单粒子效应实验的新进展
Flash存储器单粒子效应测试研究综述
0引言空间环境中存在的一些高能粒子(包括质子、中子、重离子和α粒子等)会对航天航空系统中半导体器件造成辐射损伤,威胁着航天器的安全。
空间辐射效应主要分为三类:总剂量效应、位移损伤效应和单粒子效应。
当单个高能粒子入射到半导体器件中,与器件的灵敏区域相互作用产生的电子-空穴对被器件收集所引发的器件功能异常或者器件损坏就是单粒子效应,包括单粒子翻转、单粒子闭锁、单粒子功能中断和单粒子瞬态等。
随着半导体器件的特征尺寸不断缩小,单粒子效应越来越显著,并已经成为影响宇航电子系统正常工作的主要因素。
Flash 存储器的基本单元是基于浮栅工艺的MOS管,它有两个栅:一个控制栅和一个位于沟道和控制栅之间的浮栅。
按照Flash 内部架构以及技术实现特点,可以将其分为NOR 型和NAND 型。
NOR Flash 各单元间是并联的,它传输效率高,读取速度快,具有片上执行功能,作为重要的程序和FPGA 位流存储器,大量应用于各型号航天系统。
NAND 型Flash 各存储单元间是串联的,它比NOR 架构有更高的位密度,每位的成本更低。
NAND Flash 的非易失性、低功耗、低成本、低重量等特性也使其在航天系统中得到了应用。
故对Flash 存储器的单粒子效应评价至关重要。
地面高能粒子模拟实验是目前单粒子效应研究中最常用的实验方法,它能较好地反映器件的辐射特性,常用的地面模拟源有粒子加速器提供的重离子束或质子束、252Cf 裂片模拟源、14MeV 中子源等,本文讨论的内容都是针对重离子辐照实验开展的。
目前国内单粒子效应试验均依据QJ10005标准开展,但标准中没有给出具体效应的测试方法,传统测试方法中缺失了对器件存储区与外围电路的效应区分和不同影响考虑,故本文对国内外Flash 存储器单粒子效应实验中常见效应及其测试区分方法进行综述,总结分析测试流程,为相关测试实验研究提供参考。
∗基金项目:装备领域预研基金(41402040301);军用电子元器件科研项目(1905WK0014)Flash 存储器单粒子效应测试研究综述∗黄姣英,王乐群,高成(北京航空航天大学,北京100191)摘要:随着Flash 存储器在航天系统中的大量应用,其单粒子效应评价至关重要。
单粒子翻转效应
单粒子翻转效应一、介绍在物理学中，单粒子翻转效应是指当一个系统中的某个粒子发生翻转时，系统整体的性质发生明显变化的现象。
这一现象在各种领域的研究中都有重要的应用，特别是在量子计算和量子通信等领域。
二、基本原理单粒子翻转效应的基本原理是利用粒子矢量空间中的自旋翻转来实现信息传输和处理。
在量子力学中，自旋是粒子的内禀性质，类似于粒子的磁矩。
通过施加外部磁场或其他的相互作用，可以使粒子的自旋在矢量空间中发生翻转。
三、应用领域单粒子翻转效应在多个领域都有广泛的应用，下面分别从量子计算、量子通信和材料研究等方面进行探讨。
1. 量子计算量子计算是一种基于量子力学原理的计算模式，利用量子比特的叠加和纠缠特性，可以实现比传统计算机更高效的计算能力。
单粒子翻转效应在量子计算中起到重要的作用，可以通过控制粒子的自旋翻转来实现量子逻辑门的操作。
这为量子计算的实现提供了可行的方案。
2. 量子通信量子通信是一种基于量子力学原理的安全通信方式。
借助于量子纠缠和量子比特的叠加特性，可以实现信息的加密和传输。
在量子通信中，单粒子翻转效应可以用于创建和控制量子纠缠态，从而实现安全的量子通信。
这为保护通信信息的安全性提供了重要的手段。
3. 材料研究单粒子翻转效应在材料研究中也有重要的应用。
通过控制材料中某些粒子的自旋翻转，可以改变材料的磁性和电性等性质。
这种控制可以通过施加外部磁场、温度等手段来实现。
利用单粒子翻转效应，可以设计出具有特定性质的功能材料，广泛应用于磁性存储、传感器、电子器件等领域。
四、实验方法实现单粒子翻转效应的方法有多种，下面列举几种常用的实验方法：1.磁共振法：利用核磁共振或电子顺磁共振的原理，通过外加磁场和特定的脉冲序列来实现粒子的自旋翻转。
2.光学法：利用激光或光磁光效应，通过调制光场的频率和强度，控制粒子的自旋翻转。
3.超导量子比特法：利用超导电路中的两个能级之间的能差来表示量子比特，通过外部脉冲序列实现比特的翻转。
结构生物学研究中的新进展
结构生物学研究中的新进展随着科技的不断进步，结构生物学也在不断发展和进步。
结构生物学主要研究生物分子的结构和功能，如蛋白质、核酸、碳水化合物等。
广泛应用于新药研发、生命科学和医学领域。
近年来，随着各种高分辨率技术的发展，结构生物学也取得了一些新的进展。
一、单粒子冷冻电镜技术单粒子冷冻电镜技术（single particle cryo-electron microscopy，cryo-EM）是一种高分辨率结构生物学技术。
该技术可在几乎自然状态下，高分辨率地解析生物大分子的三维结构。
该技术与传统X射线晶体学（X-ray crystallography）和核磁共振技术（NMR）不同，前者需要高纯度的蛋白质晶体，后者对样品有比较严格的要求。
而常规电子显微镜在高分辨率下又存在样品极易受损的问题。
相比之下，cryo-EM技术几乎可以处理所有的生物大分子样品，且在高分辨率下还能保持生物大分子之间的自然状态。
近几年，随着谷歌的Deepmind公司研究人员开发了结合深度神经网络的自动化软件Relion用于处理cryo-EM数据，从而加速、最大程度地自动化了数据处理的过程，使得cryo-EM技术更容易实现。
二、膜蛋白结构研究膜蛋白在生物体内的重要性不言而喻，它们负责细胞内外物质的交换和信号传导等功能。
在过去，由于其高度水溶性和不稳定性，使得膜蛋白的结构研究相对困难，很少有高分辨率的结构信息被得到。
但凭借电镜技术的不断发展和导入，在不同解析度下，越来越多的膜蛋白结构被揭示。
最近，有越来越多的研究表明，有机溶剂结构导向法（organic solvent modulation method）可被用于澄清膜蛋白的结构。
该方法将有机溶剂（如丙酮、甲醇、氯仿和戊酸）加入到膜蛋白样品中，利用溶剂的高度极性和疏水特性，对膜蛋白的结构进行一定的修饰，使其成为X射线晶体学和NMR方法所能解析的样品。
三、仿生学用于结构生物学的研究仿生学是研究生物体和生命系统的结构、功能和行为等特征，并提取这些特性来设计、制造和应用新的材料、设备和系统的跨学科领域。
NAND Flash存储器单粒子效应试验研究
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半导体器件大气中子单粒子效应试验方法与程序基本信息
半导体器件大气中子单粒子效应试验方法与程序基本信息半导体器件大气中子单粒子效应试验方法与程序基本信息【导论】半导体器件是现代电子技术中不可或缺的基础组成部分，但它们在高能辐射环境下的可靠性问题一直备受关注。
其中，大气中子单粒子效应是一种重要的辐射损伤现象，它对半导体器件的性能产生了不可忽视的影响。
为了解决这个问题，科研人员提出了许多试验方法和程序，以便更好地了解和评估半导体器件在大气中子单粒子效应下的可靠性。
本文将针对这一主题展开全面深入的讨论。
【试验方法】1. 单粒子效应测试单粒子效应测试是一种常用的试验方法，通过在实验室中模拟大气中子单粒子效应，评估半导体器件的性能和可靠性。
在该测试中，使用粒子加速器产生高能粒子束，并照射在待测器件上。
通过检测器件的电流、电压或其他指标的变化，可以获得其受到辐射后的效应。
2. 组件级试验组件级试验是一种更接近真实工作环境的试验方法，它考虑了半导体器件在电路中的相互作用。
在该试验中，器件被嵌入到电路板或模块中，经过长时间不间断的工作，观察其在大气中子单粒子效应下的性能退化情况。
这种方法能更好地模拟实际工作条件，但需要更长的测试时间。
3. 增强放射性测试增强放射性测试是一种瞄准特定辐射环境的试验方法，根据地理位置、海拔高度、周边辐射源等因素，选择合适的地点进行测试。
通过对辐射水平进行增强，可以更快速地观察到器件在大气中子单粒子效应下的反应，以及评估其可靠性。
【试验程序基本信息】1. 数据收集与分析试验开始前，需要收集和分析相关的数据，包括大气中子流通量、器件故障率、故障模式等信息。
这些数据对于设计合理的试验方案和结果的解读至关重要。
2. 样品准备与选择根据需求和试验目标，选择适当的半导体器件样品，以代表实际生产中使用的器件。
对样品进行特殊处理，例如辐射前的电子束退火、封装等，以确保试验结果的可靠性和有效性。
3. 设置试验条件根据试验目标，设置适当的试验条件，例如辐射剂量、温度、湿度等。
铁电存储器中高能质子引发的单粒子功能中断效应实验研究
铁电存储器中高能质子引发的单粒子功能中断效应实验研究佚名【摘要】利用中国原子能科学研究院的中高能质子实验平台,针对两款商用铁电存储器开展了中高能质子单粒子效应实验研究,发现其中一款器件在质子辐照下发生了单粒子翻转和单粒子功能中断.本文主要针对单粒子功能中断效应展开了后续实验研究.首先通过改变质子能量对器件进行辐照,发现单粒子功能中断截面随质子能量的提高而增加.为进一步研究器件发生单粒子功能中断的机理,利用激光微束平台开展了辅助实验,对铁电存储器的单粒子功能中断效应的敏感区域进行了定位,最后发现铁电存储器单粒子功能中断是由器件外围电路发生的微锁定导致的.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2018(067)023【总页数】7页(P226-232)【关键词】铁电存储器;中高能质子;单粒子功能中断效应【正文语种】中文1 引言1.1 铁电存储器的抗辐照背景铁电存储器(ferroelectric random access memory,FRAM)作为新型半导体存储器中的一种,与传统的随机存储器(random access memory,RAM)不同之处在于断电后能继续保持数据.它与市场上的静态随机存储器(static random access memory,SRAM)可以实现替换,可以说是SRAM和FLASH存储器最好工艺的结合[1].相较于Flash,FRAM具有更高的读写次数,更快的读写速度以及超低的功耗[2].FRAM具有高达10万亿次的读写循环,是标准电可擦可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memory,EEPROM)的100万倍,写入速度为EEPROM的76倍,而功耗却只有EEPROM的3%.FRAM的工艺由铁电薄膜技术与互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工艺结合而成,采用具有自发极化特性的钙钛矿材料作为存储介质[3−6],使得存储单元不受辐射环境中产生电荷波动的影响,从而具有优良的抗辐照性能[7,8].所有的这些优点使得FRAM自诞生之日起就在航天航空应用领域成为热门.在国内,FRAM重离子单粒子效应的相关研究已经开展.辜科等[9,10]对1 M的FRAM进行了不同种类重离子的实验研究,得到了该器件发生单粒子翻转(single event upset,SEU)的线性能量传递(linear energy transfer,LET)阈值和单粒子翻转截面以及发生单粒子闩锁的LET值并利用TCAD工具对存储单元的翻转进行了仿真;Zhang等[11]对一款4 M商用FRAM进行了重离子辐照,发现了至少六种单粒子效应,并确定是由外围电路的异常造成的.在复杂的空间辐射环境中,质子分布广泛并占据很大的比例,如宇宙射线中80%为高能质子,太阳风中95%是质子,极光辐射和范·艾伦辐射带的内带中也存在着大量质子[12].因此,对质子源引发的单粒子效应进行实验研究具有重要的意义.由于之前国内并无中高能质子加速器,所以目前国内对于FRAM质子单粒子效应方面的研究仍处于空白.直到近年来中国原子能科学研究院的中高能质子加速器成功出束,这方面的工作才得以开展.1.2 国外的工作2008年NASA在印第安纳大学对型号同为FM22L16的商用FRAM进行了地面质子辐照测试,发现了两种单粒子效应:单粒子翻转(SEU)和单粒子功能中断(singleevent function interrupt,SEFI),并得到了图1所示的SEU翻转截面随质子能量变化的趋势[13],但是并未对SEFI现象进行深入分析.2010年2月,NASA在首颗快速、经济可承受科学技术卫星(fast and af f ordable science and technology satellite,FASTSAT)上搭载一款商用FRAM进行在轨测试(辐照环境主要是质子),在一年的在轨测试时间内并未发现有单个或多个字节的翻转[14].作为新型非易失性存储器,FRAM在质子辐照下发生的单粒子效应也与传统SRAM有所不同:SRAM在相同能量质子辐照下会产生SEU[15,16],而FRAM则会产生SEU和SEFI.对比NASA的地面质子辐照测试,发现实验现象一致,但NASA对于FRAM的SEFI的研究并未深入.在实验中我们发现,SEFI出现的频率较高(如图4所示),甚至器件的失效是由SEFI引起的.所以SEFI对FRAM在质子辐照环境下正常工作状态造成的影响不可忽视,本文使用100 MeV以下的质子束流对FRAM的SEFI进行了实验.图1 不同质子能量下FRAM SEU翻转截面[13]Fig.1 .SEU cross section of FRAM verses dif f erent proton energy[13].2 实验2.1 实验器件及设备本实验选用两款产自Cypress公司的商用FRAM,型号为FM28V100和FM22L16,它们的特征尺寸分别为90 nm和130 nm,容量为1 M和4 M,后者的存储单元工艺结构为2T2C,前者未知.实验平台采用中国原子能科学研究院自主研发的100 MeV质子回旋加速器,如图2所示.它可以产生100 MeV以下的质子束流,利用降能片来实现能量的降低,通过法拉第筒进行注量率的测量,二次电子监督器对注量进行束流监督.通过束流诊断,确定中子质子比小于千分之一,束流的空间均匀性大于75%.这样的质子束流可以认为是稳定可靠的,并且能够满足本实验的要求.实验中选择90,70,50和30 MeV的质子能量,实际注量率为6.9×106p/(cm2·s).由于FRAM 的累计失效剂量高达280 K·rad(Si)以上[17,18],辐照过程中每只器件所接受的质子总剂量远远小于失效累计剂量的80%,可以忽略总剂量效应对本实验的影响.图2 中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器Fig.2 .100 MeV proton cyclotron of China institute of atomic energy.2.2 测试系统实验所用的测试系统如图3所示,测试板由ARM(advanced RISC machine)模块,FPGA(f i eld-programmable gate array)模块及电源模块组成.ARM模块接收上位机发送的配置信息及测试命令,并将这些命令解析后发送给FPGA模块,FPGA 模块输出存储器的控制时序,通过I/O接口将操作命令及控制时序信息传递给器件,对器件进行存取操作.器件读出的信息通过I/O口反馈给FPGA模块,FPGA模块分析比较器件是否发生了效应并记录这些数据,依次传递给ARM模块和上位机,使其显示并存储这些信息.图3 FRAM测试系统示意图Fig.3 .Illustration of FRAM testing system.在上述能量点下,根据器件的数据位数,分别向FRAM中填入棋盘式数据格式55或5555,然后在质子束流辐照的过程中对器件进行动态和静态的测试.动态测试通过测试系统在质子辐照过程中实时地从FRAM中读出数据,并和之前写入的棋盘式数据进行比较来判断是否发生了数据错误.静态测试在质子辐照过程中不进行读出操作,辐照结束后才开始读出数据判断是否发生了单粒子效应(single event ef f ect,SEE).2.3 实验结果与分析在上述参数的束流辐照下,FM28V100型FRAM未观察到任何单粒子效应,但是FM22L16型FRAM在辐照过程中发生了一些单粒子效应:当质子束流打开时,测试系统立刻监测到大量的瞬态错误,这些错误每隔几个周期会短暂消失,接着又重新出现(如图4所示),束流停止后器件中留下极少甚至是没有留下错误.将这个过程中发生的SEE详细地分为4种,如表1所列.动态测试中当质子注量累计较低时,器件发生软SEFI,SEU和多位翻转 (multiple-bit-upset,MBU)效应,而随着注量累计增加,器件发生了硬SEFI效应,无法读出器件的SEU和MBU信息,此时断电操作不能使器件恢复正常,视为器件发生了失效.在静态测试过程中,累计注量低时未检测到SEE,累计注量高时,发现了硬SEFI效应.在两个月后对器件进行加电测试,所有发生硬SEFI的FRAM功能恢复正常,此时可以读出器件的SEU与MBU信息.图4 FRAM在质子辐照过程中的SEFI现象Fig.4 .SEFI phenomenon of FRAM using proton irradiation.功能中断截面计算公式为其中δ为功能中断截面;n为功能中断发生时测试系统回读的错误个数;Φ为质子的注量.根据上述公式计算出功能中断截面并进行比较,发现由SEFI造成的错误截面随着质子能量的增加而增加,如图5所示(由于多只器件的失效,未能准确给出30 MeV能量下的截面数据).表1 FRAM在质子辐照过程出现中的SEETable 1 .SEE happened using proton irradiation for FRAM.效应表现Soft SEFI DUT(device under test)在测试周期中检测到大量的瞬态错误,束流停止后也消失Hard SEFI DUT在测试周期中检测到大量的瞬态错误,束流停止后不会消失SEU DUT中留下单个字节的错误,可通过重写恢复MBU DUT中留下多个字节的错误,并且错误地址连续,可通过重写恢复图5 FRAM的SEFI截面随质子能量的变化Fig.5 .FRAM SEFI cross section verses dif f erent proton energy.2.4 SEFI效应机理探索该实验中,器件SEFI效应在质子辐照环境下出现的频率较高,并且硬SEFI导致FRAM失效.SEFI对FRAM造成的影响不可忽视.为了更进一步地探索FRAM中的SEFI敏感区,使用西北核技术研究所的脉冲激光单粒子模拟装置对FM22L16存储器进行实验,使用波长为1064 nm的激光脉冲,对器件的版图从背部进行全面扫描[19].如图6所示,从版图左下角每隔25µm入射一个激光脉冲,每秒入射两个脉冲,激光的能量为5 nJ,一直到版图的右上角结束.在激光扫描的过程中对FRAM预先写入数据再进行动态的回读测试,并同时观察测试过程中是否会出现错误,一旦有SEFI 效应发生,立刻停止激光扫描,并记录下该点坐标,然后继续测试.结果发现激光脉冲在器件的整个外围电路中扫描(图6中A,B区域)均能够引起SEU 效应,存储阵列C区内的激光脉冲不能引发任何单粒子效应,能够引发SEFI效应的区域只有在外围电路中的某一块区域,如图6中B区红点所示.需要指出的是,脉冲激光的直径远远小于图中红点的直径,红点表示SEFI敏感区所在的范围,并非单一点.另外当激光能量小于5 nJ时,可被监测的敏感点个数减少,而激光能量大于5 nJ时,可被监测的敏感点个数增加.在FRAM的电源输出端串联一个100 Ω的分压电阻,利用高频示波器监测波形,结果发现在使用激光微束造成器件SEE时,伴随着每次SEFI的发生,器件的电源输出端都能捕捉到一个微电流的产生(如图7所示),并且在该SEFI过程中的所有出错地址均是连续的.显然FRAM的外围电路才是其SEE敏感区,而红点所在区域是器件SEFI敏感区.FRAM的外围电路基于传统的CMOS工艺加工而成,而集成电路中CMOS工艺易受辐射环境的影响[20−22],特别是缓存器和寄存器,受到辐射环境的影响会导致短暂的读写错误,甚至是功能中断[23].图8(a)所示是一个简化的可控硅电路原理图,Vdd和Vss通过寄生电阻分别与PNP和NPN双极管的基极相连,寄生电阻的存在使其通常保持在关闭的状态,但是当任何一个双极管基极的偏置增加时,电路中流动的电流会增大.一旦双极管的电流增益大于1,电路中的电流再生,直到两个双极管饱和,此时由于流过可控硅结构的电流过大,实际上改变了硅的有效掺杂状态,使其阻值变低[24].图6 FM22L16 FRAM中的SEFI敏感区域Fig.6 .SEFI Sensitivity area ofFM22L16 FRAM.图7 伴随SEFI效应产生的电流波Fig.7 .Electric wave of FRAM accompanied with SEFI.图8 (a)电子电路中寄生的可控硅结构;(b)简化的可控硅原理图Fig.8 .(a)Silicon controlled rectif i er parasitic in digital circuits;(b)simplif i ed silicon controlled rectif i er .在本实验的辐射环境中,质子带一个单位的正电荷,由于其原子质量很轻,所以在物质中的穿透能力较强.当能量低于3 MeV的质子入射到电子器件中时,会通过直接电离的方式在硅中沉积出电子-空穴对,改变电子器件的逻辑或工作状态,这在纳米级尺寸的器件中表现较为突出[16].而本实验选择的中高能质子穿透器件时,库仑力对质子的阻碍能力减弱,此时质子主要与材料物质发生核反应生成重离子和其他次级粒子,重离子带有更多单位的正电荷,并且原子质量较重,穿透能力较弱,会在相对较短的路径中通过直接电离的方式,产生电子-空穴对.而对激光脉冲而言,激光入射器件时,光子被材料吸收,沿着其入射方向电离出电子-空穴对[25],这与低能质子及重离子的直接电离过程十分相似.辐照环境产生的载流子的积累会使得CMOS工艺中的可控硅结构打开,图8(b)所示为电子电路中的可控硅结构示意图,电子空穴对在衬底中被Vss至Vcc的内部电场所收集,电流流过内部寄生衬底电阻时,基极的偏置增大,电路中流动的电流会增大.如果偏置足够高,可控硅结构被触发进入电流再生模式,器件发生单粒子锁定,测试系统对器件失去控制,直到给器件断电,并重新加电才能恢复正常[26,27].在本实验中SEFI发生时,测试系统并未对器件失去控制,因此可以认为可控硅结构中未达到电流增益状态,而是发生了微锁定现象,此时寄生可控硅结构中有电流流过,PMOS管和NMOS管的开关作用失效.FRAM的数据读取和写入过程的顺利执行是有外围电路中的寄存器参与的,这些寄存器中有命令寄存器和地址寄存器,用来响应电路外部传入的命令代码和地址信号.在外围电路的寄存器发生微锁定时,产生了如图7所示的微小电流,其持续的时间为激光或质子在材料中产生的电子-空穴能够维持可控硅结构的寄生二极管中基极正向偏置的时间.在这个时间内,寄存器无法响应,FRAM的读出功能失效,测试系统回读出大量的错误,当这个时间结束后,电流消失,寄存器恢复正常,测试系统读出正确的数据,上一个周期中读出的错误消失,直到下一次微锁定发生时这种情况再次出现,如图4所示.随着质子能量的增高,通过核反应产生的次级重离子种类和能量也增加,在硅衬底中电离出的电子-空穴对随之增加,外围寄存器发生微锁定效应的时间越长,测试系统回读的错误数越多,导致FRAM的功能中断截面随着质子能量的增加而增加.在NASA对Intel生产的微处理器理器(microprocessor)、协处理器(coprocessor)、集成外围(integrated peripheral)的辐照效应研究中,发现其中某一个部分发生SEU均会导致其他两个部分随之发生SEE,推测这是由于各部分的总线连接造成的[28].因此认为,外围电路中发生的微锁定电流,通过总线的连接可以在器件的输出端被观测到,如图7所示.3 结论本文对两款商用FRAM开展了质子单粒子实验研究,通过比较两款器件在质子辐照下的表现,发现特征尺寸对FRAM的SEE敏感性的影响与传统SRAM不同,虽然FM28V100的特征尺寸比FM22L16小,但FM28V100在90 MeV以下的质子能量辐照下未发生SEE,反而是特征尺寸较大的FM22L16出现了SEE.这是因为FM28V100的容量比FM22L16小,外围电路面积也比后者小,导致SEE敏感单元(如寄存器)在版图布局中的比例小,在相同的质子辐照环境下未发生SEE.利用不同能量的质子束流对FRAM进行辐照,FM22L16型FRAM在30—90 MeV的质子能量下均能检测到SEFI效应,并且器件SEFI截面随着质子能量的增加而增加.通过激光微束的辅助实验,发现器件发生SEU效应的敏感区分布在整个外围电路中,而器件发生SEFI的敏感区只分布在外围电路中的某一块区域.本文认为外围电路中参与读写过程的寄存器在辐照环境下发生了微锁定,使其在读取数据的过程中失效,导致数据读取失败.与单粒子锁定现象不同,微锁定产生的电流未超过FRAM的正常工作电流(15 mA),可以自主恢复.这个电流持续的时间决定了FRAM的功能中断截面的大小.最后利用高频示波器在激光脉冲辐照器件时,对FRAM的输出电流进行同步采样,发现伴随着SEFI效应的发生,输出端会俘获到一段瞬态电流,为器件发生SEFI效应机理提供了支撑.参考文献【相关文献】[1]Dahl B A,Cruz-Colon J,Baumann R C,Rodriguez J A,Zhou C,Rodriguez-Latorre J,Khan S,San T,Trinh T 2015 IEEE Radiation Ef f ects Data Workshop(REDW)Boston,MA,USA,July 13–17,2015 p1[2]Zhou Y C,Tang M H 2009 Materials Review 23 1(in Chinese)[周益春,唐明华 2009材料导报23 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新型微电子技术单粒子效应研究面临的挑战
Ｄａｍ
Ｄａｔａ
图３ ＤＳＥＴ的俘获 Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｓ ｏｆＤＳＥＴ ｃａｐｔｕｒｅ．
在较高频率下，先进工艺的组合逻辑引起的软 错误占主导地位。这主要归因于：
（１）随着频率增大，单位时间内时钟沿的数量 增加，ＳＥＴ被俘获概率也增加。研究表明，ＤＳＥＴ 引起的软错误随时钟频率增加【２２１。对于当代的高频 电路，大部分ＤＳＥＴ脉冲都能被俘获。
第一作者：郭红霞．女，１９６４年出生，２００２年３月西安电子科技大学微电子学与固体电子学获博士学位。研究员，硕士生导师， 主要从事集成电路空间辐射效应模拟试验技术和数值模拟研究 收稿日期：２０１０－０１．１３，修回Ｈ期：２０１０—０５—２０
万方数据
第７期
郭红霞等：新型微电子技术单粒子效应研究面临的挑战
（２）随着工艺尺寸的缩减，节点电容减小，电 源电压降低，代表逻辑“高”状态的电荷量降低，则 相同通量的粒子产生更多的具有足够高度和宽度的 ＤＳＥＴ脉冲，导致ＷＯＶ增大。
（３）随着门延迟的减小，能无衰减传播的脉冲 宽度和高度均减小。
（４）在相同ＬＥＴ值下，ＤＳＥＴ脉冲宽度和ＷＯＶ 随着工艺进步而增加，器件的软错误截面（敏感区的 面积）随工艺尺寸的缩减而增加。
图６ ２５６ Ｋ ＣＭＯＳ ＳＲＡＭ在两个不同离子能量 模拟源的ＳＥＵ实验数据删
Ｆｉｇ．６ Ｍｅａｓｕｒｅｄ ＳＥＵ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ａ ２５６ Ｋｂｉｔ ＳＲＡＭ ｔａｋｅｎ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ａｎｄ ｈｉ吐ｅｎｅｒｇｙ ｈｅａｖｙ ｉｎｎｓｐ“．
Ｒｅｅｄ ＲＡ等ｐｊＪ研究了加固的４ Ｍｂｉｔ ＳＲＡＭ，由 于空间环境的高能离子或质子与高Ｚ材料的核反 应，导致单粒子翻转出错概率近３个量级地高于基 于地面实验的预估（图７），可见核反应对ＩＣｓ的空间 轨道失效有重要影响。实际空间轨道测量和改进后 模型预估结果较为一致，而传统的预估方法与实际 空间轨道测量的结果相差近５００倍。传统的预估模 型高估了器件的单粒子能力Ｉｊ４ｊ。
准单能中子单粒子效应研究现状
第31卷第2期强激光与粒子束V o l.31,N o.2 2019年2月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S F e b.,2019准单能中子单粒子效应研究现状*韩金华1,2,郭刚1,2,陈启明1,2,文章1,2,张付强1,2(1.中国原子能科学研究院核物理研究所,北京102413;2.国防科技工业抗辐照应用技术创新中心,北京102413)摘要:对国际上用于单粒子效应(S E E)研究的准单能中子源进行了相关调研,对产生准单能中子源的7L i(p,n)7B e核反应㊁装置布局以及表征中子场性质的中子注量率㊁中子能谱㊁中子束流轮廓及其均匀性㊁热中子本底等参数的理论计算及实验测量进行了系统的介绍㊂进行准单能中子S E E实验要求中子源有较高的中子注量率水平㊁较大的束流轮廓㊁较好的束流均匀性以及较低的热中子本底,并且能测量出精确的中子能谱㊂对准单能中子S E E实验过程以及三种中子S E E截面的尾部修正方法进行了介绍㊂关键词:准单能中子源;中子注量率;中子能谱;中子束流轮廓;单粒子效应;尾部修正中图分类号: O571.5文献标志码: A d o i:10.11884/H P L P B201931.180254Q u a s i-m o n o e n e r g e t i c n e u t r o n s i n g l e e v e n t e f f e c t sH a n J i n h u a1,2, G u oG a n g1,2, C h e nQ i m i n g1,2, W e nZ h a n g1,2, Z h a n g F u q i a n g1,2(1.D e p a r t m e n t o f N u c l e a rP h y s i c s,C h i n a I n s t i t u t e o f A t o m i cE n e r g y,B e i j i n g102413,C h i n a;2.N a t i o n a l I n n o v a t i o nC e n t e r o f R a d i a t i o nA p p l i c a t i o n,B e i j i n g102413,C h i n a)A b s t r a c t: T h e i n t e r n a t i o n a l q u a s i-m o n o e n e r g e t i cn e u t r o ns o u r c e s f o r t h e s i n g l e e v e n t e f f e c t(S E E)s t u d ya r e i n v e s t i g a t e d,t h e r e l a t e d i s s u e s i n c l u d i n g t h e7L i(p,n)7B e n u c l e a r r e a c t i o n,t h e f a c i l i t y l a y o u t,a n d t h e t h e o-r e t i c a l c a l c u l a t i o n s a n d e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t s o f t h e n e u t r o n f i e l d p a r a m e t e r s s u c h a s t h e n e u t r o n f l u x,t h en e u t r o ne n e r g y s p e c t r u m,t h en e u t r o nb e a m p r o f i l ea n d i t su n i f o r m i t y,a n dt h e t h e r m a ln e u t r o nb a c k g r o u n d,a r es y s t e m a t i c a l l y i n t r o d u c e d.T h e q u a s i-m o n o e n e r g e t i cn e u t r o n S E E e x p e r i m e n t sr e q u i r et h a tt h en e u t r o ns o u r c eh a v e ah i g hn e u t r o n f l u x,l a r g e a n du n i f o r mb e a ms p o t,a n d l o wt h e r m a l n e u t r o nb a c k g r o u n d,a n d t h a ta na c c u r a t en e u t r o ne n e r g y s p e c t r u mb eo b t a i n e dt h r o u g he x p e r i m e n t s.T h e q u a s i-m o n o e n e r g e t i cn e u t r o nS E Ee x p e r i m e n t s a n d t h r e em e t h o d sf o r t h e t a i l c o r r e c t i o no f n e u t r o nS E Ec r o s s s e c t i o n s a r e i n t r o d u c e d.K e y w o r d s:q u a s i-m o n o e n e r g e t i cn e u t r o ns o u r c e; n e u t r o nf l u x; n e u t r o ne n e r g y s p e c t r u m; n e u t r o nb e a m p r o f i l e;s i n g l e e v e n t e f f ec t;t a i l c o r r e c t i o nm e t h o dP A C S:29.20.-c;29.25.D z;29.30.H s;61.80.H g当宇宙空间中的高能粒子(主要是质子)克服地磁场的屏蔽作用进入到地球空间时,便会与大气中的氮㊁氧等原子发生核反应,产生大量的次级粒子,如中子㊁质子㊁电子㊁γ㊁π介子和μ子等,由此构成主要的大气辐射环境,其中中子是最主要的辐射粒子[1-2]㊂中子可通过与微电子器件的材料发生核反应产生的次级重离子在其敏感区域的电离来引发单粒子效应(S E E)㊂目前,大气中子被认为是临近空间(距地面20~100k m所包含的空域)㊁航空空间(距地面20k m以下空域)和地面附近的微电子器件发生单粒子效应的主因[3-6]㊂国际航空界非常重视大气中子环境及其辐射效应的研究,并制定了相关的技术标准,例如I E C T S62396-1[7]㊂近年来,由于军事需求的牵引和技术进步的推动,临近空间的战略价值也逐渐引起各国的重视㊂各国在加强对临近空间进行全面探测的同时,临近空间飞行器也因具有航空器㊁航天器所不具有的优势,在通信保障㊁情报收集㊁侦察监视㊁气象预报等方面极具发展潜力,从而成为各国的研究热点[8-9]㊂显然,大气中子导致的单粒子效应会对临近空间飞行器的可靠运行构成重要威胁㊂大气中子在地面附近产生的单粒子效应自1993年开始被观察到[6],而这将给通信㊁金融㊁大数据㊁互联网等领域带来不利的影响㊂美国R e n e s a s技术公司在几个不同海拔的地点对广泛应用于手机的低功耗静态随机存取存储器(S R AM)进行了实时软错误率(R T S E R)实*收稿日期:2018-09-30;修订日期:2019-01-14作者简介:韩金华(1987 ),男,硕士,从事辐射物理研究;j i n h u a.h@o u t l o o k.c o m㊂通信作者:郭刚(1966 ),男,研究员,从事辐射物理研究;g g g@c i a e.a c.c n㊂020201-1020201-2验[10]㊂法国国家科学研究院在阿尔卑斯山建立的海拔S E E 实验欧洲平台自2006年起开始运行[11]㊂可见,国际上对大气中子在地面附近诱发的单粒子效应越来越重视㊂随着半导体工艺的发展,微电子器件的特征尺寸不断缩小,工作电压不断减小,工作频率不断增加,从而其S E E 敏感性也越来越高[12],大气中子诱发器件发生单粒子效应的潜在危害也越来越大㊂中子S E E 截面的能量依赖关系是中子S E E 研究中最重要的内容,该关系可用于预估微电子器件在各种不同中子辐射环境中的单粒子效应错误率㊂这方面的实验研究一般利用单能㊁准单能中子源装置来开展㊂一般引发微电子器件产生单粒子效应的中子能量阈值为几M e V ,只有能量在其之上的中子才可引发单粒子效应[10]㊂几M e V 至20M e V 能区内的单能中子主要通过不同的轻离子诱发核反应如T (p ,n ),7L i (p,n ),D (d ,n ),T (d ,n )等来获得[13]㊂其中,14M e V 左右的中子可使用造价低廉的高压倍加器通过T (d ,n )反应产生,其工作电压不高,仅为几百k V ,但粒子束流大,可达m A 量级㊂由于这个原因,14M e V 中子源在世界各地被广泛建立并有效应用于S E E 实验中[10,14-15]㊂中国原子能科学研究院(C I A E )的高压倍加器产生的14M e V 中子源也已多次应用于中子S E E 实验研究中[16]㊂在20M e V 以上能区,由于更高的入射能量会引发多体破裂过程,因而仅能获得准单能中子源㊂中子S E E饱和截面对于预估微电子器件在大气中子辐射环境中的错误率具有极其重要的意义,而中子S E E 截面一般在20M e V 以上才会饱和㊂此外,J E D E C -J E S D 89标准推荐使用14,50,100,150M e V 的中子进行单粒子效应测试[17]㊂因此,建设准单能中子源并用于开展中子S E E 研究是极为必要的㊂本文将对准单能中子源及准单能中子S E E 实验所涉及的各个方面进行系统介绍㊂目前,我国还没有已建成的准单能中子源,中国原子能科学研究院正在100M e V 质子回旋加速器上进行准单能中子源的建设,本文将为其提供重要参考㊂1 准单能中子源1.1 7L i (p,n )7B e 核反应在20M e V 以上能区,7L i (p,n )7B e 反应提供了强度最高㊁单色性最好的中子源,其原因在于[13]:质子质量较小,在材料中的能损和岐离最小;剩余核7B e 的第一激发态和基态仅相差0.43M e V ,产生的两组中子的能量差小于靶厚引起的中子能量分辨(1~2M e V ),并且7B e 处于基态和第一激发态的中子产额较高,处于其他激发态的中子产额很小,这使得其单色性较好;该反应的反应能小(小于2M e V ),因而产生的中子的能量较高㊂另外,金属L i 有较好的热学性质,材料容易获取并能做成自支撑靶㊂鉴于此,国际上各个实验室均采用7L i (p,n )7B e 反应来建立准单能中子源装置(见表1)㊂表1中ΔE 指的是靶厚,即一定能量的质子在确定厚度的7L i 靶中的能量损失㊂表1 国际上用于S E E 研究的各7L i (p,n )中子源装置及相关参数[10,18]T a b l e 1 7L i (p,n )n e u t r o n s o u r c e f a c i l i t i e s f o r S E E t e s t s a n d t h e r e l a t e d p a r a m e t e r s [10,18]i n s t i t u t i o n c o u n t r y e n e r g y /M e V b e a mc u r r e n t /μA ΔE /M e Vd i s t a n ce /mf l u x /(c m -2㊃s-1)U CD a v i s U S A40~6010136ˑ105U C L B e l g i u m 20~651023.3106T R I UM F C a n a d a 70~2000.30.7~1105T S LS w e d e n 25~18010133ˑ105R C N PJ a p a n 3921.01~13ˑ105T I A R A J a p a n 30~85325.21.2ˑ105C Y R I CJ a p a n 50~8520~503(H +)10(H -)11.01.0ˑ106~107 7L i (p,n )7B e 反应产生的单能峰中子是前倾的,故一般使用0ʎ角产生的中子作为中子源㊂如图1所示,7L i (p ,n )反应在0ʎ角产生中子的能谱包含了一个单能峰和一个尾部连续谱,前者是由二体反应7L i (p ,n 0,1)产生,后者是由像7L i (p ,n 3H e )α这样的三体反应产生的,其中单能峰中子约占全部中子的40%~50%㊂7L i (p ,n 0,1)反应的0ʎ角微分截面在质子能量较高时几乎为常数:B a b a 等人的实验表明,在43~87M e V 能区,该值基本上在33~35m b /s r 之间[19];W a t s o n 等人在文献[20]中指出,在60~400M e V 能区该值为(35.5ʃ1.5)m b /s r㊂一般单能峰的峰值能量要比入射质子能量小几M e V ,这是由质子在靶中的能损以及7L i (p ,n 0,1)7B e 反应的反应能为负值造成的㊂强激光与粒子束020201-3F i g.1 E n e r g y s p e c t r ao f q u a s i-m o n o e n e r g e t i cn e u t r o n s o u r c e s g e n e r a t e d f r o ma10mmt h i c k7L i t a r g e tb o m-b a r d e db y p r o t o n s o f d i f f e r e n t e n e r g i e s a t R I K E N.T h e y w e r em e a s u r e do n t h e n e u t r o nb e a ml i n e a t12mf r o m t h e7L i t a r g e t b y t h eT O F m e t h o d[21]图1日本理化学研究所(R I K E N)使用飞行时间法测量得到的不同能量质子轰击10mm厚7L i靶在0ʎ散射角距离靶12m处的中子能谱[21]F i g.2S c h e m a t i c v i e wo fT I A R A7L i(p,n)q u a s i-m o n o e n e r g e t i c n e u t r o n s o u r c e f a c i l i t y[19]图2日本原子能机构高崎先进辐射研究所(T I A R A)的准单能中子源装置布局示意图[19]1.2准单能中子源装置布局下面选择日本原子能机构高崎先进辐射研究所(T I A-R A)的准单能中子源装置[19]作为一种典型装置(见图2)对其布局加以详细介绍㊂T I A R A通过一台方位磁场可变回旋加速器(能量常数K=110)提供质子束轰击7L i靶(含99.8%的7L i)来产生中子㊂为兼顾产生的单能峰中子的能量分辨和产额,靶厚选择为质子穿过靶产生的能损为2M e V时所对应的厚度,靶厚的选择与入射质子的能量有关㊂在可以远程控制的靶转换器上安装有7块7L i靶㊁1块氧化铝荧光屏(可观察质子束流)㊂当提供的质子束能量不同时,可方便地通过靶转换器选择厚度合适的7L i靶来产生相应的准单能中子㊂另外,考虑到质子在穿过7L i靶时会产生一定的热量(表1质子流强为3μA㊁靶厚为2M e V的情况下产生的热功率为6W),该靶转换器还能够进行水冷㊂由于7L i靶为薄靶,绝大多数质子将穿透7L i靶,这些质子由一个清扫磁铁偏离出中子束,进入一个屏蔽好的法拉第筒中,该法拉第筒可测量偏转过来的质子束流强度,同时起到束流收集器的作用㊂质子绝大部分能量损失在法拉第筒中,这会产生大量的热量,需对其冷却㊂旋转快门(由铁和聚乙烯构成)㊁铁过滤器㊁铁块以及外围的约3m厚的混凝土墙可对0ʎ角产生的中子束流进行准直和屏蔽,从而可在距7L i靶约为5.2m的实验区获得准直较好的㊁本底较低的直径为11c m或者更小的中子束斑用于S E E实验㊂真空系统在图2所示的过滤器的末端结束,由一块2mm厚的不锈钢板使之与大气隔绝㊂238U裂变电离室放置在7L i靶附近,232T h裂变电离室放置在偏转磁铁之后,二者均未放在中子束流中心位置,但二者的计数率均与产生的中子注量率成正比,此外法拉第筒测量的电流也与其成正比,故可利用这三个探测器作为束流监督器㊂该装置产生的中子注量率在104~105(c m-2㊃s-1)量级,尽管强度比较低,但已有效应用到S E U研究中,用于观察S E U瞬变过程中的电流波形㊂国际上其他的准单能中子装置布局与T I A R A大体都是相似的㊂1.3中子注量率根据表1中国际上用于S E E研究的各7L i(p,n)中子源装置的相关参数可知,这些准单能中子源装置的质子束流为1~10μA,靶厚为1~2M e V,靶与实验点之间的距离为1~5m,实验点的中子注量率为105~107(c m-2㊃s-1)㊂中子与质子均是通过核反应引起单粒子效应,且在50M e V以上时可认为二者引起的S E E截面是相等的[17]㊂用于S E E实验的质子注量率一般为108 c m-2㊃s-1量级,因此中子注量率最好也能达到该量级㊂若考虑到准单能中子有50%~60%的尾部连续中子,而这部分中子能量比单能峰中子低,引起的S E E截面应该也比单能峰中子低,故用于S E E实验的准单能中子注量率应该比以相应入射质子进行质子S E E实验时的质子注量率高一些才好㊂准单能中子是由质子核反应产生,而核反应发生的几率很小,这就导致准单能中子源的强度受到一定限制㊂日本东北大学回旋加速器和同位素中心(C Y R I C)的准单能中子源在表1中各中子源中的中子注量率最高,达到了107c m-2㊃s-1量级㊂该装置对经过加固的D R AM器件进行S E E测试一般需几小时的实验时间[22],时间仍然偏长㊂显然,注量率不足是国际上各准单能中子源都存在的问题㊂韩金华等:准单能中子单粒子效应研究现状020201-4中子注量率是准单能中子源装置设计中的关键问题,它与使用的质子流强I ㊁7L i 靶厚d ㊁靶与实验点之间的距离L ㊁冷却装置设计以及中子的准直和屏蔽设计等问题紧密相关㊂显然,实验点中子注量率φ=N V e I d d σd Ω(0ʎ)/L 2(1)式中:N V 为单位体积靶核数,e 为元电荷电量,d σd Ω(0ʎ)为0ʎ角中子产生的微分截面㊂一般中子源的注量率均难以达到108c m -2㊃s -1量级,能够做到的只是通过合理设计在一定范围内使中子注量率增大㊂由式(1)可见,增大质子流强㊁使用厚靶㊁减小靶与实验点之间的距离是提高中子注量率的三种方法㊂其中增大质子流强比较简单,但是大部分加速器的质子流强也有一定限值,一般小于10μA ,另外这种方法在一定程度上会加大加速器设备的辐射损伤和活化㊂而7L i 靶不宜太厚,否则会破坏中子的单能性,一般取靶厚为1~2M e V ㊂对中子进行准直和屏蔽,使得靶与实验点之间一般有数m 的距离,而注量率与距离的平方成反比,故使该距离减小对于增大注量率极为有效㊂比如,瑞典S v e d b e r g 实验室(T S L )最初的中子源,其靶与实验点之间距离长达11m ,导致S E E 实验能够获得的中子注量率十分有限,后经改造将此距离缩减至3m ,从而将注量率提高了1个量级以上㊂C Y R I C 为获得高的中子注量率,通过模块化的屏蔽结构设计,使靶与实验点之间的距离近至1m ㊂加拿大T R I UM F 实验室和日本大阪大学核物理研究中心(R C N P )也采用较短的靶与实验点之间距离(1m )以补偿其质子流强的不足㊂此外,C Y R I C 对50M e V 以下的质子采用负离子束流,这样质子流强可由3μA 提高到10μA ,从而增大中子注量率㊂1.4 中子能谱的理论计算与实验测量质子与7L i 核反应属于轻核反应,其相应的核能级间隔F i g .3 E n e r g y s p e c t r a (i .e .d o u b l e d i f f e r e n t i a l c r o s s s e c t i o n s a t t h e 0ʎa n g l e )f o r t h e q u a s i -m o n o e n e r g e t i c n e u t r o n s f r o mt h en u c l e a r r e a c t i o n s b e t w e e n t h e 100M e V p r o t o n s a n d 7L i c a l c u l a t e db y TA L Y S ,G e a n t 4a n dF l u k a 图3 使用T A L Y S ,G e a n t 4,F l u k a 计算的100M e V质子与7L i 核反应产生的准单能中子能谱(即0ʎ角的双微分截面)较大,故基于预平衡反应理论和平衡衰变理论的较成熟的核反应模型对其不适用,这给核反应的计算带来了一定难度[23]㊂图3为核反应计算程序T A L Y S [24]以及处理粒子与物质相互作用的蒙特卡罗程序G e a n t 4[25],F l u k a [26]计算的100M e V 质子与7L i 核反应产生的准单能中子能谱㊂可见,T A L Y S 计算的能谱中有两个相隔较远的单能峰,且峰的位置偏低;G e a n t 4计算的能谱中没有单能峰的存在;F l u k a 计算的能谱中单能峰中子占比过少㊂将100M e V质子与7L i 核反应产生中子的0ʎ角微分截面的单能峰中子部分按35.5m b /s r 计算,单能峰中子占产生的全部中子的比例按40%计算[27],则产生中子的0ʎ角微分截面为88.75m b /s r ㊂T A L Y S ,G e a n t 4计算的0ʎ角微分截面均约为21m b /s r ,过小;F l u k a 计算的结果约为88m b /s r ,基本合理㊂此外,蒙特卡罗程序P H I T S 通过结合核内级联模型和考虑分立核能级的扭曲波波恩近似能够给出正确的单能峰部分的中子能谱,但尾部中子的谱形仍偏离于正确的形状[28]㊂这些程序在计算该反应时给出错误结果的原因应该在于其采用的核反应模型不适用㊂ 在7L i (p ,n )反应的理论计算方面,一般是对产生单能峰中子的二体反应和产生尾部连续中子的三体反应分别进行研究的㊂对于二体反应7L i (p ,n 0,1),T a d d e u c h i 等人指出,其微分截面d σ/d Ω可视为动量转移的函数,并给出了计算其值的参数化模型[29]㊂另外,U w a m i n o 等人给出了由7L i (p ,n 0,1)截面确定0ʎ角微分截面的经验公式[30]㊂对于7L i (p ,n 3H e )α等三体反应,O h l s e n 发现,产生的中子的能谱可用三体相空间方法来进行计算[31]㊂一般而言,仅考虑7L i (p,n 3H e )α反应就可以计算出较好的尾部连续中子谱㊂由于该方法计算出的尾部较高能部分中子在相空间分布有所偏离,P r o k o f i e v 等人对50~200M e V 质子能区提供了一个半经验公式来对其进行修正[27]㊂M a s h n i k 等人[23]依据现有的7L i (p ,n 0,1)反应截面的实验数据对150M e V 以下质子能区的7L i (p ,n )反应进行了核数据评价,质心系的7L i (p ,n 0,1)反应微分截面可采用勒让得多项式进行拟合得到,尾部连续中子采用G N A S H 核反应程序[32]计算得到㊂经蒙特卡罗程序M C N P 6检验,该方法得出的核数据与实强激光与粒子束020201-5验吻合得较好[33]㊂在准单能中子能谱的实验测量方面,主要有三种方法:反冲质子法㊁飞行时间法和多球中子谱仪法㊂反冲质子法多采用聚乙烯为辐射体,以ΔE -E 探测器对反冲质子进行探测㊂该方法的优点是能量分辨率较高㊁信噪比较高,缺点是探测效率太低㊂为提高探测效率,B a b a 等人在T I A R A 准单能中子源上使用长的铜棒将束流中心处的中子屏蔽掉,而边缘处的中子进入环形聚乙烯辐射体后产生的反冲质子用ΔE -E 探测器进行探测[19]㊂由于质子在探测器元件和空气中的能损,该方法只能测量到低至约12M e V 的中子能谱㊂在这种情况下,可用三体相空间方法将能谱外推至更低能段㊂飞行时间法多使用液体闪烁体(B C 501或N E 213)和238U 裂变电离室为探测器㊂使用液体闪烁体作探测器时,与反冲质子法一样,由于20M e V 以上能区的n -p 散射微分截面缺乏实验数据,相应的数据处理中会引入较大误差[34]㊂由蒙特卡罗程序S C I F U L 和C E C I L 计算的液体闪烁体探测器响应函数与实验值相差较大[35-36],因此B a b a 等人使用在反冲质子法中得到的中子能谱对其响应函数进行标定,并依此对程序中的相关参数进行修正,进而应用到飞行时间法中[19]㊂飞行时间法测量中子能谱的能量下限与脉冲重复周期㊁探测器响应阈值㊁数据获取系统的量程及其对粒子的甄别能力等均有关系㊂为实现对低能量中子的探测,一般要采取束流调制器来增大脉冲重复周期(1μs ),以避免相邻两脉冲中前一脉冲的低能中子信号与后一脉冲的高能中子信号的叠加效应㊂N a k a o 等人使用N E 213液体闪烁体作为探测器,通过改进数据获取系统来增大其量程并有效去除光子及逃逸质子造成的干扰,从而获得了低至7M e V 左右的准单能中子能谱[37]㊂238U 裂变电离室对光子及1.4M e V 以下的中子几乎完全不响应,S c h u h m a c h e r 等人以其作为探测器获得了低至2M e V 左右的准单能中子能谱[34]㊂飞行时间法测量结果的精确度较高,与反冲质子法获得的结果,在误差范围内一致㊂多球中子谱仪采用不同尺寸的聚乙烯球作慢化体㊂为了提高对能量大于20M e V 中子的探测效率,需嵌入C u ,P b ,W 等辅助材料层,并将3H e 气体探测器置于其中心作探测器,通过使用不同慢化体时探测器计数率的不同对中子能谱进行反推㊂该方法的优点是能谱测量范围宽,从热中子到单能峰中子都可以探测,从而可测量到前两种方法不能测量的低能区域的中子,补充前两种方法的不足㊂缺点是能量分辨率差,且解谱过程对最终得到的中子能谱的影响较大㊂B e d o g n i 等人使用多球中子谱仪对T S L 的50~180M e V 质子产生的准单能中子进行了实验测量[38]㊂1.5中子束流轮廓及其均匀性F i g .4 N e u t r o n p r o f i l e f o rC Y R I C 7L i (p ,n )q u a s i -m o n o e n e r ge t i c n e u t r o n s o u r c em e a s u r e do n t h e n e u t r o n b e a ml i n e a t 1mf r o mt h e c o l l i m a t o r e x i t[22]图4 C Y R I C 准单能中子场距准直器出口1m处的束流轮廓图[22] S E E 实验一般对入射粒子的束斑大小及其均匀性有一定的要求,故应当对准单能中子束流轮廓进行实验测量㊂显然,这与7L i (p ,n )反应产生的中子的角分布㊁准直器的内径以及测量位置与准直器出口之间的距离密切相关㊂在实验上,由于中子难以直接测量,通常应用转换体配合影像板对其进行测量㊂常用的转换体有高密度聚乙烯㊁铝箔等㊂快中子与高密度聚乙烯发生核反应的产物(主要是散射的质子)进入到影像板中,使其荧光层发光,影像板的光激励发光(P S L )值即反映了入射中子的强度[39]㊂快中子与铝箔发生核反应产生的轻带电粒子可进入到影像板中,使其荧光层发光,此外反应27A l (n ,α)的产物24N a 具有的β和γ放射性也可使其发光[40]㊂S h i k a z e 等人利用高密度聚乙烯转换体和富士膜影像板(B A S -S R )对T I A R A 准单能中子源距准直器出口0.68,2,8m 位置处的中子束流轮廓进行了实验测量,由此确定相应的束斑大小[39]㊂B a b a 等人用铝箔转换体配合影像板对C Y R I C 准单能中子源在距7L i 靶1m 的位置的中子束流轮廓进行了实验测量,结果(图4)表明,中子束斑为直径约5c m 的圆形束斑,束斑的不均匀性为10%[22]㊂除了这种方法外,S c h u h m a c h e r 等人应用铝箔转换体配合多丝正比室(MW P C )的方法对比利时鲁汶大学(U C L )准单能中子的束流轮廓进行了实验测量[34],多丝正比室面积较大,且对入射带电粒子具有位置分辨能力,在效果上相当于影像板㊂此外,P o m p 等人利用薄膜击穿计数器(T F B C )对T S L 的准单能中子源的中子束流轮廓进行了实验测量[41]㊂韩金华等:准单能中子单粒子效应研究现状020201-61.6 热中子本底微电子器件中一般会有一些含B 材料,比如硼磷硅玻璃(B P S G )用于器件平整化㊂如果测试器件中存在大量B ,热中子可通过10B (n ,a )反应引起单粒子效应[42]㊂因此,产生的热中子需要被屏蔽,这通常采用C d 片或者B 片来进行[43]㊂热中子的注量率通常采用金箔活化法来测量㊂B a b a 等人采用金箔活化法测量得到C Y R I C准单能中子源的热中子本底在1ˑ104c m -2㊃s-1左右,在快中子注量率的1%以下[22]㊂2 准单能中子单粒子效应实验进行准单能中子S E E 实验时,需获取辐照微电子器件的中子注量Φ㊁辐照期间器件产生的S E E 数目N S E E两个量㊂要得到中子注量Φ,需提前对辐照器件位置的中子能谱(c m -2㊃s -1㊃M e V -1)进行实验测量,由中子能谱对能量积分可得到中子注量率(c m -2㊃s-1),并对中子注量率与中子束流监督器的计数率之间的比例K 进行实验标定㊂若辐照器件期间,中子束流监督器的累积计数为N m o n ,则Φ=K ˑN m o n ㊂准单能中子S E E 实验的目的在于获取单能峰峰值能量对应的S E E 截面,从而获得S E E 截面的能量依赖关系㊂然而中子注量Φ中既包含了单能峰中子又包含了尾部连续中子,且尾部连续中子也可导致S E E ,故峰值能量对应的S E E 截面σ应该在N S E E /Φ与N S E E /Φp e a k 之间,其中:Φp e a k 为单能峰中子的注量;N S E E 为实验期间测得的器件单粒子效应数目[44]㊂为获得较为准确的峰值能量对应的S E E 截面,要对其尾部进行修正㊂目前,主要有三种准单能中子S E E 截面的尾部修正方法:迭代逆卷积方法㊁蒙特卡罗模拟方法和非零度中子实验扣除方法㊂一般认为S E E 截面曲线σ(E )是平滑的,在迭代逆卷积方法[45-47]中假定曲线的形式可表达为线性的㊁双参数B e n d e l 函数或W e i b u l l 函数㊂σ(E )满足方程N S E E =ʏE t hσ(E )d Nd E d E (2)式中:d N d E为实验期间辐照到器件上的中子的能谱(c m -2㊃M e V -1);E t h 为σ(E )的阈值,一般需要开展刚超过阈值的低能单能中子S E E 实验对E t h 进行确定㊂峰值能量记为E pe a k ,先取σ(E p e a k )=N S E E /Φ,其他能量处的截面根据所取的曲线形式进行确定,然后将此时的截面曲线代入式(2)右端进行积分,结果记为N ᶄS E E ㊂取σ(E p e a k )为其上次取值的N S E E /N ᶄS E E 倍,同时调整其他能量处的截面,再代入式(2)右端进行积分,根据积分结果再对σ(E p e a k )进行调整㊂不断重复此迭代过程,直到最后积分结果与N S E E 极其接近为止,最后一次的σ(E p e a k )即是修正后的峰值能量对应的S E E 截面㊂F i g .5 S p e c t r a l f l u e n c e p e r u n i tm o n i t o r r e a d i n g Na t n e u t r o ne m i s s i o na n gl e s o f 0ʎa n d16ʎr e l a t i v e t o t h e p r o t o nb e a md i r e c t i o n f o rN A C7L i (p ,n )n e u t r o n s o u r c e [49]图5 N A C 的7L i (p,n )中子源在0ʎ和16ʎ方向中子能谱的比较[49] 在蒙特卡罗模拟方法中,可根据微电子器件进行重离子㊁质子S E E 的实验结果,利用处理粒子与物质相互作用的蒙特卡罗程序(常用的如G e a n t 4,F l u k a 等)建立起该器件的R P P 几何仿真模型[48],确定相应的敏感体积和临界电荷等关键参数,然后利用程序抽样出全能谱中子㊁单能峰中子,依次辐照器件的仿真模型,利用R P P 模型的原理确定出这两种情况下的S E E 数目N a l l ,N p e a k ,得到系数C p e a k =N p e a k /N a l l ,则峰值能量中子导致的S E E 截面为σ(E p e a k )=C p e a k N S E E /Φp e a k ㊂L a m b e r t 等人在T S L 进行的准单能中子S E E 实验即使用了这种方法进行尾部修正[46]㊂南非国家加速器中心(N A C )对7L i (p ,n )反应产生的中子进行的实验测量表明,当入射质子能量为100M e V 时,其输送到16ʎ方向的中子几乎没有单能峰,谱形与0ʎ方向连续本底中子情形十分接近[49],如图5所示,其中N 为监视器读数㊂因此,可同时在0ʎ和16ʎ方向进行S E E 实验,通过用0ʎ方向的S E E 截面数据减去16ʎ方向数据的方法来对尾部连续中子的影响予以扣除[10],即非零度中子实验扣除法㊂目前,N A C 尚未将该方法应用于S E E 研究,而C Y R I C 正在计划新增一个角度为20ʎ左右的束流通道,使该方法的应用成为可能[10]㊂3 总结与讨论大气中子是临近空间㊁航空空间和地面附近的微电子强激光与粒子束韩金华等:准单能中子单粒子效应研究现状器件发生单粒子效应的最主要因素,对航空器㊁临近空间飞行器的可靠运行构成重要威胁,并给通信㊁金融㊁大数据㊁互联网等领域带来不利的影响㊂建设准单能中子源并用其开展S E E实验,对中子S E E截面的能量依赖关系进行研究,对于评估器件在大气中的抗中子辐照能力具有重要意义㊂本文对国际上用于S E E研究的准单能中子源进行了相关调研,对产生准单能中子的7L i(p,n)7B e核反应㊁装置布局以及中子注量率㊁中子能谱㊁中子束流轮廓及其均匀性㊁热中子本底等表征中子场性质的参数的理论计算及实验测量进行了系统介绍㊂在准单能中子场相关参数的实验测量方面:中子能谱可用反冲质子法㊁飞行时间法㊁多球中子谱仪法进行实验测量,其中前两种方法准确性较高,第三种可在低能区对前两者测得的中子能谱进行补充;中子束流轮廓及均匀性可采用转换体配合影像板进行测量;热中子本底可采用金箔活化法进行测量㊂中子注量率不能通过实验直接测量,只能由实验测量到的中子能谱积分得到,其准确性依赖于中子能谱的准确性㊂进行准单能中子S E E实验要求中子源应有较高的中子注量率水平,这样可缩短实验时间并减少实验数据的统计误差㊂同时,要求中子源能提供较大的束流轮廓㊁较好的束流均匀性以及较低的热中子本底,这样可提高实验数据的可靠性㊂此外,本文对如何进行准单能中子S E E实验以及S E E截面的尾部修正方法进行了简单介绍㊂从三种尾部修正方法的原理中可看出,在这三种方法中实验测量的中子能谱的准确性都是极其重要的,它在很大程度上决定了截面修正结果的准确性㊂中国原子能研究院的100M e V质子回旋加速器可提供70~100M e V的质子,在准单能中子束线端可提供流强为20μA的质子束流㊂为保证中子场良好的准单能性,屏蔽和准直系统设计得较为庞大,使得靶到实验点之间的距离约为5m㊂经简单估算,在使用2M e V能损的7L i靶情况下,100M e V质子在实验点产生的全能谱中子注量率可达到1.26ˑ106c m-2㊃s-1㊂该准单能中子源装置的建设及中子场相关参数的实验测量预计将在2021年完成㊂将来可考虑在此准单能中子源装置上建设一条束流孔道将p与7L i核反应产生的16ʎ角中子引出用于准单能中子S E E截面的尾部修正㊂该装置建成后除了用于单粒子效应研究外,也可进行核数据测量㊁辐射防护㊁中子治癌等方面的研究,还可以作为标准中子参考辐射场对中子探测器进行标定㊂参考文献:[1] P e t e r s e nE.S i n g l e e v e n t e f f e c t s i na e r o s p a c e[M].H o b o k e n,N e wJ e r s e y:W i l e y-I E E EP r e s s,2012:48-57.[2] Z i e g l e r JF.T e r r e s t r i a l c o s m i c r a y i n t e n s i t i e s[J].I B MJ o u r n a l o fR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n t,1998,42(1):125-139.[3] N o r m a n dE,B a k e rTJ.A l t i t u d e a n d l a t i t u d e v a r i a t i o n s i na v i o n i c s S E Ua n d a t m o s p h e r i c n e u t r o n f l u x[J].I E E ET r a n s a c t i o n s o nN u c l e a rS c i e n c e,1993,40(6):1484-1490.[4]蔡明辉,韩建伟,李小银,等.临近空间大气中子环境的仿真研究[J].物理学报,2009,58(9):6659-6664.(C a iM i n g h u i,H a nJ i a n w e i,L iX i a o y i n,e t a l.As i m u l a t i o ns t u d y o f t h e a t m o s p h e r i c n e u t r o ne n v i r o n m e n t i nn e a r s p a c e.A c t aP h y s i c aS i n i c a,2009,58(9):6659-6664) [5] H a n d sA,D y e 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的。
束流在靶室中穿过碳膜由0°进入谱仪,照射在焦面上的二维位置灵敏探测器上,探测器可分别得到x2y二维位置谱及水平位置谱和垂直位置谱。
实验中,调整谱仪的主四极场B Q及第二多极的四极场B M2Q,束斑大小及形状很易改变,可得到7mm>Υ>50mm范围内任意大小的且均匀的束斑,注量率的大小可通过选取经碳膜后不同的电荷态来改变,这正是辐射效应实验中不同器件所要求的。
3 结论
1)上述高剥离态离子加速、引出方法是可行的。
2)0°束谱仪焦面照射样品方法也是可行的。
由于用束时间及加速器状况的限制,真正的高剥离态离子束流的加速、引出尚未进行。
但从上面的实验结果很容易地推算出0°出射的高剥离态离子L ET值及射程R。
0°高剥离态127I 离子的能量、射程R及49°倾斜入射时的L ET值及均有明显的提高,这将大大扩展了H I213串列加速器在辐射效应研究领域的研究能力。
1118 单粒子效应实验的新进展
李志常,李淑媛,姜 华,刘建成,唐 民1,赵洪峰2,曹 洲3
(11航天科技集团五院北京511所;21航天科技集团五院北京502所;31航天科技信团五院兰州510所)
2000年,核物理研究所Q3D小组分别与航天科技集团五院北京511、502所和兰州510所完成了两个实验。
这些实验不论在器件的新型号方面还是实验的技术方面都有了新的进展。
1 辐射效应研究
国际上的最新研究动态表明:专家们除了对广泛用于现代卫星系统中的混合信号微电子器件,重点是模数转换器(ADC)仍然感兴趣外,精简指令集计算机(R ISC)器件、现场可编程门阵列(FPGA)及复合可编程逻辑器件(CPLD)等的试验也引起了广泛的注意,它们既包括辐射效应的研究,也包括辐射效应实验技术的发展。
精简指令集(R ISC)微处理器的某程型号器件是卫星技术发展需要所选取的研究器件,目的是进行飞行试验检测系统原理样机的研制和重离子辐射效应试验研究。
实验还根据卫星实际应用情况,研究了温度对大规模集成电路静态存储器(8K×8b it SRAM)单粒子翻转截面的影响。
可编程门阵列器件FPGA可由用户编程,在单片器件中快速实现复杂逻辑功能,在航天应用中可以降低成本,减轻质量,可加快研制开发进度,在航天器中有较大的应用前景。
可编程门阵列属超大规模集成电路,为了在上天之前了解该器件的单粒子敏感度,选取了典型门阵列器件进行重离子辐照试验。
该实验完成了包括12C等六种离子,三种8片器件,十四轮测量。
此次实验中,首次对某种静存态储器进行了真空室内加热(约100℃)状态下的单粒子效应实验。
由于微处理及可编程门阵列器件FPGA等研究的特殊要求,实验是将它们连同样机一起整体放在Q3D磁谱仪的探测器室内焦面上进行的。
实验技术上,还采取了用垂直位置灵敏半导体探测器监视束斑位置及形状的方法,来调整辐照流强及均匀性。
这对即将进行的高剥离电荷态的辐照流强状态的调整的验证实验提供了非常有用的经验。
—
—
6
2
总的实验结果,如各类器件的单粒子翻转(SEU)、单粒子锁定(SEL)等效应的趋势与预期的相符,也观察到了一些新的现象。
通过上述试验,获得了微处理器器件的翻转截面与L ET关系曲线。
实验发现,某静态存储器在约100℃时对氧离子(L ET=411M eV m g c m2)的翻转截面比在常温下略小((≈714%)。
2 重离子引起的单粒子效应
在重离子引起的单粒子效应研究中,有两种模数转换属中小规模集成电路,这种模数混合电路的单粒子效应与纯模拟的或纯数字的电路不同,其单粒子效应特征现象既包括模拟电路的瞬时脉冲现象,又包括数字电路的翻转、锁定现象,效应较为复杂。
利用加速器重离子进行单粒子效应模拟研究,并分析此类器件效应发生机理是一项有意义的工作,对卫星电子系统抗辐射加固的全面设计具有重要作用。
实验完成了12C五种离子,两种十片器件、十二轮测量。
由于所研究的器件均属于中小规模集成电路,集成度不象以上存储器那样高,故而单粒子效应敏感度相对也低。
对C和O束,器件翻转次数很少;对Fe和C l离子翻转次数明显增加,特别是C l离子,单粒子效应敏感度达到最大值,这是因为它们不仅有较大的L ET值,而且离子有较大的能量,可完全穿透器件灵敏区,积分能量沉积较大;对B r离子,器件翻转次数反而略有下降,这可能因为虽然B r具有更大的L ET值,但它在器件中的射程有限,被完全阻止在灵敏层内,积分能量沉积有限所致。
1119 8L i次级放射性核束的产生3
柳卫生,李志宏,白希祥,连 钢,李志常,符长波,曾 晟
8L i核素的半衰期为838m s,中子分离能为21033M eV,是典型的中子皮核。
产生8L i束流除了具有核结构方面的研究意义外,还可以用来研究天体物理原初核合成的重要反应,如d(8L i,9L i)p。
要实现这些反应的测量,同时为在北京串列加速器放射性次级束流实验装置G I RA FFE上提供更多的实验机会,产生高纯度、高强度的8L i束流就成为首要问题。
在北京串列加速器放射性次级束流装置建设之初,曾试图产生过此种束流,但因当时束流线处于零度接受角,同时当时电离室探测器无法将锂的同位素分开,最后因杂质强和分辨率差而未能成功。
即使再将次级束流线的接收角调整到3°以后,到目前产生的次级束流均与初级束流的原子序数不同,容易产生和纯化。
此次8L i束流的成功产生,标志着该装置在产生与初级束流原子序数相同的次级束流有了突破,为将来产生其他类似束流打下了基础。
至此, G I RA FFE装置共产生了6H e、7B e、8L i、11C、13N、15O和17F七种次级束流。
8L i次级束流是在H I213串列加速器的G I RA FFE装置上,利用d(7L i,8L i)p的反应来产生的。
使用的初级束为44M eV的7L i束流,轰击气压为116×105Pa的氘气靶,其前后窗为119m g c m2的H avar膜,通过仔细调节次级束流线的D2Q2Q磁分离聚焦系统以及初级束流在气体靶入射窗口的位置和聚焦,获得了能量为3917M eV、纯度为83%、能量分辨为520 keV的8L i次级束。
束流中包括8L i基态和0198M eV1+第1激发态的贡献,两者实验室系能量相差015M eV,无法完全分辨,其中基态与激发态之比为2∶1,与其他工作组中实验数据一致。
最优化的磁场设置与计算的结果非常符合,说明对各个环节的计算是正确的。
由于考虑到
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7
2。