步計(jì)算三種器件考慮不同能量閾值時的翻轉(zhuǎn)截面列于表6. 對于能量閾值降低到0.6 MeV的HM62V8100在兩種中子源的翻轉(zhuǎn)截面比值由1 MeV的21%降低為18%;對于能量閾值升高到2.5 MeV的HM628512B在兩種中子源的翻轉(zhuǎn)截面比值由25%升高為36%;對于能量閾值升高到6 MeV的HM628512A翻轉(zhuǎn)截面比值由27%升高為64%. 此時, 三種器件的修正因子分別變?yōu)?.56, 2.78和1.56.

可見能量閾值對翻轉(zhuǎn)截面的計(jì)算和修正因子都有很大的影響. 這是因?yàn)橐话闫骷姆D(zhuǎn)能量閾值介于0.3—6 MeV之間[31], 而CSNS反角白光中子源的峰值能量在 1 MeV 附近, 其中 0.3—6 MeV能量區(qū)間的中子占比達(dá)到60.78%, 該能量區(qū)間在羊八井大氣中子中的占比為24.26%. 一般器件的中子能量閾值很難精確獲得, 在存在能量閾值誤差時, 相同的閾值誤差在CSNS反角白光中子源試驗(yàn)中引入更大的截面誤差, 從而影響修正因子. 對于一款器件, 試驗(yàn)結(jié)束后, 測得的翻轉(zhuǎn)數(shù)不變, 能量閾值變化導(dǎo)致有效中子注量變化, 從而影響截面的大小和修正因子的估算. 圖8給出了計(jì)算得到的不同能量閾值相對1 MeV時修正因子的變化關(guān)系.值得指出的是, 取不同能量閾值時加速因子也隨著修正因子等比例變化.

表6 考慮不同能量閾值時有效注量占比及SRAM器件的翻轉(zhuǎn)截面Table 6. SEU cross section of SRAMs and percentage of effective neutrons considering different energy threshold.

圖8 不同能量閾值相對 1 MeV 時修正因子的變化關(guān)系Fig. 8. Correction factor with different energy threshold compare to 1 MeV.

從圖8可以看出, 隨著能量閾值的增大器件修正因子逐漸減小, 減小的幅度也越來越平緩. 當(dāng)取能量閾值為 10, 12 和 14 MeV 時, 修正因子分別是 1 MeV 的 0.28, 0.25 和 0.22 倍, 對應(yīng)上述 3 款器件的修正因子如表7所列.

從表 7 可以看出, 能量閾值取 10, 12 和 14 MeV時, 3 款器件的修正因子均在 1 附近, 其中, 能量閾值取 12 MeV時修正因子最接近 1 , 即在 CSNS反角白光中子源獲得的截面與在羊八井大氣中子環(huán)境中測得的截面結(jié)果最為一致. 從表7還可以看出, 相對于1 MeV附近, 能量閾值在此范圍的變化對修正因子的影響不大, 此結(jié)果與圖7中給出的修正因子隨能量閾值變化的趨勢吻合.

表7 能量閾值取 10, 12 和 14 MeV 時器件對應(yīng)的修正因子Table 7. Correction factor for the DUTs with different energy threshold.

根據(jù)單能中子單粒子效應(yīng)的相關(guān)研究[16,23,31],一般器件在中子能量剛超過閾值附近的單粒子效應(yīng)截面比飽和截面小很多(一般2個數(shù)量級左右),中子能量由2.5 MeV增大到14 MeV時測得的單粒子效應(yīng)截面增大達(dá)1個數(shù)量級以上[32]. 可見, 大氣中子單粒子翻轉(zhuǎn)截面主要決定于10 MeV以上的中子通量. 盡管CSNS反角白光中子源10 MeV以下中子占比達(dá)到81.7%, 其對總翻轉(zhuǎn)數(shù)的貢獻(xiàn)仍比10 MeV以上的中子小很多. 這也是本文中用12 MeV的能量閾值進(jìn)行計(jì)算時在CSNS反角白光中子源和羊八井大氣中子環(huán)境中獲得相似截面的原因. 因此盡管目前微電子器件單粒子翻轉(zhuǎn)的中子能量閾值一般較小, 但在利用CSNS反角白光中子源的試驗(yàn)結(jié)果評估大氣中子的威脅時, 可以只考慮 12 MeV以上的中子進(jìn)行計(jì)算. 此時, 用 CSNS開展大氣中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)的加速因子是能量閾值取 1 MeV 時的約 0.25 倍, 為 5.2 × 106.

3.3 CSNS在大氣中子單粒子效應(yīng)研究中的應(yīng)用展望

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果的分析可知, CSNS反角白光中子源可以應(yīng)用于加速大氣中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn). 在 20 kW附近運(yùn)行時, CSNS反角白光中子源大于1 MeV的中子通量已是羊八井大氣中子的2.1 × 107倍, 是 JEDEC 地面標(biāo)準(zhǔn)大氣的 1.3 ×108倍, 是 IEC 航空 12 km 高度大氣的 3.1 × 105倍.可見CSNS反角白光中子源可用于開展加速大氣中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn), 且隨著CSNS的運(yùn)行功率逐步提高, 其中子通量也會同步提高, 加速因子將等比例提高.

另一方面, 由于CSNS反角白光中子源的中子能譜偏軟, 直接利用大于1 MeV的中子進(jìn)行計(jì)算將導(dǎo)致SRAM中子單粒子效應(yīng)翻轉(zhuǎn)截面與大氣中子輻照試驗(yàn)相比偏小, 從而導(dǎo)致用CSNS白光中子源評價電子器件的抗大氣中子單粒子效應(yīng)水平時低估大氣中子導(dǎo)致的翻轉(zhuǎn)截面. 因此, 在預(yù)估大氣中子單粒子效應(yīng)截面時, 可以根據(jù)器件的中子能量閾值對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正. 一般情況下, 器件的翻轉(zhuǎn)閾值很難精確獲取, 而且相對于高能中子, 器件在能量閾值附近的翻轉(zhuǎn)數(shù)可以忽略, 因此可以直接取12 MeV的能量閾值進(jìn)行計(jì)算, 此時在CSNS反角白光中子源測得的單粒子翻轉(zhuǎn)截面可以近似估計(jì)器件在大氣中子環(huán)境中單粒子效應(yīng)截面水平. 此時, 用CSNS開展大氣中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)的加速因子是能量閾值取1 MeV時的約0.25倍.

除了反角白光中子源, CSNS還規(guī)劃了其他3條可用于模擬大氣中子的白光中子束線. 根據(jù)上述束線中子能譜的仿真分析[18,28], 在這4條白光中子束線中, 已建成可用的反方向白光中子源能譜最軟, 中子高能成分最低, 與大氣中子能譜相差最大.根據(jù)表5中給出的其他3條白光中子束線大于1 MeV中子中不同能區(qū)中子占比[18,28], 可以看出規(guī)劃中的3條束線可以更好地模擬大氣中子能譜, 其中第2靶站引出方向與質(zhì)子入射方向夾角為30°的白光中子束線與大氣中子能譜最為接近. 未來可更好地服務(wù)于大氣中子單粒子效應(yīng)研究.

4 結(jié) 論

本文利用CSNS反角白光中子源開展了SRAM器件大氣中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn), 被輻照器件均觀測到單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng), 不同測試圖形的翻轉(zhuǎn)截面差別不大. 單粒子翻轉(zhuǎn)截面與器件的特征尺寸沒有明顯的單調(diào)關(guān)系, 其原因是特征尺寸降低導(dǎo)致臨界電荷和敏感體積的變化對翻轉(zhuǎn)截面的貢獻(xiàn)為競爭關(guān)系.其次, 本文利用前期在西藏羊八井開展的高原大氣中子輻照試驗(yàn)結(jié)果對CSNS反角白光中子源進(jìn)行評估, 結(jié)果表明考慮1 MeV的能量閾值時, 在羊八井獲得的單粒子翻轉(zhuǎn)截面是在CSNS反角白光中子源獲得數(shù)據(jù)的約3—5倍. 其原因在于兩種輻射環(huán)境中子能譜的差異, CSNS反角白光中子源相對于大氣中子低能區(qū)中子占比多, 高能區(qū)中子占比少. 因此直接用CSNS白光中子源評價電子器件的抗大氣中子單粒子效應(yīng)水平可能會低估大氣中子導(dǎo)致的翻轉(zhuǎn)截面. 本文根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果, 引入修正因子的概念, 即基于CSNS反角白光中子源獲得的翻轉(zhuǎn)截面乘以修正因子即為估計(jì)的大氣中子單粒子翻轉(zhuǎn)截面. 此外, 根據(jù)CSNS反角白光中子源與大氣中子能譜的差異分析了能量閾值的差異對翻轉(zhuǎn)截面估計(jì)的影響, 并給出了修正因子隨能量閾值的變化關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)用12 MeV的能量閾值進(jìn)行計(jì)算時, 在CSNS反角白光中子源測得的單粒子翻轉(zhuǎn)截面可以很好地估計(jì)器件在大氣中子環(huán)境中的單粒子效應(yīng)水平, 此結(jié)果為后續(xù)利用CSNS反角白光中子源開展中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)提供了參考.

同時本文的研究結(jié)果還表明, CSNS反角白光中子源可以應(yīng)用于加速大氣中子單粒子效應(yīng)試驗(yàn).在20 kW附近工作時, CSNS反角白光中子源大于1 MeV的中子通量相對于JEDEC地面標(biāo)準(zhǔn)大氣中子、羊八井大氣中子和IEC航空高度大氣中子的加速因子分別是 1.3 × 108, 2.1 × 107和 3.1 ×105倍. 能量閾值采用 12 MeV 進(jìn)行計(jì)算時, 加速因子降為取1 MeV的約0.25倍. 隨著CSNS運(yùn)行功率的逐步提高, 加速因子也會同步提高. 除論文中使用的CSNS反角白光中子束線外, CSNS還在規(guī)劃另外3條白光中子束線, 且與大氣中子能譜更為接近. 預(yù)期CSNS未來可更好地服務(wù)于大氣中子單粒子效應(yīng)研究, 助力我國抗輻射加固事業(yè)及航空工業(yè)的發(fā)展.

感謝中國散裂中子源提供束流機(jī)時, 感謝反角白光中子源的同志的支持和幫助.