張利英， 倪偉俊， 敬罕濤， 王相綦

(1. 中國科學院高能物理研究所， 北京 100049； 2. 東莞中子科學中心， 東莞 523803；3. 強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應國家重點實驗室， 西安 710024；4. 中國科學技術大學 國家同步輻射實驗室， 合肥 230029； 5. 廣西師范大學， 桂林 541004)

宇宙射線進入地球后，與大氣層碰撞會產(chǎn)生大量的次級粒子，如中子、質子、電子、輕離子、pion和muon等，其中，海平面上的主要粒子為中子，中子數(shù)在所有粒子總數(shù)中所占的比例為94%，但隨著海拔高度的增加，中子所占比例會下降。在海拔11 km以下，中子所占比例都比較高。在海拔11～25 km之間，從大氣層出來的返照中子也比較多。中子與存儲芯片或高集成電路系統(tǒng)發(fā)生相互作用，極有可能導致故障，造成航空設備或低軌衛(wèi)星的電子學設備失靈。隨著電子學器件集成度的不斷提高，大氣中子誘發(fā)的單粒子效應導致電子學設備故障問題引起了廣泛關注，越來越多半導體電子設備的設計者、制造商和使用者渴望利用仿真大氣中子束流對產(chǎn)品進行軟錯誤測試，以增強產(chǎn)品的可靠性和安全性。

利用強流質子加速器打靶產(chǎn)生的高能中子源，稱為散裂中子源，其能譜與大氣中子能譜較接近，可以用作仿真大氣中子束流，是研究存儲芯片和高集成電路等系統(tǒng)單粒子效應的重要手段[1]。散裂中子源的中子注量率是大氣中子場的數(shù)百萬倍，可以大大加速測試實驗。目前，國際上可以用于開展加速半導體裝置軟錯誤試驗的散裂中子源主要有美國洛斯·阿拉莫斯中子科學中心的電子芯片輻照室(LANSCE-ICE-House)[2]、俄羅斯圣彼得堡核物理研究所的GNEIS譜儀(PNPI-GNEIS)[3]、加拿大的中子輻照裝置(TRIUMF-NIF)[4]、瑞典斯維德貝格實驗室的TSL-ANITA[5]及英國散裂中子源ISIS的VESUVIO束線(ISIS-VESUVIO)[6]。這幾個中子源都具有較寬的能譜，但不能在1 MeV～1 GeV能量區(qū)域內與JEDEC[7](the Joint Electron Device Engineering Council，JEDEC)標準大氣中子能譜或IEC TS 62396-1[8]給出的航空標準中子能譜完全重合[9]，局限在于要么質子打靶時沒有足夠高的入射質子能量以產(chǎn)生高于1 GeV的散裂中子，要么受布局影響沒有選擇最佳的靶結構和引出位置。本文結合大氣中子束流特點，基于FLUKA蒙特卡羅程序研究散裂中子源產(chǎn)生仿真大氣中子束流所用散裂靶的材料、靶結構及入射質子能量等對中子能譜的影響。表1 列出了國際上用于加速軟錯誤試驗的主要中子輻照裝置的基本參數(shù)，其中包括了即將建成的中國散裂中子源反角白光中子源(CSNS-back-n)實驗1廳中樣品位置距散裂靶約56 m的參數(shù)及沿入射質子束偏左41°預留中子束線CSNS-TS1-41°的基本參數(shù)。

表1 國際上主要中子輻照裝置的基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of several facilities for neutron irradiation experiments in the world

JEDEC的固態(tài)技術協(xié)會與國際電工委員會(International Electrotechnical Commission, IEC)都對仿真大氣中子輻照終端的能譜給出了參照標準。JEDEC給出的標準大氣中子能譜公式為[7]

2.145 1lnE]+1.011×10-3·

exp[-0.410 6(lnE)2-0.667lnE]

(1)

其中，φJEDEC(E)為JEDEC標準的中子注量率，cm-2·s-1；E為中子能量，MeV。該標準參照海平面上平均太陽活動時紐約戶外的中子能譜，適用于1 MeV以上的中子。 IEC的標準能譜是美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration)根據(jù)1974年12 160 m的高空飛行實驗數(shù)據(jù)(緯度45°)及最新測量數(shù)據(jù)擬合得到的經(jīng)驗公式[8]，其形式為

dφIEC(E)/dE=

(2)

其中，φIEC(E)為IEC標準的中子注量率，cm-2·s-1。

1 FLUKA程序

FLUKA是一種模擬粒子輸運及粒子與物質相互作用過程的大型通用蒙特卡羅程序[12-13]，能夠模擬包括質子、中子、電子在內的60多種不同粒子及重離子在固體、液體、氣體中的輸運以及相互作用等相關問題。本文利用最新版的FLUKA程序模擬質子打靶過程，模擬計算中子束流的產(chǎn)額、能譜等重要參數(shù)。

2 中子產(chǎn)生靶研究

大氣中子場的能譜非常寬，能量寬度超過8個量級，但對電子設備和存儲芯片敏感的能區(qū)主要是能量大于1 MeV的中子，因此，國際上人工產(chǎn)生的用于類大氣加速測試的中子束能譜一般只關注快中子以上的高能部分。這部分中子通常直接從靶上引出，不需要經(jīng)過慢化。因此，本文研究1 MeV以上的中子能譜和產(chǎn)額，不考慮慢化體存在的情況。

2.1 靶材料

選擇的常用靶材料為輕的非金屬碳(2.26 g·cm-3)、中等質量的金屬鐵(7.874 g·cm-3)、銅(8.96 g·cm-3)及重金屬鉛(11.35 g·cm-3)、鎢(19.3 g·cm-3)和鈾(238U, 18.95 g·cm-3)。這些材料的特點是機械強度較高、加工性能較好、耐高溫或導熱性能出色。加速器上產(chǎn)生的質子束流束斑通常是圓形的類高斯分布，如有特殊要求，也會調整打靶質子束的束斑形狀和分布，因此模擬中首先采用常見的圓柱形靶。為避免高能中子在靶站慢化，初步選擇直徑較小的靶形，靶半徑R為5 cm，靶長L為10 cm。入射質子能量選擇較常見的1 GeV；束斑形狀為均勻圓束斑，半徑為3 cm，沿靶軸線入射。模擬計算得到出射中子能量大于1 MeV的微分中子注量分布，如圖1所示。不同能量區(qū)間的中子數(shù)占比及中子產(chǎn)額，如表2所列。

圖1 用1 GeV質子轟擊不同靶材時，能量大于1 MeV的微分中子注量分布Fig.1 Distribution of differential neutron fluence with En>1 MeV generated by 1 GeV proton impinging on different targets

TargetPercentage of neutron number/10-21～10 MeV10～100 MeV>100 MeVNeutron yield(>1 MeV)C22.344.233.50.32Fe58.230.511.42.05Cu60.529.410.12.46Pb78.917.63.66.67W75.120.74.26.97U83.514.12.411.82

由圖1可見，1 GeV質子轟擊質量較輕的非金屬材料碳，中子產(chǎn)額較低。高能質子束轟擊重金屬靶時，通過散裂反應可產(chǎn)生大量中子，且中子產(chǎn)額隨靶材質量數(shù)增加而增大。從表2可以看出，相同條件下，中子產(chǎn)額按照鈾、鎢、鉛、銅、鐵的順序依次減小。重金屬靶中，鉛和鎢產(chǎn)生大于10 MeV的中高能中子比例較鈾稍大。但總體上看，該模擬結果表明在能量為1 GeV時，高能中子成份所占比例偏低。因此，從提高產(chǎn)額和改善能譜上，都需要更高能的質子。

散裂靶是產(chǎn)生中子的關鍵部件之一，要求其發(fā)生散裂反應產(chǎn)生盡可能多的中子，以便在各條束線上引出盡可能高的中子注量，故選擇靶材料時，應選擇中子產(chǎn)額高、吸收截面小、密度大、體積小的材料。鎢、鉛、鈾等重金屬靶非常適合用作散裂靶，但考慮到天然鈾中一般含有少量可裂變的235U，鈾靶加工需要進行放射性操作，所以基于散裂反應的中子輻照測試裝置的散裂靶，采用鎢和鉛等重金屬靶更適合。下文的模擬計算均采用最常見的鎢作為散裂靶首選材料。

2.2 入射質子能量及中子引出方向對中子能譜的 影響

選用圓柱形鎢靶，密度為19.3 g·cm-3，靶半徑R為5 cm，靶長L為10 cm。假定入射質子為半徑3 cm、密度均勻分布的圓形束。質子能量除了選擇0.8，1，1.6，3 GeV等國際上現(xiàn)有中子源加速器的標稱能量外，還選擇了5，8，15，25 GeV 4個更高能量點。中子引出方向與質子入射方向的夾角θ為30°，45°，60°，90°，135°，180°。用FLUKA模擬得到不同能量質子入射鎢靶產(chǎn)生的中子在不同引出方向上的中子束流能譜，如圖2所示。

為了便于同JEDEC標準能譜相比較，更好地評估各種基于加速器的中子束流的性能，定義一個加速因子A。A的表達式[3,9]為

(3)

其中，Φacc(E)dE表示基于加速器的中子束流的微分注量；ΦJEDEC(E)dE表示JEDEC標準大氣中子微分注量。本文計算中，Emin=1 MeV。加速因子反映了基于加速器的中子束流在進行單粒子效應研究時相對于在天然中子場環(huán)境進行測試的加速情況。加速因子越大，完成相同的測試實驗需要的時間就越短。圖2中，IEC/A=4.4×102表示IEC標準能譜除以A，A由式(3)計算得到。

(a) Ep=0.8 GeV

(b) Ep=1 GeV

(c) Ep=1.6 GeV

(d) Ep=3 GeV

(e) Ep=5 GeV

(f) Ep=8 GeV

(g) Ep=15 GeV

(h) Ep=25 GeV

由圖2可知，高能質子(>1 GeV)打靶產(chǎn)生的中低能中子(<20 MeV)幾乎是各向同性地從靶核內被釋放出來，而高能中子(>20 MeV)有很強的角度依賴，具有明顯的前向性，即θ小的方向，中子注量高。同一能量質子入射產(chǎn)生的中子，θ小的方向上能譜形狀更接近標準大氣中子譜形。同時，可以發(fā)現(xiàn)，在θ小的方向，入射質子能量較高時，出射中子的高能部分譜形才更接近JEDEC標準大氣能譜。

不同引出方向上散裂靶產(chǎn)生的能量大于1 MeV中子的積分中子注量Фt與入射質子能量Ep的關系，如圖3所示?？梢?，入射質子能量Ep固定時，θ越小，即出射方向越靠近質子入射方向，中子注量越大；θ固定時，中子注量隨入射質子能量的增大而增大。

圖3 不同中子引出方向上的積分中子注量與入射質子能量的關系Fig.3 Total neutron fluence Фt vs. incident proton energy Ep in different neutron extraction directions

由圖2和圖3可知，θ=30°時，散裂靶產(chǎn)生的中子能譜與標準大氣中子譜接近，該方向宜選作仿真大氣中子束引出方向。入射質子能量越高，產(chǎn)生散裂中子的積分中子注量越大，質子能量為3～5 GeV是比較好的選擇。

2.3 靶結構

2.3.1 靶形狀

選用圓錐形和圓柱形的鎢靶，圓錐形靶的底面半徑為5 cm，靶長為10 cm；圓柱形靶的半徑為5 cm，靶長為10 cm。鎢靶密度均為19.3 g·cm-3。假定入射質子為半徑3 cm、密度均勻分布的圓形束，入射能量為3 GeV。用FLUKA模擬得到θ=30°引出方向的中子能譜，如圖4所示。

由圖4可知，圓錐形鎢靶和圓柱形鎢靶產(chǎn)生的θ=30°方向上的中子能譜與標準大氣能譜符合較好，說明高能中子在鎢靶中的穿透能力很強，靶形狀幾乎不會對高能中子的能譜形狀造成影響。另外，統(tǒng)計得到，對能量大于1 MeV的中子，圓柱形鎢靶的中子注量率比圓錐形鎢靶的高約36%，因此，散裂靶的形狀常選用圓柱形。

圖4 不同形狀鎢靶產(chǎn)生的微分中子能譜與標準大氣中子譜的比較Fig.4 Comparison of differential neutron energy spectra with the standard atmospheric neutron energy spectra for different W target shapes

2.3.2 靶長

選擇常用的圓柱形鎢靶結構，鎢靶密度為19.3 g·cm-3，靶半徑R為5 cm，靶長L為10，20, 30，40 cm。入射質子能量為3 GeV，沿靶軸線從左至右射入靶體，質子束半徑為3 cm，密度均勻分布。用FLUKA模擬得到質子打靶產(chǎn)生的θ=30°方向的微分中子注量分布，如圖5所示。由圖5可見，若中子能量固定時，當靶長從10 cm變到20 cm，中子注量有增大的趨勢；而當靶長從20 cm變到40 cm時，中子注量不再增大。所以，當質子能量和中子束引出方向確定時，選擇靶長為20 cm即可，如果繼續(xù)增加靶長，雖可增加中子總數(shù)，但中子注量不會增大。

圖5 不同靶長下的微分中子注量分布Fig.5 Distribution of differential neutron fluence generated by W target with different lengths

3 CSNS靶站中子束流能譜計算

3.1 入射質子與靶體結構簡介[11,14]

中國散裂中子源是“十二五”規(guī)劃建造的大型高能質子加速器，可以開展以中子散射為主的多學科應用研究。加速器部分由直線加速器和快循環(huán)同步加速器(RCS)組成，引出的質子束能量為1.6 GeV，束流功率為100 kW，重復頻率25 Hz，每個質子束脈沖約1.6×1013個質子，質子束流近似為扁平束，寬為12 cm、高為4 cm。CSNS第1靶站規(guī)劃了21條譜儀，其中包含一條反角白光中子實驗終端。散裂靶為鎢靶，由11片組成，每片都包裹了一層鉭，總長為65 cm，橫截面寬為17 cm、高為7 cm。靶的上下共有3個慢化器，即退耦合氫慢化器、退耦合水慢化器和耦合氫慢化器，靶的周圍有Be/Fe反射體和屏蔽體，靶-慢化器-反射體(TMR)模型的幾何結構，如圖6所示。從慢化器出來的慢中子主要用于中子散射實驗，未經(jīng)慢化器慢化而直接從入射質子方向反射出去的那部分反角中子，由于具備寬能譜、高通量及高時間分辨，適合于核數(shù)據(jù)測量研究，并能兼顧開展宏觀實驗、高能中子的單粒子效應和共振中子照相等研究，因此，CSNS第1靶站規(guī)劃建設了反角白光中子束線(CSNS-back-n)。back-n總長約80 m，前20 m束流管與入射質子共用通道，在距離散裂靶56 m和76 m兩處，分別建設兩個實驗廳。此外，沿入射質子束偏左41°的方向，預留了一條中子束線(CSNS-TS1-41°)，計劃專用于中子輻照實驗研究。

圖6 靶-慢化器-反射體模型的幾何結構Fig.6 Geometric schematic of target-moderator-reflector model

3.2 CSNS白光中子能譜與標準大氣中子譜的對比

用FLUKA模擬得到CSNS質子打靶產(chǎn)生的CSNS-back-n和CSNS-TS1-41°束線能譜，如圖7所示。由圖7可知，兩條束線的中子能譜很寬，從熱中子能量一直到幾百MeV。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，CSNS束流功率為100 kW時，CSNS-back-n束線距離靶約56 m處(實驗1廳樣品位置)大于1 MeV的中子注量率約為8.4×106cm2·s-1， CSNS-TS1-41°束線距離靶約20 m位置處大于1 MeV的中子注量率約為4.47×107cm2·s-1。

圖7 CSNS第1靶站的白光中子能譜Fig.7 White neutron energy spectra from the first target station at CSNS

圖8給出了CSNS第1靶站白光中子能譜與標準大氣中子能譜以及其他幾個用于加速軟錯誤測試裝置能譜的比較，表3列出了各譜線不同能區(qū)的中子數(shù)占比及總中子注量率。

圖8 幾個輻照裝置的微分中子能譜比較Fig.8 Comparison of differential neutron energy spectra for several facilities

表3 幾個輻照裝置中子能譜中不同能區(qū)的中子占比及總注量率Tab.3 Percentage of neutron number in different energy intervals and total neutron fluence rate for several neutron irradiation facilities

由圖8和表3可知，沒有1個裝置的能譜可以與標準大氣中子能譜完全重合。CSNS-TS1-41°束線的能譜形狀與LANSCE-ICE-House的能譜形狀很接近，它們與標準大氣中子能譜最接近；比較靠近標準能譜的裝置是PNPI-GNEIS、TRIUMF-NIF和TSL-ANITA；與標準能譜符合得最不好的是 CSNS-back-n和ISIS-VESUVIO，雖然這兩個裝置的譜形較相似，但CSNS-back-n的中子注量比ISIS-VESUVIO的高約1個量級。因此，CSNS-TS1-41°束線非常適合用作中子輻照，正按計劃建造作為CSNS預留的中子輻照專用束線；CSNS-back-n實驗終端能夠兼顧單粒子效應研究，也可能開展部分加速軟錯誤試驗，已建設完成，即將對用戶開放。

3.3 未來CSNS第2靶站仿真大氣中子束流

為了擴展CSNS系統(tǒng)應用，發(fā)展更多用途的白光中子源， 對θ=30°和θ=15°兩條束線的中子能譜進行了模擬計算，得到中子能譜與標準大氣中子譜的比較，如圖9所示，中子能譜中不同能區(qū)的中子占比，如表4所列。

圖9 CSNS第2靶站微分中子能譜與標準大氣中子譜的比較Fig.9 Comparison of the differentian neutron energy spectra in the second target station of CSNS with the standard atmospheric neutron energy spectra

表4CSNS第2靶站中子能譜不同能區(qū)的中子占比

Tab.4PercentageofneutronnumberindifferentenergyintervalsinthesecondtargetstationatCSNS

SpectrumPercentage of neutron number/10-21～10 MeV10～100 MeV>100 MeVJEDEC353530IEC36.537.226.3CSNS-TS2-30°4428.527.5CSNS-TS2-15°22.62552.4

由圖9和表4可知，未來CSNS第2靶站θ=30°和θ=15°兩條白光中子束線的中子能譜譜形與標準大氣中子能譜符合得比較好，能量高于10 MeV的中子所占的比例也與標準大氣中子譜的接近，因此，這兩條束線完全適合開展與大氣中子束流相關的存儲芯片和高集成電路等系統(tǒng)的單粒子效應研究。

4 總結

利用FLUKA蒙特卡羅輸運模擬程序研究了在散裂中子源上產(chǎn)生仿真大氣中子束流所需的靶材料、入射質子能量和靶結構。結果表明，高能質子束轟擊重金屬靶，通過散裂反應產(chǎn)生大量中子，且中子產(chǎn)額隨靶材質量數(shù)增加而增大，故鉛或鎢是較好的散裂靶材料；散裂靶產(chǎn)生的與質子入射方向夾角為30°的中子能譜與標準大氣中子譜接近，宜選用作仿真大氣中子束引出方向；入射質子能量越高，產(chǎn)生散裂的中子注量越大，但考慮到質子能量越高，質子加速器的造價會大幅增加，故入射質子的能量要根據(jù)實際情況來確定，3～5 GeV是比較合適的選擇。此外，介紹了中國散裂中子源第1靶站散裂靶上白光中子束流的物理特性，并將其能譜與標準大氣中子能譜及國際上同類應用裝置的能譜進行了比較，證實了該能譜可用于開展仿真大氣中子在半導體存儲器件中引起的軟錯誤試驗研究。同時，研究還表明，從能譜形狀上看，未來CSNS第2靶站30°和15°的兩條白光中子束線非常適合開展與大氣中子束流相關的存儲芯片和高集成電路等系統(tǒng)單粒子效應的研究。

致謝

感謝中國散裂中子源靶站及反角白光中子源項目人員提供的幫助。感謝強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應國家重點實驗室專項經(jīng)費資助。

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