基于高海拔地区的大气中子单粒子效应实时测量试验研究

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在海拔5000米以上地区利用单粒子方法探测γ暴实验构想--基于水切伦科夫技术

在海拔5000米以上地区利用单粒子方法探测γ暴实验构想--基于水切伦科夫技术刘茂元;厉海金;扎西桑珠;周毅【摘要】Ground extensive air shower experiment is powerless for detecting cosmic ray particles of tens GeV en⁃ergy renge in the GRBs (Gamma Ray Burst) so far, because of its threshold energy. The experimental altitude needs to be increased in order to achieve more effective observation. In the present paper, setting up a water Che⁃renkov detector array at 5200m altitude in Tibet was proposed and the idea of ground experiments on multi-GRB and tens of GeV photon observing can be achieved by using single-particle technology, and also can supportpre⁃dicting for large-scale experiments.%目前，对于伽玛射线暴（Gamma Ray Burst, GRB）的探测，地面广延大气簇射实验由于阈能原因，对几十GeV能区的宇宙线粒子探测无能为力，只有提高实验海拔才能实现更有效的观测。

文章描述了在海拔5000m以上地区建造水切伦科夫(WCD)探测器阵列，利用单粒子技术，来实现地面实验多GRB几十GeV光子的正观测设想，为大规模实验提供预言支持。

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。

高海拔地区晶闸管宇宙射线失效等效加速试验研究

高海拔地区晶闸管宇宙射线失效等效加速试验研究李尧圣;张进;陈中圆;李金元;王忠明;刘杰;梁红胜;彭超【期刊名称】《中国电机工程学报》【年(卷),期】2024(44)2【摘要】大气环境中的高能中子、γ射线和电磁脉冲以及空间辐射环境中的高能电子和质子等,都能造成半导体材料性质变化和器件性能蜕变以至失效,而在大气层内宇宙射线引起功率器件失效的主要原因是高能中子导致的单粒子烧毁(single event burnout,SEB)。

白鹤滩—江苏±800 kV特高压直流输电工程布拖换流站位于北纬27°,东经102°,海拔2500 m。

中子通量是水平面4倍以上,将导致器件的失效率大幅上升。

为验证工程中8.5 kV晶闸管在额定条件下的失效率不超过100FIT,该文采用200 MeV质子源进行辐照加速试验,根据当地大气中子通量核算中子总注量,对比研究不同电压、温度对晶闸管失效率的影响规律,试验结果给出晶闸管在高海拔地区宇宙射线SEB平均失效率,为换流阀中晶闸管工作电压设计提供依据。

【总页数】10页(P682-690)【作者】李尧圣;张进;陈中圆;李金元;王忠明;刘杰;梁红胜;彭超【作者单位】北京智慧能源研究院;国家电网有限公司;强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室(西北核技术研究所);电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室(工业和信息化部电子第五研究所)【正文语种】中文【中图分类】TM85【相关文献】1.基于疲劳累积损伤等效理论的PCB板振动加速试验研究2.固体推进剂装药低温应力等效加速试验方法研究3.硅橡胶自然环境加速试验方法与自然环境试验方法等效性研究4.稻城高海拔宇宙射线观测站场区水文地质条件及截排水方案对比5.基于损伤等效的拖拉机机罩频域振动疲劳加速试验研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

DSP大气中子单粒子效应试验研究

DSP大气中子单粒子效应试验研究陈冬梅;孙旭朋;钟征宇;封国强;白桦;阳辉;底桐【摘要】利用14MeV快中子辐照源,开展了数字信号处理器(DSP)大气中子单粒子效应地面模拟试验研究.设计了地面模拟的试验方法,包括单粒子效应监测方法、试验系统布局、试验程序及其判据等.获得了SMJ320F2812、SMJ320C6415、TMS320C6416、TMS320C6418等多款型号DSP器件的中子单粒子效应的翻转错误数试验数据,分析计算得到14MeV中子辐照源下的敏感截面.结果显示,DSP器件的主要敏感现象为单粒子翻转(SEU),部分器件还发生了单粒子功能中断效应(SEFI).相同工艺的被测DSP器件的中子单粒子效应敏感截面具有相同的数量级,验证了本文使用的地面模拟试验方法的可行性,为航空电子设备的可靠性与安全性评估提供了大气中子单粒子效应的器件级基础数据.【期刊名称】《航空科学技术》【年(卷),期】2018(029)002【总页数】6页(P67-72)【关键词】数字信号处理器;大气中子;单粒子翻转;敏感截面;单粒子功能中断【作者】陈冬梅;孙旭朋;钟征宇;封国强;白桦;阳辉;底桐【作者单位】北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司,北京 100089;北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司,北京 100089;北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司,北京 100089;北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司,北京 100089;北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司,北京 100089;北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司,北京 100089;北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司,北京 100089【正文语种】中文【中图分类】V21大气中子是银河宇宙射线与大气层中的原子核（氮/氧）之间的核散裂反应造成的核级联簇射而产生的一种不带电粒子。

在大气层中的能量范围为0～10GeV，其中大于10MeV的中子所占的比例约为27%。

在海拔5O0O米以上地区利用单粒子方法探测γ暴实验构想——基于水切

ｓｃａｌｅｓｆｒｏｍａ７一ｙｅａｒｓｍｏｎｉｔｏｉｎｇｒｃａｍｐａｉｇｎＡｓｔｒｏｎｏｍｙａｎｄＡｓｔｒｏｐｈｙｓｉｃｓ２００３，４００：４８７－４９８．
，
【６］ＳｔｅｉｎｌｅＨ，ＢｈａｔＮＰ，ＢｒｉｇｇｓＭＳ，ｅｔ．ａ１．ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆＧａｍｍａ — ＲａｙＢｕｓｒｔｓｗｉｔｈＧＬＡＳＴⅡ 】．Ｃｈｉｎ．Ｊ．Ａｓｔｒｏｎ．Ａｓｔｒｏｐｈｙｓ，２００６，
４４０：１８４－１８６．
【５】ＣｉｐｉｒｎｉＳ，ＴｏｓｉｔＧ．，ＲａｉｔｅｒｉＣＭ．ＯｐｔｉｃａｌｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅＢＬＬａｃｅｒｔａｅｏｂｊｅｃｔＧＣ０１０９＋２２４．Ｍｕｌｔｉｂａｎｄｂｅｈａｖｉｏｕｒａｎｄｔｉｍｅ
第一作者简介：刘茂元，男，汉族，河北南宫人，西藏大学理学院讲师，主要研究方向为宇宙线及天文。
一
１０５ —
刘茂元，厉海金，扎西桑珠，周毅：在海拔５。ＯＯ米以上地区利用单粒子方法探测暴实验构想——基于水切伦科夫技术
【４】ＫａｗａｉＮ，ＫｏｓｕｇｉＧ，ＡｏｋｉＫ．Ａｎｏｐｔｉｃａｌｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｔｈｅａｆｔｅｒｇｌｏｗｏｆａ — ｒａｙｂｕｒｓｔａｔａｒｅｃｌｓｈｉｆｔｏｆｚ＝６．２９５Ⅱ 】．Ｎａｔｕｒｅ，２００６，

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。

大气中子单粒子效应试验研究现状简介

目前国内尚未开展航电系统SEE的试验研究，但随着簇射），形成大气中子。大气中中子占比96%，能量可高达我国航空业的快速发展，开展大气中子SEE的试验评价与 1011eV[8]。海平面大气中子通量约为20n/cm2/h)(E>1MeV)，
防护设计研究，是确保我国以航空装备为核心的综合电子各粒子成分如图1所示。
大量研究表明，中子入射将会诱发航电系统发生单粒子效应（SEE），引起单粒子翻转（SEU）、单粒子瞬态（SET）、单粒子锁定（SEL）、单粒子功能中止（SEFI）等多种失效类型，导致航电系统功能故障，严重时使其可靠性降低几个数量级[6-7]。
随着集成电路芯片性能的提高、特征尺寸的减小使得发生单粒子效应所需要的临界电荷显著降低，芯片发生单粒子效应的敏感度较之过去明显增强。而且，单粒子效应不仅发生在太空、还发生在大气层空间以及地球表面，不但严重地影响到航天器、近地空间飞行器的安全可靠运
1992年，A. Taber和E. Normand利用三架飞机开展了系列飞行试验，结果表明，飞行期间SR AM会发生SEE，这是首次证实大气中子诱发航电系统SEE的飞行案例[2]。 1998年，E. Normand公布C-17运输机项目的SEE研究情况，指出S E E 对未防护器件有较大影响，采用错误探测与纠正（EDAC）等适当的防护措施，可以有效降低SEE对航电系统的影响[3]。2 0 01年，美国电子工业联盟（E I A）与固态技术协会（JEDEC）联合发布了JESD89，规定了α粒子、地面宇宙射线（高能中子）和热中子引发的半导体器件 S E E 软错误的测量方法。2 0 0 5年，日本电子信息技术工业协会

质子和中子的单粒子效应等效性实验研究

而获得不同能量的质子，虑铝吸收片和金箔考
厚度以及金箔与器件之间的距离、器件封装壳
的厚度等因素，终人射灵敏层的质子螗量为最
２．３２．２１．９ｅ参见表ｌ５６、１ｏ、５４ＭＶ，。
作者简介：海亮（９８）男，东诸城人。北棱杨１６一，山西技术研究所工程师．士，士生．究方向：技术硕博研校
应用。
１８５
图１质子辐照实验布局
由于带电粒子在金箔中沉积能量而导致金
质子辐照实验是在中科院高能物理研究所的３Ｍｅ质子加速器上进行的，验总体布局５￣实
如图１主要包括准直器、吸收片、射金箔、，铝散
单粒子效应监测系统、件支架等。器
收稿日期：０００ — ６２０－８０
别为质子和金原子核的电荷数，加速器平均若
见。能质子除了与靶核发生库仑散射之外，高当
它穿透靶核的库仑势垒后发生核反应的机制和中子核反应的机制基本相同，且二者引起单并粒子效应的物理过程相同，文主要采用实验本方法探索＝者的等效关系。
中固分类号：Ｏ５１１７．文献标识码：Ａ文章编号：０５－９４２０）２０５ — ４２８０５（０２０ — １８０

中物院中子物理学重点实验室2014年度拟支持课题

中物院中子物理学重点实验室2014年度拟支持课题序号课题号指南题目负责人牵头单位重点课题12014AA01235U裂变缓发中子群参数实验测量技术研究尹延朋核物理与化学研究所22014AB02原位中子衍射高压加载技术研究贺端威四川大学32014AC03二维位置灵敏热中子气体探测器研究孙志嘉中科院高能所一般课题42014BA01基于蒙特卡罗方法的含伴随通量中子动力学参数计算黄坡核物理与化学研究所52014BA02D-T中子与钍材料作用的输运过程实验研究王玫核物理与化学研究所62014BA04低能区中子能谱测量技术研究郑普核物理与化学研究所72014BA06裂变产额测量技术研究罗小兵四川大学82014BB01中子散射技术在抗氢钢及构件缺陷和应力检测中的应用研究丰杰总体工程研究所92014BB02各向异性调制的多功能稀土——过渡族化合物的中子散射研究刘顺荃北京大学102014BB03新能源笼型水合物反应动力学的原位高压中子衍射研究于晓辉中科院物理所112014BB04中子散射数据分析通用软件架构的开发张俊荣中科院高能所122014BB05TiN/SiC及TiAlN/SiC纳米周期多层膜材料界面结构的中子反射研究杜晓明沈阳理工大学132014BB06生物功能化超顺磁纳米团簇微结构的小角中子散射研究晏敏皓西南科技大学142014BB07DADP晶体的结构、应力及性能关系研究刘宝安山东大学152014BC01掺铀YAG透明陶瓷闪烁中子探测器研究卢铁城四川大学162014BC02基于研究堆的慢正电子转换技术研究曹超核物理与化学研究所概念课题172014CC01采用泡沫金属提高Penning离子源离子比技术研究邹宇四川大学培育课题182014DB01中子衍射在具有高电催化性能的过渡金属碳化物和氮化物设计中的应用张晓东中国科技大学192014DB02冷中子三轴谱仪及中子散射在高效热电材料研究中的应用肖翀中国科技大学202014DB03多孔碳材料纳米限域金属铝氢化物储氢材料的中子散射结构研究万初斌北京科技大学212014DC01涂硼稻草管位置灵敏热中子探测器读出电子学及系统性能研究宫辉清华大学。

大气中子下SRAM单粒子效应检测数据区分方法和系统[发明专利]

专利名称：大气中子下SRAM单粒子效应检测数据区分方法和系统
专利类型：发明专利
发明人：张战刚,雷志锋,何玉娟,彭超,师谦,李沙金,黄云,恩云飞
申请号：CN201711365085.3
申请日：20171218
公开号：CN108122597A
公开日：
20180605
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及电子器件辐射效应领域，特别是涉及一种大气中子下SRAM单粒子效应检测数据区分方法和系统，通过对SRAM器件进行大气中子单粒子效应实时检测，获取所述SRAM器件的总失效率；获取所述SRAM器件由阿尔法粒子导致的第一失效率；获取所述SRAM器件由热中子导致的第二失效率；根据所述总失效率、所述第一失效率和所述第二失效率获取所述SRAM器件由大气中子导致的目标失效率。

本方案可区分SRAM器件大气中子单粒子效应实时测量试验数据中阿尔法粒子、热中子和大气中子三种成份各自的贡献，从而获得大气中子导致的SRAM器件单粒子效应失效率，从而提高SRAM器件大气中子单粒子效应敏感性的定量评价结果的准确性。

申请人：中国电子产品可靠性与环境试验研究所
地址：510610 广东省广州市天河区东莞庄路110号
国籍：CN
代理机构：广州华进联合专利商标代理有限公司
代理人：刘艳丽
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利用FOM获取中子单粒子效应器件敏感截面的方法及装置[发明专利]

专利名称：利用FOM获取中子单粒子效应器件敏感截面的方法及装置
专利类型：发明专利
发明人：王群勇,陈冬梅,阳辉
申请号：CN201410676788.8
申请日：20141121
公开号：CN105676102A
公开日：
20160615
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种利用FOM获取中子单粒子效应器件敏感截面的方法及装置，包括：采用预定辐射源进行地面模拟实验，获取敏感器件敏感截面的观测值σ，并监测实验中敏感器件的单粒子效应错误个数N；将采用FOM方法计算得出的敏感器件敏感截面值σ与敏感器件敏感截面的观测值σ进行除运算，得到第一辅助因子；将采用Rosetta真实环境试验获得的敏感器件敏感截面值σ与敏感器件敏感截面的观测值σ进行除运算，得到第二辅助因子；根据第一辅助因子、第二辅助因子计算以及单粒子效应错误个数计算修正因子的值；利用修正因子对敏感器件敏感截面的观测值σ进行修正。

本发明能够获得真实环境下大气中子单粒子效应敏感器件的敏感截面，为机载电子设备的防护与评价提供重要依据。

申请人：北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司
地址：100089 北京市海淀区紫竹院路69号中国兵器大厦708室
国籍：CN
代理机构：北京路浩知识产权代理有限公司
代理人：李相雨
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一种单粒子辐射效应检测方法[发明专利]

专利名称：一种单粒子辐射效应检测方法
专利类型：发明专利
发明人：谢朝辉,刘海南,周玉梅,黑勇,王德坤,赵明琦申请号：CN201210593077.5
申请日：20121231
公开号：CN103033524A
公开日：
20130410
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种单粒子辐射效应检测方法，应用于包括多个相同测试样品的单粒子辐射效应检测系统，该方法包括：从该多个相同的待测的测试样品中，将一个所述测试样品确定为主测试样品，将该多个相同的测试样品中除所述主测试样品外所有测试样品均确定为辅助测试样品；控制该主测试样品接受辐射的辐射过程；同时向该主测试样品和辅助测试样品发送测试激励；同时获取该主测试样品和该辅助测试样品对应端口的测试响应数据；依据该辅助测试样品对应端口的测试响应数据，确定出参考响应数据，并与该主测试样品产生的所述对应端口的所述测试响应数据进行比较，得到该测试样品出现的单粒子辐射效应，大大提高了检测方法的通用性。

申请人：中国科学院微电子研究所
地址：100029 北京市朝阳区北土城西路3号
国籍：CN
代理机构：北京集佳知识产权代理有限公司
代理人：王宝筠
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中子单粒子效应

精彩摘录
“中子单粒子效应的研究不仅有助于我们深入理解原子核的结构，同时也为核反应堆的设计提供了重要的理论基础。这种效应的存在使得我们能够更好地控制核反应的过程，从而提高了核能源的利用效率。”
精彩摘录
“在天体物理学中，中子单粒子效应也扮演着重要的角色。例如，在研究恒星演化、超新星爆发以及宇宙射线的过程中，我们需要考虑到这种效应对于中子星、夸克星等奇特天体的影响。”
阅读感受
阅读感受
《中子单粒子效应》是一本关于物理学和电子工程领域的书籍，主要探讨了中子单粒子效应的相关问题。在航天器在轨运行的过程中，中子单粒子效应已经成为一种重要的辐射效应，对航天器的正常运行和可靠性造成了严重的影响。因此，这本书对于从事空间辐射物理和抗辐射加固技术研究的专家来说，具有重要的参考价值。
目录分析
具体来看，第一章是引言，主要介绍了中子单粒子效应的研究背景和意义，为后续章节的展开做了铺垫。第二章到第五章，是本书的核心部分，详细介绍了中子单粒子效应的基本概念、实验技术和模拟方法。其中，第二章介绍了中子的基本性质和实验中常用的中子源；第三章介绍了中子在物质中的传播和散射；第四章则重点介绍了中子与原子核相互作用的过程和机制；第五章则对中子单粒子效应的实验技术和模拟方法进行了详细的阐述。
阅读感受
书中详细介绍了中子单粒子效应的基本原理、实验方法和应用案例。作者首先从基础理论入手，介绍了中子的性质、中子与物质的相互作用以及中子剂量测量等方面的问题。接着，书中深入探讨了中子单粒子效应的产生机制、影响因素和实验测试方法。通过这些内容，读者可以全面了解中子单粒子效应的基本概念和相关技术。
精彩摘录
“中子单粒子效应是核物理学中的一个重要现象，它揭示了原子核的内部结构和核反应机制。这种现象在核工程、核能源以及天体物理学等领域都有着广泛的应用。”

继电保护装置单粒子效应的测试方法

第50卷第24期电力系统保护与控制Vol.50 No.24 2022年12月16日Power System Protection and Control Dec. 16, 2022 DOI: 10.19783/ki.pspc.220310继电保护装置单粒子效应的测试方法与失效率研究丁晓兵1，陈朝晖1，周兆庆2,3，张尧2,3(1.中国南方电网电力调度控制中心，广东广州 510530；2.国电南京自动化股份有限公司，江苏南京 210003；3.南京国电南自电网自动化有限公司，江苏南京 211153)摘要：单粒子效应引发的存储器软错误对微机继电保护具有不可忽略的影响。

介绍了α粒子和高能中子的来源，以及中国部分城市的大气中子通量。

讨论了对继电保护装置进行中子辐照试验的方案细节，以及根据实验数据求取现场环境下单粒子失效率的方法。

从现有可靠性指标出发，推导得到继电保护装置单粒子效应的可接受失效率。

将该指标和辐照试验得出的失效率相比较，可以判断装置是否满足现场运行要求。

该方法对评价继电保护装置的单粒子失效率具有一定的参考意义。

关键词：继电保护；单粒子效应；软错误；加速中子辐照试验；失效率Test method and failure rate of the single-particle effect of a relay protection deviceDING Xiaobing1, CHEN Zhaohui1, ZHOU Zhaoqing2, 3, ZHANG Yao2, 3(1. Dispatching Center of China Southern Power Grid, Guangzhou 510530, China; 2. Guodian Nanjing Automation Co., Ltd.,Nanjing 210003, China; 3. Nanjing SAC Power Grid Automation Co., Ltd., Nanjing 211153, China)Abstract: Memory soft errors induced by the single-particle effect have a non-negligible effect on microcomputer relay protection. This paper introduces the sources of Alpha particles and high-energy neutrons, as well as atmospheric neutron fluxes in some cities in China. The details of the neutron irradiation tests on relay protection devices and the method of obtaining the single particle failure rate in the field environment based on experimental data are discussed. Based on the existing reliability metrics, the acceptable failure rate of the single-particle effect of the relay protection device is promoted. Comparing this indicator with the failure rate obtained by the irradiation test, it can be judged whether the device fulfills the requirements of field operation. This method has a certain reference significance for evaluating the failure efficiency of single particles of relay protection devices.This work is supported by the Key Scientific and Technological Project of China Southern Power Grid Corporation (No. ZDKJXM20200056).Key words: relay protection; single-event effect; soft errors; accelerated neutron irradiation test; failure rate0 引言继电保护装置负责在电力系统故障时快速切除故障，其可靠性直接影响电力系统的稳定运行。

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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质子和中子的单粒子效应等效性实验研究

质子和中子的单粒子效应等效性实验研究杨海亮;李国政;姜景和;贺朝会;唐本奇【期刊名称】《核电子学与探测技术》【年(卷),期】2002(022)002【摘要】通过实验方法确定了高能质子和中子引起的单粒子效应等效关系.实验中采用金箔散射法降低了质子束流强度,并利用热释光剂量计(TLD)进行质子注量的监测,采用新研制的存储器长线实时监测系统,进行了64K位至4M位的SRAM器件单粒子效应实验,确定了两种粒子引起单粒子效应等效关系.【总页数】5页(P158-161,116)【作者】杨海亮;李国政;姜景和;贺朝会;唐本奇【作者单位】西北核技术研究所,陕西西安69号信箱10分箱,710024;西北核技术研究所,陕西西安69号信箱10分箱,710024;西北核技术研究所,陕西西安69号信箱10分箱,710024;西北核技术研究所,陕西西安69号信箱10分箱,710024;西北核技术研究所,陕西西安69号信箱10分箱,710024【正文语种】中文【中图分类】O571.1【相关文献】1.单粒子效应不同模拟源的等效性实验研究初探 [J], 薛玉雄;曹洲;杨世宇;田恺;郭刚;刘建成2.质子和中子引起的单粒子效应及其等效关系理论模拟 [J], 杨海亮;李国政;李原春;姜景和;贺朝会;唐本奇3.质子和中子在硅中位移损伤等效性计算 [J], 王园明;郭晓强;罗尹虹;陈伟;王燕萍;郭红霞;张凤祁;张科营;王忠明4.基于中国散裂中子源的商用静态随机存取存储器中子单粒子效应实验研究 [J], 王勋;张凤祁;陈伟;郭晓强;丁李利;罗尹虹5.空间质子直接和非直接电离引发单粒子效应的地面等效评估试验方法 [J], 于庆奎;唐民;刘淑芬;韩金华;郭刚;罗尹虹;王贺;曹爽;孙毅;罗磊;吕贺;梅博;莫日根;张洪伟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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基于高海拔地区的大气中子单粒子效应实时测量试验研究张战刚;雷志锋;黄云;恩云飞;张毅;童腾;李晓辉;师谦;彭超;何玉娟;肖庆中;李键坷;路国光
【期刊名称】《原子能科学技术》
【年(卷),期】2022(56)4
【摘要】开展65 nm高速大容量静态随机存取存储器(SRAM)大气中子单粒子效应特性及试验评价技术研究,基于4 300 m高海拔地区大面积器件阵列实时测量试验,突破效应甄别、智能远程测控等关键技术,在153 d的试验时间内共观测到错误43次,其中器件内单粒子翻转39次,多单元翻转(MCU)在单粒子翻转中占比23%,最大的MCU为9位。

对高能中子、热中子和封装α粒子的贡献比例进行了分析,并基于多地中子通量数据,推演得到北京地面和10 km高空应用时的单位翻转(SBU)和MCU失效率(FIT)。

发现地面处软错误的主要诱因为封装α粒子,随着海拔的增高,大气中子对软错误的贡献比例明显增大;MCU全部由高能中子引起,北京10 km 高空处的MCU FIT值明显增大,其占比由地面的8%增大至26%。

结合器件版图布局,对MCU产生机理进行了深入分析。

最后,提出一种目标导向的存储器软错误加固策略优化方法。

【总页数】9页(P725-733)
【作者】张战刚;雷志锋;黄云;恩云飞;张毅;童腾;李晓辉;师谦;彭超;何玉娟;肖庆中;李键坷;路国光
【作者单位】工业和信息化部电子第五研究所;中国科学院高能物理研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN406;V216
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