陳啟明 郭 剛 韓金華 張付強(qiáng) 張艷文 劉建成 趙樹勇

（中國原子能科學(xué)研究院國防科技工業(yè)抗輻照應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心 北京 102413）

空間天然輻射環(huán)境中存在大量質(zhì)子，其通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于重離子。研究表明［1］，銀河宇宙射線中質(zhì)子占比約87%，最高能量可達(dá)TeV量級(jí)；太陽耀斑爆發(fā)時(shí)釋放的輻射粒子中質(zhì)子占比超過90%，最高能量可達(dá)GeV 量級(jí)；地球捕獲帶中內(nèi)帶也以質(zhì)子為主，最高能量約為幾百M(fèi)eV。航天器在軌運(yùn)行時(shí)，質(zhì)子入射電子器件會(huì)引發(fā)單粒子效應(yīng)，使得電子器件邏輯翻轉(zhuǎn)、功能故障甚至燒毀，嚴(yán)重威脅航天器的在軌可靠性和運(yùn)行安全。因此，在電子器件選型過程中，需要進(jìn)行質(zhì)子輻照試驗(yàn)考核，達(dá)到相應(yīng)指標(biāo)后方可選用。然而，直接在太空中開展質(zhì)子輻照試驗(yàn)難度大、耗時(shí)長、費(fèi)用高。以往主要是利用地面加速器產(chǎn)生不同能量的質(zhì)子束流，通過輻照試驗(yàn)獲取器件單粒子效應(yīng)截面曲線，然后，結(jié)合空間質(zhì)子譜，計(jì)算電子器件在空間應(yīng)用時(shí)的單粒子錯(cuò)誤率，以此評(píng)估質(zhì)子單粒子效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。

國外質(zhì)子單粒子效應(yīng)研究經(jīng)過多年發(fā)展，基于質(zhì)子加速器建成大量的質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)終端，進(jìn)行大量的輻照試驗(yàn)，形成了試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范［2?3］。國內(nèi)由于質(zhì)子加速器資源有限，且能量較低，質(zhì)子單粒子效應(yīng)主要是理論研究，實(shí)驗(yàn)研究主要集中在30 MeV以下的低能區(qū)。然而，微電子器件質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面曲線是隨質(zhì)子能量先快速上升然后飽和，一般在100 MeV 附近單粒子效應(yīng)截面才會(huì)趨于飽和，因此100 MeV 以下質(zhì)子能段的單粒子效應(yīng)截面數(shù)據(jù)尤為重要。2016 年基于中國原子能科學(xué)研究院（簡(jiǎn)稱原子能院）的100 MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器（CYCIAE-100），原子能院建成了用于開展微電子器件輻射效應(yīng)研究的中能質(zhì)子輻照試驗(yàn)裝置，重點(diǎn)關(guān)注和著力解決的最主要應(yīng)用需求就是30～100 MeV 能區(qū)質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。目前，基于此裝置已經(jīng)開展了多批次、多類型的微電子器件質(zhì)子單粒子效應(yīng)輻照試驗(yàn)研究，也取得了一些成果［4?6］。

CYCIAE-100 直接引出的質(zhì)子能量在70～100 MeV，束斑直徑在1 cm 左右［7］。 為提供70 MeV以下多能量點(diǎn)質(zhì)子，設(shè)計(jì)了多層金屬組成的降能器；為提供大束斑高均勻性的質(zhì)子束流，設(shè)計(jì)了雙散射靶進(jìn)行質(zhì)子擴(kuò)束。為保證質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面測(cè)量結(jié)果的可靠性，需要對(duì)樣品輻照平面上質(zhì)子能量、均勻性等束流品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，質(zhì)子從加速器產(chǎn)生，到輻照電子器件，不可避免地會(huì)與雙散射靶、金屬降能片、管道等相互作用，并產(chǎn)生大量次級(jí)粒子，其中的次級(jí)中子也會(huì)引發(fā)單粒子效應(yīng)，從而影響質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面測(cè)量的準(zhǔn)確性。本文通過對(duì)質(zhì)子輻照束線進(jìn)行精確建模，并采用蒙特卡羅方法，模擬計(jì)算了器件樣品輻照平面上質(zhì)子的能量分布和束流均勻性，以及次級(jí)中子的產(chǎn)額、能譜等，并通過中子質(zhì)子比分析了次級(jí)中子對(duì)質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面的影響。

1 CYCIAE-100質(zhì)子束流線模型

加速器產(chǎn)生的質(zhì)子穿過雙散射靶（Scattering target）、真空密封片（Vacuum sealing sheetmetal）、二次電子發(fā)射監(jiān)督器（Secondary Electron Emission Monitor，SEEM）、降能器（Energy degrader）、準(zhǔn)直器（Collimator）后輻照到樣品架（Sample holder）上的器件，剩余質(zhì)子被束流收集器（Beam dump）收集（圖1）。

圖1 中，雙散射靶由Ta 和Al 組成，用以實(shí)現(xiàn)質(zhì)子束流的擴(kuò)束及均勻化，具體參數(shù)詳見文獻(xiàn)［8］；降能器由6 片長寬為100 mm×110 mm，厚度分別為13.16 mm、6.58 mm、3.33 mm、1.32 mm、0.88 mm、0.45 mm 的Al 金屬片組成，通過自由組合不同厚度Al 片來實(shí)現(xiàn)在單能量質(zhì)子輸入情況下，30～90 MeV范圍能量?jī)?nèi)不同能量質(zhì)子束的快速切換和輸出；SEEM通過收集質(zhì)子與Al膜相互作用打出的二次電子，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子束流在線監(jiān)督，實(shí)驗(yàn)前需要利用高精度法拉第筒或其他質(zhì)子注量探測(cè)器對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定；準(zhǔn)直器為亞克力板（Polymethyl Methacrylate，PMMA），厚度為100 mm，能夠完全阻擋100 MeV質(zhì)子，長寬尺寸均為300 mm，中心準(zhǔn)直孔為100 mm×100 mm。PMMA是高分子化合物，由C、H、O組成，相比于Cu、Al等金屬，中高能質(zhì)子與PMMA相互作用產(chǎn)生的次級(jí)中子較少。樣品輻照區(qū)的中子主要來源于質(zhì)子與散射靶、降能片組、束流管道等相互作用所產(chǎn)生的次級(jí)粒子。

圖1 質(zhì)子輻照束線布局示意圖Fig.1 Schematic layout of proton irradiation beam line

2 理論模擬方法

采用蒙特卡羅方法模擬計(jì)算CYCIAE-100質(zhì)子輻照終端的質(zhì)子分布情況，以及次級(jí)中子的產(chǎn)額和分布。

蒙特卡羅（Monte Carlo）方法，又稱隨機(jī)抽樣或統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方法，屬于計(jì)算數(shù)學(xué)的一個(gè)分支。蒙特卡羅方法的基本原理：當(dāng)所要求解的問題是某種事件出現(xiàn)的概率，或者是某個(gè)隨機(jī)變量的期望值時(shí)，可以通過某種“試驗(yàn)”的方法，得到這種事件出現(xiàn)的頻率，或者這個(gè)隨機(jī)變數(shù)的平均值，并用它們作為問題的解。 程 序 選 用MCNP（Monte Carlo N Particle Transport Code），版本MCNP6，MCNP 是由美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室（Los Alamos National Laboratory）開發(fā)的基于蒙特卡羅方法的用于計(jì)算三維復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)中的中子、光子、電子或者耦合中子、光子、電子輸運(yùn)問題的通用軟件包［9?10］。

CYAIAE-100 通過加速器端的能量調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)70～100 MeV 質(zhì)子的引出?？紤]加速器端不同能量調(diào)節(jié)時(shí)間較長，常用模式是加速器端引出100 MeV 質(zhì)子，然后通過束流線上的降能器實(shí)現(xiàn)不同能量的快速調(diào)節(jié)。模擬過程中，源粒子對(duì)應(yīng)100 MeV 單能質(zhì)子，束斑為直徑10 mm 的面源。結(jié)合質(zhì)子束線模型，考慮雙散射靶、降能片組、管道、真空密封片、SEEM、準(zhǔn)直器以及空氣的影響，共模擬了107個(gè)質(zhì)子入射事件，得到了中子產(chǎn)額、垂直束流線樣品輻照平面上的質(zhì)子能譜和均勻性、中子能譜和均勻性。

3 結(jié)果及分析

3.1 質(zhì)子束流分布

采用100 MeV 質(zhì)子入射進(jìn)行模擬，結(jié)果歸一到單個(gè)質(zhì)子入射情況，得到樣品輻照平面上不同能量質(zhì)子的注量（圖2）。 利用高斯擬合（圖2 中用GaussFit 表示）將擬合峰中心點(diǎn)能量（圖2 中用xc表示）作為質(zhì)子能量，得到雙散射靶在束時(shí)質(zhì)子能量為89.9 MeV，然后1得到80.3 MeV、70.4 MeV、60.7 MeV、50.2 MeV、41.8 MeV 和31.9 MeV能量點(diǎn)的質(zhì)子束，對(duì)應(yīng)降能器中降能片的厚度分別為5.53 mm、10.79 mm、15.36 mm、19.74 mm、23.07 mm 和25.72 mm。為表述方便，通過取整十，將上述7 個(gè)高斯擬合的不同能量質(zhì)子束表 述 為90 MeV、80 MeV、70 MeV、60 MeV、50 MeV、40 MeV和30 MeV的質(zhì)子能點(diǎn)。

由圖2可知，通過雙散射靶和降能器，質(zhì)子能量降低越多則能量歧離越大。采用高斯擬合峰的半高寬（Full Width at Half Maxima，F(xiàn)WHM）來描述能量歧離，質(zhì)子能點(diǎn)從90 MeV降低到30 MeV，能量歧離從1.3 MeV增大到4.0 MeV。幾個(gè)MeV的能量歧離對(duì)于單粒子效應(yīng)截面的影響較小，尤其是單粒子效應(yīng)截面已飽和的情況。然而，在單粒子效應(yīng)截面曲線的質(zhì)子能量閾值點(diǎn)到飽和點(diǎn)之間，是截面隨質(zhì)子能量快速增長的區(qū)間，能量歧離則會(huì)對(duì)單粒子效應(yīng)截面測(cè)量結(jié)果帶來較大偏差。

圖2 質(zhì)子能譜模擬值及其高斯擬合峰Fig.2 Simulated values of proton energy spectrum and its Gaussian fitted peak

圖3給出了樣品輻照平面上質(zhì)子注量隨束流半徑變化的模擬結(jié)果。半徑從5 cm到6 cm，質(zhì)子注量率急劇下降，這是因?yàn)樗捎脺?zhǔn)直器的孔徑是100 mm×100 mm規(guī)格，對(duì)質(zhì)子束斑尺寸具有極強(qiáng)的約束作用。單個(gè)質(zhì)子入射，在樣品架上不同距離處，不同能點(diǎn)質(zhì)子注量大致在10?4量級(jí)。CYCIAE-100質(zhì)子流強(qiáng)范圍5 nA～200 μA，因此質(zhì)子注量率范圍可達(dá)106～1011cm?2?s?1，能夠滿足質(zhì)子單粒子效應(yīng)輻照試驗(yàn)的需要。

圖3 束流中心不同距離處質(zhì)子注量分布（樣品輻照平面）Fig.3 Distribution of proton fluence at different distances from the beam center (sample irradiation plane)

開展輻照試驗(yàn)，質(zhì)子束流的均勻性對(duì)單粒子效應(yīng)截面可靠性非常重要，尤其是在多個(gè)器件同時(shí)輻照，或者器件面積跟束斑大小近似相當(dāng)?shù)那闆r下，束流均勻性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響不可忽略。為定量描述質(zhì)子束流的注量率分布情況，模擬了樣品輻照平面，也就是在樣品架位置垂直質(zhì)子束流線的平面上質(zhì)子的注量率。

質(zhì)子束流不均勻度采用式（1）描述：

式中：σ(R)表示半徑R范圍內(nèi)質(zhì)子的不均勻度；n表述半徑在R范圍內(nèi)注量率模擬了n個(gè)點(diǎn)；xi表示第i個(gè)點(diǎn)的質(zhì)子注量率；xˉ表示n個(gè)質(zhì)子注量率的平均值。

模擬了在5 cm×5 cm范圍內(nèi)，間距2 cm，共計(jì)25個(gè)位置點(diǎn)的質(zhì)子注量率，即n=25。然后，利用式（1）計(jì)算得到不同能點(diǎn)質(zhì)子束流的不均勻度，質(zhì)子能點(diǎn)分 別 為90 MeV、80 MeV、70 MeV、60 MeV、50 MeV、40 MeV、30 MeV時(shí)，R=5 cm范圍內(nèi)質(zhì)子不均勻度分別為0.8%、1.2%、2.7%、5.0%、7.6%、8.9%和9.1%。說明在5 cm×5 cm范圍內(nèi)質(zhì)子束流的不均勻度小于等于9.1%，不同質(zhì)子能點(diǎn)不均勻度分布在0.8%～9.1% 之間，降能越少質(zhì)子束流擴(kuò)束及均勻化的效果越好。

3.2 次級(jí)中子分布

考慮雙散射靶、降能器、管道、真空密封片、SEEM、準(zhǔn)直器以及真空密封片到樣品架之間空氣的影響，MCNP6 模擬得到中子產(chǎn)額，以及樣品輻照平面上中子能譜和中子注量分布。

本文定義中子產(chǎn)額為質(zhì)子與圖1所示束流線上所有部件相互作用所產(chǎn)生的中子。實(shí)際模擬計(jì)算時(shí)，是以坐標(biāo)軸0點(diǎn)（散射靶1）為圓心，430 cm（將束流收集器全部包含在內(nèi)）為半徑形成一個(gè)球殼，統(tǒng)計(jì)穿過此球殼的中子數(shù)，并歸一到單個(gè)質(zhì)子入射，即得到中子產(chǎn)額。模擬得到的中子產(chǎn)額如表1所示，每1個(gè)100 MeV 質(zhì)子約能產(chǎn)生0.11 個(gè)中子，將中子能譜分為0～1 MeV、1～10 MeV和10～100 MeV能段，各能段中子占比大致分別為15%、33% 和52%。由表1可知，隨著降能片厚度的逐漸增加，質(zhì)子能量從90 MeV 下降到30 MeV 的過程中，中子產(chǎn)額也逐漸增加，但只增加了約5%，這是因?yàn)榻的芷馁|(zhì)是Al，（p，n）反應(yīng)截面較小。

表1 不同質(zhì)子能點(diǎn)下中子產(chǎn)額及各能段中子占比Table 1 Neutron yield and proportion in each energy segment at different proton energy points

在樣品輻照平面中心，不同質(zhì)子能點(diǎn)情況下中子能譜較為一致，均分布在0～100 MeV 范圍內(nèi)，且差別并不顯著，為了對(duì)曲線進(jìn)行區(qū)分，繪圖時(shí)將不同曲線進(jìn)行了一定的平移（圖4）。

圖4 中子微分能譜模擬值Fig.4 Simulation value of neutron differential energy spectrum

圖5給出了樣品輻照平面上中子注量隨半徑變化的模擬結(jié)果。相比于質(zhì)子，準(zhǔn)直器的屏蔽效果對(duì)中子作用非常有限。單個(gè)質(zhì)子入射，樣品輻照平面中子注量大致在10?6量級(jí)，且距離束流中軸線0～30 cm 距離內(nèi)中子注量變化不劇烈，大致在50%范圍內(nèi)。

圖5 束流中心不同距離處中子注量分布（樣品輻照平面）Fig.5 Distribution of neutron fluence at different distances from the beam center (sample irradiation plane)

通過統(tǒng)計(jì)單個(gè)100 MeV 質(zhì)子入射情況下，樣品輻照平面上，束流中心半徑5 cm圓內(nèi)的平均中子注量和平均質(zhì)子注量，計(jì)算得到半徑5 cm圓內(nèi)平均中子質(zhì)子比（表2）。質(zhì)子能點(diǎn)從90 MeV 到30 MeV，隨著質(zhì)子降能增大，質(zhì)子注量從6.99×10?2cm?2降低到3.62×10?2cm?2，下降了近一半，中子注量從1.22×10?4cm?2上升到1.44×10?4cm?2，只上升約18%，中子質(zhì)子比則從0.17%上升到0.4%，上升了1.4倍。由此可知，降能器導(dǎo)致的中子質(zhì)子比的改變，其中降能器對(duì)質(zhì)子注量的影響更為顯著。

不同特征工藝尺寸的電子器件發(fā)生中子單粒子效應(yīng)的中子閾值能量不同。在幾十到幾百納米范圍內(nèi)，特征尺寸越小，中子的閾值能量越低。研究表明，特征尺寸150 nm以上的器件發(fā)生中子單粒子效應(yīng)，能量大于10 MeV的中子貢獻(xiàn)占主導(dǎo)，而150 nm及以下器件的中子單粒子效應(yīng)，1～10 MeV中子的貢獻(xiàn)則不能忽視［11］。從表2可以看出，只考慮10 MeV以上中子，則不同能點(diǎn)質(zhì)子束的中子質(zhì)子比在0.2%及以內(nèi)，只考慮1 MeV 以上中子，則中子質(zhì)子比在0.34% 及以內(nèi)。質(zhì)子單粒子效應(yīng)輻照試驗(yàn)，單粒子效應(yīng)截面測(cè)量不確定度主要是受質(zhì)子注量測(cè)量不確定度、束流不均勻度，以及單粒子效應(yīng)數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差等因素影響，質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面的測(cè)量不確定一般都在10% 以上，因此，0.4% 以內(nèi)的中子質(zhì)子比給質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面所帶來的誤差幾乎可以忽略。

表2 不同質(zhì)子能點(diǎn)樣品輻照平面半徑5 cm內(nèi)平均中子質(zhì)子比Table 2 Average neutron-proton ratio within 5 cm radius at different proton energy points

最后，值得注意的是，通過蒙特卡羅方法模擬得到中子質(zhì)子比，只考慮質(zhì)子與束流線上設(shè)備的相互作用。而實(shí)際上，在散射靶之前，加速器端引出質(zhì)子也可能會(huì)帶來的次級(jí)中子，以及中子與實(shí)驗(yàn)廳墻壁等的相互作用，也會(huì)改變樣品輻照平面的中子質(zhì)子比。因此，為驗(yàn)證理論模擬結(jié)果的有效性，進(jìn)一步確定次級(jí)中子對(duì)質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面的影響，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量也必不可少。目前這些實(shí)驗(yàn)也正在設(shè)計(jì)實(shí)施當(dāng)中。

4 結(jié)語

質(zhì)子束流的能量分布和注量均勻性會(huì)影響單粒子效應(yīng)截面測(cè)量的有效性，質(zhì)子與束流線上雙散射靶、降能器、管道等相互作用產(chǎn)生的次級(jí)中子也會(huì)影響質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面測(cè)量的準(zhǔn)確性。通過對(duì)CYCIAE-100 質(zhì)子束流線進(jìn)行精確建模，采用蒙特卡羅方法模擬計(jì)算樣品輻照平面上質(zhì)子和次級(jí)中子的能譜和均勻性，以及質(zhì)子中子比，分析質(zhì)子單粒子效應(yīng)束流品質(zhì)。研究表明：CYCIAE-100可提供7個(gè)能量點(diǎn)的質(zhì)子束流，能量分別為89.9 MeV、80.3 MeV、70.4 MeV、60.7 MeV、50.2 MeV、41.8 MeV 和31.9 MeV，且能量歧離在1.3～4 MeV 之間；CYCIAE-100 質(zhì)子流強(qiáng)范圍5 nA～200 μA，輻照實(shí)驗(yàn)質(zhì)子注量率范圍可達(dá)106～1011cm?2?s?1，且在垂直質(zhì)子束流軸線的樣品輻照平面上5 cm×5 cm范圍內(nèi)質(zhì)子束流的均勻性好于90.9%，滿足質(zhì)子單粒子效應(yīng)輻照試驗(yàn)對(duì)質(zhì)子注量率的要求；每1 個(gè)100 MeV 質(zhì)子可產(chǎn)生約0.11 個(gè)中子，在樣品輻照平面，中子能譜分布在0～100 MeV 之間，且10 MeV 以上中子占比約為52%，1～10 MeV 中子占比約為33%，1 MeV以下中子占比約15%；在樣品輻照平面直徑5 cm范圍內(nèi)，平均中子質(zhì)子比在4‰以內(nèi)，如只考慮10 MeV 以上中子，則中子質(zhì)子比在2‰ 以內(nèi)，分析認(rèn)為次級(jí)中子給質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面所帶來的誤差可以忽略。