陳啟明,鮑 杰,馬 旭,郭 剛,趙樹勇,張 崢,韓金華,張付強(qiáng),李汪田

(中國原子能科學(xué)研究院,國家原子能機(jī)構(gòu)抗輻照應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心,北京 102413)

中子與電子器件相互作用會(huì)導(dǎo)致器件參數(shù)退化、性能下降甚至功能失效,這種現(xiàn)象稱為中子輻射效應(yīng),主要包括中子單粒子效應(yīng)(NSEE)和中子位移損傷效應(yīng)(NDD)。自由中子不穩(wěn)定,半衰期略小于15 min,無法長(zhǎng)期單獨(dú)存在,因此誘發(fā)器件輻射效應(yīng)的中子來自于核反應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)粒子。銀河宇宙射線和太陽宇宙射線與地球大氣中的氮氧相互作用會(huì)產(chǎn)生大量次級(jí)粒子,由于地磁場(chǎng)和太陽磁場(chǎng)的屏蔽效應(yīng),帶電粒子會(huì)在較短距離內(nèi)停止運(yùn)動(dòng),而中子不帶電,會(huì)繼續(xù)與大氣發(fā)生級(jí)聯(lián)散裂反應(yīng)(空氣簇射),形成大氣中子。大氣中子能量可高達(dá)1011eV,在海平面中子注量率約為20 cm-2·h-1(E>1 MeV),在典型航空飛行器巡航高度中子注量率約為9 200 cm-2·h-1(E>1 MeV)[1]。大氣中子入射航空電子系統(tǒng)會(huì)誘發(fā)電子器件發(fā)生單粒子效應(yīng),威脅航空電子系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性[2]。地面核電站、乏燃料后處理廠等核工業(yè)場(chǎng)景中也存在中子輻射環(huán)境,中子主要來自核燃料U裂變產(chǎn)生的瞬發(fā)中子和裂變碎片中不穩(wěn)定核衰變產(chǎn)生的緩發(fā)中子,能量主要在10 MeV以下,注量率則可高達(dá)1010cm-2·h-1,這些中子誘發(fā)的單粒子效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)會(huì)對(duì)視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、作業(yè)機(jī)器人等的運(yùn)行可靠性造成影響[3]。同時(shí),隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步,器件特征尺寸越來越小,臨界電荷逐漸降低,輻射敏感性逐漸增強(qiáng)[4-6],航空與核工業(yè)領(lǐng)域中子單粒子效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)日益突出,越來越受到國內(nèi)外廣泛的關(guān)注和重視。

為評(píng)估電子器件抗中子單粒子效應(yīng)能力,開展中子輻照實(shí)驗(yàn)是國內(nèi)外最常用的手段[7-8]?；诜磻?yīng)堆的中子源主要用于模擬中子位移損傷效應(yīng),而基于加速器的中子源主要用于模擬中子單粒子效應(yīng)[9-11]。通過加速器高能質(zhì)子轟擊重金屬靶發(fā)生散裂反應(yīng)產(chǎn)生白光中子,可以模擬大氣中子,如中國散裂中子源41°束線模擬大氣中子[12],可用于航電系統(tǒng)抗中子單粒子效應(yīng)能力的宏觀整體評(píng)價(jià)。中國原子能科學(xué)研究院100 MeV質(zhì)子回旋加速器(CYCIAE-100)通過質(zhì)子束轟擊重金屬靶可以產(chǎn)生白光中子。本文通過理論模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得白光中子的能譜、注量率等數(shù)據(jù),為中子輻射效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究提供白光中子束流參數(shù)。

1 白光中子源模擬

中國原子能科學(xué)研究院100 MeV質(zhì)子回旋加速器,通過質(zhì)子轟擊重金屬靶產(chǎn)生白光中子,并在相對(duì)質(zhì)子束方向的0°和15°方向設(shè)置了兩條白光中子束線。白光中子靶設(shè)計(jì)為鎢銅合金(WCu7,簡(jiǎn)稱W靶),其中93%為鎢。利用SRIM程序計(jì)算得100 MeV質(zhì)子在靶中的射程為8.7 mm,設(shè)計(jì)采用12 mm的靶厚,足以將能量為100 MeV及以下的質(zhì)子全部阻止。同時(shí)采用水冷對(duì)靶進(jìn)行降溫,因此質(zhì)子轟擊靶之前需要先穿過2 mm的銅和5 mm的水,然后轟擊靶產(chǎn)生白光中子。

基于白光中子靶的幾何結(jié)構(gòu),采用蒙特卡羅程序MCNP6模擬質(zhì)子入射后白光中子的產(chǎn)額、角分布和能譜。模擬結(jié)果顯示,平均1個(gè)100 MeV質(zhì)子可以產(chǎn)生0.33個(gè)中子;微分能譜如圖1所示,中子能量范圍為0～100 MeV,且隨著能量的增加中子注量先增加后減小,峰值出現(xiàn)在1 MeV附近。在0°和15°出射方向中子能譜差別很小,各能段(0～1 MeV、1～10 MeV和>10 MeV)中子占比分別為44.4%、46.3%和9.2%;隨著實(shí)驗(yàn)位置與靶之間距離的增加,輻照中子注量率不斷降低,具有嚴(yán)格的平方反比關(guān)系。

圖1 100 MeV質(zhì)子轟擊W靶產(chǎn)生的白光中子能譜Fig.1 White neutron energy spectrum produced by bombarding W target with 100 MeV protons

中子角分布如圖2所示,沿質(zhì)子束方向,中子注量具有軸對(duì)稱性,且中子出射角在90°方向時(shí),中子注量最小,出射角往0°或180°變化時(shí)中子注量逐漸增大。由于180°方向是質(zhì)子束流來源方向,因此選擇0°出射方向的中子束來開展單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。

圖2 100 MeV質(zhì)子轟擊W靶產(chǎn)生的白光中子角分布Fig.2 White neutron angular distribution produced by bombarding W target with 100 MeV protons

2 白光中子源測(cè)量

由于加速器質(zhì)子為連續(xù)束,因此打靶產(chǎn)生的中子也是連續(xù)的,采用雙液閃中子飛行時(shí)間法進(jìn)行中子能譜測(cè)量。測(cè)量方法如圖3所示,在中子靶后方0°出射方向的中子束流線上放置液閃探測(cè)器1作為飛行時(shí)間的起始信號(hào)探測(cè)器,在質(zhì)子束流45°方向一定距離(L=3 m)放置液閃探測(cè)器2作為中子飛行時(shí)間的終止信號(hào)探測(cè)器。對(duì)中子束流進(jìn)行了準(zhǔn)直和屏蔽,液閃探測(cè)器2也進(jìn)行了全面屏蔽,中子和伽馬只能從探測(cè)器前方進(jìn)入。在已知兩個(gè)探測(cè)器之間距離的情況下,通過精確測(cè)量中子在這兩個(gè)探測(cè)器之間飛行的時(shí)間,即可得到中子的飛行速度,也就得到了中子能量,如式(1)所示。

(1)

圖3 白光中子能譜測(cè)量系統(tǒng)布局Fig.3 Layout of measurement system for white neutron energy spectrum

式中:E為飛行中子的能量;m0為中子的質(zhì)量;L為兩個(gè)探測(cè)器之間的距離;t為中子的飛行時(shí)間;c為光速。

兩個(gè)液閃探測(cè)器的型號(hào)均為EJ301,為方便描述將它們分別命名為液閃1和液閃2。液閃1的閃爍體尺寸為φ5.08 cm×5.08 cm(閃爍體為圓柱形,直徑5.08 cm,厚度5.08 cm),液閃2的閃爍體尺寸為φ12.7 cm×12.7 cm。當(dāng)一束中子入射到液閃1時(shí),與其閃爍體內(nèi)的核發(fā)生相互作用,中子被散射飛出閃爍體,反沖核信號(hào)則由液閃1記錄下來,記錄的反沖核和飛出的散射中子之間存在對(duì)應(yīng)時(shí)間關(guān)聯(lián),利用這樣的時(shí)間關(guān)聯(lián),以液閃1的反沖核信號(hào)作為散射中子飛行時(shí)間的起始信號(hào),液閃2探測(cè)到的中子信號(hào)作為散射中子終止信號(hào),從而獲得中子飛行時(shí)間。因此,液閃1也稱為散射探測(cè)器,液閃2也稱為主探測(cè)器。數(shù)據(jù)獲取采用CAEN公司的DT5730數(shù)字波形采樣器。

液閃具有非常好的n/γ甄別能力,通過脈沖形狀甄別(PSD)去除γ信號(hào)后,再通過信號(hào)符合方式即可給出中子時(shí)間譜。液閃中組成有機(jī)閃爍體的元素主要為碳和氫,原子量低,發(fā)生光電效應(yīng)的概率很低,γ射線進(jìn)入閃爍體中主要發(fā)生康普頓散射和電子對(duì)效應(yīng),因此閃爍體的光輸出信號(hào)快;而中子進(jìn)入閃爍體中,主要通過和氫原子、碳原子的多次彈性碰撞損失能量,因此閃爍體的光輸出信號(hào)慢,于是基于不同的脈沖形狀能夠?qū)崿F(xiàn)n/γ甄別。

通常采用PSD值來衡量n/γ甄別效果,PSD定義為:

(2)

式中,Qlong和Qshort分別為長(zhǎng)門和短門時(shí)間內(nèi)的脈沖波形積分值。一般選取完整脈沖信號(hào)的長(zhǎng)度為長(zhǎng)門的積分時(shí)間,選取信號(hào)波形的前沿為短門的信號(hào)積分時(shí)間。

圖4為n/γ甄別過程中液閃的PSD二維譜及投影譜,通過PSD值,可以很清晰地對(duì)中子和伽馬進(jìn)行區(qū)分。本實(shí)驗(yàn)獲得中子符合計(jì)數(shù)為6.1×105。

圖4 液閃的PSD二維譜及投影譜Fig.4 PSD 2D spectrum and projection spectrum of liquid scintilators

數(shù)據(jù)處理過程中將液閃2的信號(hào)(T2)作為起始信號(hào),液閃1的信號(hào)(T1)作為終止信號(hào),采用基于液閃1獲取的中子信號(hào)再到散射探測(cè)器中提取符合信號(hào),獲得不同時(shí)間間隔的中子事件數(shù)。由于整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)中子飛行時(shí)間存在零點(diǎn)偏差,利用伴隨伽馬對(duì)中子飛行時(shí)間譜的零點(diǎn)偏差進(jìn)行修正[13]。得到的中子飛行時(shí)間譜中有效信號(hào)位于x軸的負(fù)半軸,x軸正半軸的信號(hào)可作為偶然符合的噪聲信號(hào),通過將x軸的負(fù)半軸信號(hào)對(duì)稱反演到x軸正半軸并減去x軸正半軸的噪聲信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)噪聲本底信號(hào)的扣除,得到的中子飛行時(shí)間譜如圖5所示,有效中子符合計(jì)數(shù)為1.5×105。

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的中子飛行時(shí)間譜Fig.5 Neutron time-of-flight spectrum from experimental measurements

將中子飛行時(shí)間譜轉(zhuǎn)換成中子能譜還需考慮液閃探測(cè)效率。液閃1的探測(cè)效率采用MCNP6程序模擬,液閃2則采用NEFF50程序模擬,兩者結(jié)果如圖6所示。NEFF50程序是德國PTB實(shí)驗(yàn)室專門用于計(jì)算液閃探測(cè)器探測(cè)效率的程序,可以計(jì)算0.05～50 MeV中子能量區(qū)間的探測(cè)效率。由于液閃在幾MeV能量及以下時(shí)n/γ甄別能力較差,即對(duì)中子有一定的能量探測(cè)下限[14],因此本實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的散射后的中子能譜區(qū)間為1.5～50 MeV。

圖6 液閃探測(cè)器探測(cè)效率模擬值Fig.6 Simulated values of detection efficiency for scintilators

中子經(jīng)過散射探測(cè)器散射后能量會(huì)發(fā)生變化,由散射后的中子能量(En)可以計(jì)算散射前的中子能量(En0),即:

En=En0cos2θL

(3)

式中,θL為中子散射的出射角。

本實(shí)驗(yàn)液閃2的軸線方向(即液閃1指向液閃2的方向)相對(duì)于質(zhì)子束方向的夾角為45°,即θL=45°,此時(shí)有En=En0/2,即中子散射后的能量降為散射前的1/2。圖7為計(jì)算得到的散射前的中子能譜,已將中子能譜歸一到1 μA質(zhì)子束入射靶情況。在0°出射方向,15 m位置處中子注量率測(cè)量值為3.3×104cm-2·s-1,如表1所列。CYCIAE-100最大流強(qiáng)可達(dá)200 μA,因此最大中子注量率可達(dá)6.6×106cm-2·s-1,滿足中子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)中子注量率的要求[8],如將樣品輻照位置移動(dòng)至距離靶更近的位置還可以進(jìn)一步提高中子注量率。

表1 白光中子譜實(shí)驗(yàn)值與理論值對(duì)比Table 1 Comparison of experimental and theoretical values for white neutron spectrum

圖7 散射前的中子能譜Fig.7 Neutron spectrum before scattering

值得注意的是,CYCIAE-100白光中子源產(chǎn)生的中子能量最高只有100 MeV,無法直接模擬大氣中子能譜(可高達(dá)GeV以上),需要通過效應(yīng)模擬替代中子輻射場(chǎng)模擬;同時(shí),由于CYCIAE-100白光中子能譜在10 MeV以下中子約占90%,與核工業(yè)輻射環(huán)境中子能量主要在10 MeV以下,能區(qū)重合度高,也能適應(yīng)核工業(yè)輻射環(huán)境中子單粒子效應(yīng)的模擬。于是,當(dāng)實(shí)驗(yàn)室白光中子能譜與器件應(yīng)用環(huán)境中子能譜差異較大時(shí),仍基于白光中子源開展電子器件單粒子效應(yīng)研究,則需考慮不同能量中子輻照下器件單粒子效應(yīng)的影響,以探索建立準(zhǔn)確的中子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法。

3 結(jié)論

加速器白光中子源是研究電子器件中子單粒子效應(yīng)的重要中子源?；谥袊幽芸茖W(xué)研究院100 MeV質(zhì)子回旋加速器的白光中子靶和束線,采用核反應(yīng)理論和蒙特卡羅方法研究了100 MeV質(zhì)子與W靶相互作用的散裂反應(yīng)產(chǎn)生的具有連續(xù)能量的白光中子源。模擬結(jié)果表明,中子能量范圍為0～100 MeV,其中0°出射方向的能譜,10 MeV以上中子占比為9.2%;中子角分布具有軸對(duì)稱性,在90°方向中子產(chǎn)額最小,0°和180°出射方向中子產(chǎn)額逐漸增大。選取0°出射方向,采用雙液閃中子飛行時(shí)間法測(cè)量白光中子能譜,獲得能量范圍為3～100 MeV的中子能譜,且當(dāng)質(zhì)子束為100 MeV/1 μA時(shí),距靶15 m處中子注量率為3.3×104cm-2·s-1。CYCIAE-100最大質(zhì)子流強(qiáng)為200 μA,因此最大中子注量率可達(dá)6.6×106cm-2·s-1,滿足中子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)中子注量率的要求。

此外,由于CYCIAE-100白光中子源的中子能量最高為100 MeV,無法直接模擬大氣中子能譜,且與核工業(yè)輻射環(huán)境中子能譜也存在一定差異,需進(jìn)一步考慮不同能量中子輻照下器件單粒子效應(yīng)響應(yīng),以探索建立準(zhǔn)確的中子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法。