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(guó)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(guó)散裂中子源(CSNS)通過國(guó)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(chǔ)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(duì)比, 對(duì)CSNS在大氣中子單粒子效應(yīng)研究中的應(yīng)用進(jìn)行評(píng)估. 結(jié)果表明,相同器件在CSNS反角白光中子源測(cè)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(duì)截面的貢獻(xiàn)是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系. 針對(duì)截面偏小的問題, 根據(jù)能譜差異分析了中子能量閾值對(duì)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(shí), 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(duì)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(shì)使得中子單粒子效應(yīng)導(dǎo)致航空電子設(shè)備發(fā)生錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)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(jí)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(chǔ)服務(wù)器等對(duì)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(cuò)誤, 嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)通訊中斷、控制異常, 對(duì)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(duì)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(guó)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(guó)的關(guān)注. 隨后開展了一系列飛行試驗(yàn)對(duì)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(xiǎn), 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(shí)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(duì)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(chǎng)的數(shù)百萬倍, 是研究存儲(chǔ)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)航空工業(yè)的發(fā)展, 國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)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(guó)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(guó)散裂中子源 (CSNS)于2018年8月23日通過國(guó)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(chǔ)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(cè)站開展的SRAM高原大氣中子輻照試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.對(duì)CSNS在大氣中子單粒子效應(yīng)研究中的應(yīng)用進(jìn)行評(píng)估.

2 CSNS 反角白光中子源輻照試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

存儲(chǔ)器是多數(shù)高可靠電子系統(tǒng)中的不可缺少且對(duì)大氣中子單粒子效應(yīng)敏感的微電子器件, 本文以SRAM存儲(chǔ)器為對(duì)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(huì)對(duì)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(duì)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(jí)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(cè) 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(gè)可開展多學(xué)科研究的國(guó)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(cè)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(gè)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(shí)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(duì)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(duì)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(chǎng)包括位于地下的試驗(yàn)廳(終端2)和地上的控制間, 兩個(gè)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(cè)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(cè)試人員在控制間通過遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制整個(gè)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(cè)試, 每輪測(cè)試寫入不同的數(shù)據(jù), 4 輪測(cè)試分別寫入 0x00H, 0x55H, 0xAAH和0xFFH. 監(jiān)測(cè)方法是通過對(duì)比中子輻照前后被測(cè)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(cè)有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種方法, 為實(shí)時(shí)掌握測(cè)試過程的情況, 采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法, 即輻照前向存儲(chǔ)單元寫入數(shù)據(jù), 每隔固定時(shí)間間隔回讀數(shù)據(jù), 并與寫入數(shù)據(jù)進(jìn)行逐位比對(duì)統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤的比特位數(shù). 試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輻照板電流, 當(dāng)超過一定閾值時(shí)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(cè)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(cè)到單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng); 此外HM628512B還觀測(cè)到單粒子閂鎖效應(yīng).HM628512B測(cè)試0x55H圖形時(shí), DUT2的翻轉(zhuǎn)數(shù)明顯高于DUT1和DUT3予以剔除, 其余測(cè)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(cè)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(gè)器件共觀測(cè)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(cè)試結(jié)果Table 3. Test result of the SEUs in CSNS back-n.

3 試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估

為評(píng)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(cè)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(duì)比.

3.1 與大氣中子輻照試驗(yàn)對(duì)比

早期利用上述的3款器件在西藏羊八井宇宙射線觀測(cè)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(cè)站位于東經(jīng) 90.5°, 北緯 30.1°, 海拔 4300 m, 現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(shí)間, 采用大規(guī)模存儲(chǔ)矩陣的方式構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng), 如圖5(b)所示, 測(cè)試過程中所有器件寫入數(shù)據(jù)0x55H, 經(jīng)過數(shù)千小時(shí)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(cè)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(cè)試場(chǎng)景;(b)測(cè)試系統(tǒng)Fig. 5. SEE test in Yangbajing: (a) Test environment;(b) test system.

表4 在羊八井測(cè)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(shí), 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(shí)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(shí)CSNS反角白光中子源與大氣中子輻照單粒子翻轉(zhuǎn)截面對(duì)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(gè)方面的影響是競(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(duì)于上述三種器件, CSNS反角白光中子源測(cè)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(shí), 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(duì)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(duì)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(gè)能區(qū)占比相當(dāng), 分別為 35.6%, 32.1%和 32.3%.表5同時(shí)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(cè)得的大氣中子單粒子效應(yīng)截面比CSNS反角白光中子源測(cè)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(duì)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(shí), 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(píng)價(jià)電子器件的抗大氣中子單粒子效應(yīng)水平可能會(huì)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(duì)于一款器件定義大氣中子條件下測(cè)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(cè)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(duì)于上面的器件能量閾值取 1 MeV 時(shí), 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(shí)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(duì)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(shí)的翻轉(zhuǎn)截面列于表6. 對(duì)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(duì)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(duì)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(shí), 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(duì)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(shí), 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(duì)于一款器件, 試驗(yàn)結(jié)束后, 測(cè)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(duì)1 MeV時(shí)修正因子的變化關(guān)系.值得指出的是, 取不同能量閾值時(shí)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(shí)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(duì) 1 MeV 時(shí)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(shí), 修正因子分別是 1 MeV 的 0.28, 0.25 和 0.22 倍, 對(duì)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(shí), 3 款器件的修正因子均在 1 附近, 其中, 能量閾值取 12 MeV時(shí)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(cè)得的截面結(jié)果最為一致. 從表7還可以看出, 相對(duì)于1 MeV附近, 能量閾值在此范圍的變化對(duì)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(shì)吻合.

表7 能量閾值取 10, 12 和 14 MeV 時(shí)器件對(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)左右),中子能量由2.5 MeV增大到14 MeV時(shí)測(cè)得的單粒子效應(yīng)截面增大達(dá)1個(gè)數(shù)量級(jí)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(duì)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(shí)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(píng)估大氣中子的威脅時(shí), 可以只考慮 12 MeV以上的中子進(jìn)行計(jì)算. 此時(shí), 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(shí)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(shí), 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(huì)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(píng)價(jià)電子器件的抗大氣中子單粒子效應(yīng)水平時(shí)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(shí), 可以根據(jù)器件的中子能量閾值對(duì)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(duì)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(shí)在CSNS反角白光中子源測(cè)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(shí), 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(shí)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(cè)到單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng), 不同測(cè)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(duì)翻轉(zhuǎn)截面的貢獻(xiàn)為競(jìng)爭(zhēng)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(duì)CSNS反角白光中子源進(jìn)行評(píng)估, 結(jié)果表明考慮1 MeV的能量閾值時(shí), 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(duì)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(píng)價(jià)電子器件的抗大氣中子單粒子效應(yīng)水平可能會(huì)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(duì)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(shí), 在CSNS反角白光中子源測(cè)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(shí)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(shí), CSNS反角白光中子源大于1 MeV的中子通量相對(duì)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(shí), 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(huì)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(guó)抗輻射加固事業(yè)及航空工業(yè)的發(fā)展.

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