14 MeV中子引發(fā)SRAM器件單粒子效應實驗研究

范 輝，郭 剛，沈東軍，劉建成，陳紅濤，趙 芳，陳 泉，何安林，史淑廷，惠 寧，蔡 莉，王貴良

（中國原子能科學研究院核物理研究所，北京 102413）

14 MeV中子引發(fā)SRAM器件單粒子效應實驗研究

范 輝，郭 剛，沈東軍，劉建成，陳紅濤，趙 芳，陳 泉，何安林，史淑廷，惠 寧，蔡 莉，王貴良

（中國原子能科學研究院核物理研究所，北京 102413）

在中國原子能科學研究院的高壓倍加器裝置上開展了SRAM器件的14MeV中子單粒子效應實驗研究。介紹了中子的產生、中子注量率的測量和調節(jié)以及中子單粒子效應的測試等的實驗方法，獲得了HM628512BLP型和R1LV1616HSA型SRAM器件的14MeV中子單粒子效應截面。前者與文獻的單粒子效應截面在誤差范圍內一致，驗證了實驗方法的科學性和可行性。后者與由效應機制出發(fā)獲得的理論分析結果在量級上一致，對實驗結果給出了定性的解釋。

高壓倍加器；SRAM；單粒子效應；截面

空間中的初級宇宙射線主要為高能質子和重粒子，當這些初級宇宙射線的能量足夠大時，便會克服地磁場的屏蔽進入臨近空間（距地面20～ 100km的空間區(qū)域），與大氣中氮、氧等原子碰撞發(fā)生核反應，產生大量次級粒子（電子、γ、中子、質子、π介子和μ子等），在產生的各次級粒子中，有3種粒子可產生單粒子效應，即中子、質子和π介子，其中，中子引起的單粒子效應最嚴重。

近年來，臨近空間的戰(zhàn)略價值逐漸引起各國重視，臨近空間飛行器也因其顯著特點和潛在的軍、民用價值而成為各國研究的熱點。對臨近空間飛行器構成威脅的最主要因素是大氣中子，當臨近空間的高能中子穿過半導體器件時，可能會在器件內引起單粒子效應，造成數據丟失、損壞，甚至飛行器功能異常。國際航空界非常重視大氣中子環(huán)境及其輻射效應的研究，而國內限于缺乏合適的高能加速器中子源，中子輻射效應研究尤其是中子單粒子效應研究開展得較少，技術以及理論水平相比國外存在一定差距。本文利用中國原子能科學研究院的高壓倍加器裝置產生的14MeV準單能中子束進行SRAM器件的中子單粒子效應實驗研究，以逐步積累中子單粒子效應實驗技術、深入了解中子單粒子效應機理。

1 實驗

1.1 實驗對象

實驗對象包括兩種型號的SRAM，其中一種為國外已有相關實驗數據的SRAM，實驗時作為參考芯片，用以驗證實驗時實驗環(huán)境、測試系統(tǒng)是否正常，以及實驗方法的可行性；另外一種為已獲得重離子實驗數據的SRAM，它是本次實驗的主要測試對象，用以測試中子單粒子翻轉截面并從理論上對實驗結果進行分析。表1給出了本實驗的兩種SRAM的主要參數及其實驗的編號。

表1 中子實驗用到的SRAM的信息Table 1 Information of SRAMs used in neutron experiment

1.2 實驗裝置

實驗于2013年3月在中國原子能科學研究院的高壓倍加器上進行，高頻離子源產生的氘離子束被加速（最高能量600keV）轟擊氚靶，發(fā)生T（d，n）4He反應，產生能量約14MeV的快中子［1］。圖1為高壓倍加器的裝置平面示意圖與主要性能參數。

1.3 實驗布局

圖1 高壓倍加器的裝置平面示意圖與主要性能參數Fig.1 Structure and main character parameter of Cockcroft-Walton accelerator

由于中子具有強穿透能力，且其輻照實驗廳的裝置或材料易將其活化，產生γ射線，因此在實驗布局上采取了一定的屏蔽措施。中子單粒子效應實驗的實驗布局如圖2所示。樣品板位于實驗廳內靶與屏蔽體之間，以束流軸線為中心垂直放置于實驗支架上；測試系統(tǒng)和電源放置在實驗廳與測量廳之間的屏蔽墻（迷宮）中，與樣品板通過長線連接。用于遠程控制和顯示的PC位于測量廳，與測試系統(tǒng)通過網線連接。操作人員在測量廳通過遠程PC即可控制測試系統(tǒng)進行相關實驗操作，也可將系統(tǒng)對SRAM樣品的測試結果實時顯示在PC上。

圖2 中子單粒子效應實驗布局Fig.2 Layout of neutron SEE experiment

1.4 實驗方法

1）中子產生

實驗選用T（d，n）4He反應產生的14MeV快中子作為輻照源，選用直流束打靶時，產生的中子源強≤3×1010s－1，T（d，n）4He反應在0°方向全微分截面約為10－29m2／sr，反應產生的中子在質心系近似各向同性；T（d，n）4He反應除產生中子外，還產生能量約3.5MeV的α粒子（4He），但其在空氣中射程較小（約2cm），實驗期間保持樣品板與靶的距離大于2cm可避免α粒子對實驗結果的影響。

圖3示出了不同氘束能量下產生的中子的飛行時間譜［2］，由圖3可知，氘束能量為300keV時，14MeV中子飛行時間譜中子峰的半高寬約為1.25ns；氘束能量為100keV時，14MeV中子飛行時間譜中子峰的半高寬約為2.42ns。

圖3 不同氘束能量的14MeV中子飛行時間譜Fig.3 14MeV neutron time-of-flight spectra with different energy of deuterium

2）中子注量率測量與調節(jié)

中子注量率通過伴隨粒子法測量。90°伴隨靶管的結構［3］示于圖4，反散射限制光闌和α立體角光闌的設置有利于降低管壁上散射的α粒子進入探測器。在α探測器前放置1μm厚的鋁吸收膜，以阻止散射d粒子進入探測器。高壓倍加器實際使用155°伴隨靶管，但結構與原理與之類似。

圖4 90°伴隨靶管結構Fig.4 Structure of 90°tube with associated-particle method

根據測量的伴隨α粒子計數率n和探測器對靶張的立體角ΔΩ，可獲得與入射d束成θ角處單位立體角內的中子注量率為：

式中，A為各向異性因子。

對于器件輻照而言，需獲得的是輻照在器件表面上的中子注量率，并非單位立體角內的中子注量率φ（θ，Ed），因此還需添加另一因數——器件相對靶源所成的立體角Ω，它可根據器件與靶的距離d和器件有效面積S計算獲得。與入射d束成θ角、距靶d位置處，輻照在器件表面上的中子注量率為：

由式（2）可知，直接影響中子注量率的因素是φ（θ，Ed）和Ω；對于固定的器件，S為常量，因此影響Ω的因素只有器件與靶的距離；再根據式（1），ΔΩ、A分別與實驗裝置和核反應角分布有關，對于本次實驗特定的實驗裝置和中子能量而言，均是不可變的，唯一可變的是測量的伴隨粒子計數率n，而它由中子源強度（即入射氘離子束的流強）決定。由此可知，影響中子注量率的因素主要為入射氘離子束的流強和器件與靶的距離d。

3）單粒子效應測試

對器件進行單粒子效應測試需一套準確、可靠的單粒子效應測試系統(tǒng)，本實驗使用的測試系統(tǒng)是針對器件的結構與效應機理研制的大容量SRAM單粒子效應測試系統(tǒng)。系統(tǒng)除具備通常測試系統(tǒng)所具備的SEU測試以及SEL測試、保護功能外，還可通過SRAM的SEU物理分布間接反映實驗期間的束流狀態(tài)，并結合粒子能量、注量等信息繪制截面曲線。

為對大容量SRAM單粒子效應測試系統(tǒng)的準確性、可靠性進行驗證，對其進行了重離子實驗驗證。驗證結果表明：系統(tǒng)測得的不同LET離子（Li、C、F、Si、Cl、Ti、Br）輻照下R1LV1616RSA型SRAM器件的截面與文獻［4］實驗數據在誤差范圍內一致，且器件的SEU分布均勻，保證了測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

2 結果與分析

2.1 截面計算

中子單粒子效應截面的計算公式為：

其中：Φ為注量；NSEU為實驗測得的單粒子翻轉數（SEU數）；C為存儲器件的容量。

注量根據半導體探測器的計數Nα、器件與靶的立體角以及器件的面積計算獲得：

將Ω與Φ的表示式代入截面計算式，并將常數項統(tǒng)一用A0表示，可得器件翻轉截面最終表示為：

2.2 實驗結果

按照實驗流程，首先在系統(tǒng)和實驗板安裝后進行離線初始檢測，檢測結果良好，保證了測試中無其他錯誤來源；之后進行中子輻照，并對參考芯片進行多次在線測試，實驗原始數據與結果列于表2，從初始實驗結果可看出參考芯片的實驗截面與文獻［5］的單粒子效應截面3× 10－14cm2／bit在統(tǒng)計誤差范圍內一致，可進行下一步實驗；最后對16M容量的1＃、2＃芯片（同種芯片）進行輻照，并對其進行在線測試，實驗原始數據與結果也列于表2。

在計算每種器件的單粒子效應截面時，還需考慮實驗中各測量量的誤差（本文只考慮了統(tǒng)計誤差），結合式（6）的截面公式與誤差傳播理論，最終得到的實驗單粒子效應截面為：0＃實驗，HM628512BLP器件單粒子效應截面為（2.8± 0.4）×10－14cm2／bit；1＃實驗，R1LV1616HSA器件單粒子效應截面為（6.7±1.3）×10－15cm2／bit。

2.3 數據分析

HM628512BLP參考芯片的14MeV中子單粒子效應截面為（2.8±0.4）×10－14cm2／bit，文獻［5］的同種器件單粒子效應截面約為3×10－14cm2／bit，本次實驗結果與文獻報道的器件截面在誤差范圍內一致，驗證了實驗方法的科學性、可行性以及測試系統(tǒng)的準確性與可靠性。

R1LV1616HSA型號SRAM的14MeV中子實驗單粒子效應截面為（6.7±1.3）× 10－15cm2／bit，該器件無文獻數據可對比，因此對于該器件的實驗結果還需從理論上進行分析。整體思路是由中子單粒子效應的機理可知，中子主要通過與器件材料核反應產生的次級粒子（包括重反沖核和輕出射粒子）沉積電荷，因此若已獲得器件的重離子截面曲線，則相當于獲得了離子沉積能量大于器件LET閾值的截面，可由重離子截面曲線結合中子與Si的核反應數據反向計算器件的中子單粒子效應截面。經計算，最終得到的器件中子單粒子效應截面為4.3×10－15cm2／bit，實驗測得的單粒子效應截面為（6.7±1.3）×10－15cm2／bit，兩者在量級上一致，對于R1LV1616HSA型器件的實驗結果給出了定性的解釋。

表2 14MeV中子單粒子效應實驗數據Table 2 Results of 14MeV neutron SEE experiment

3 結論

利用中國原子能科學研究院的高壓倍加器裝置，選用T（d，n）4He反應產生的14MeV快中子作為輻照源，對HM628512BLP型和R1LV1616HSA型SRAM器件進行中子單粒子效應實驗研究。結果表明：HM628512BLP參考芯片的14MeV中子單粒子效應截面為（2.8±0.4）×10－14cm2／bit，文獻［5］的同種器件單粒子效應截面約為3×10－14cm2／bit，實驗結果與文獻［5］的器件截面在誤差范圍內一致，驗證了實驗方法的科學性、可行性以及測試系統(tǒng)的準確性與可靠性；R1LV1616HSA型SRAM的14MeV中子實驗單粒子效應截面為（6.7± 1.3）×10－15cm2／bit，根據中子單粒子效應的物理機制，結合器件的重離子截面，對該器件的14MeV中子單粒子效應截面理論分析結果為4.3×10－15cm2／bit，兩者在量級上一致，對實驗結果給出了定性的解釋。

［1］ 沈冠仁，關遐令，陳紅濤.CIAE 600kV ns脈沖中子發(fā)生器介紹［C］∥2001全國荷電粒子源、粒子束學術會議論文集.北京：中國核工業(yè)音像出版社，2002：1-8.

［2］ 陳紅濤，趙芳.單漂移聚束腔的改進［J］.原子能科學技術，2012，46（4）：493-496.

CHEN Hongtao，ZHAO Fang.Improvement of single-drift buncher［J］.Atomic Energy Science and Technology，2012，46（4）：493-496（in Chinese）.

［3］ 仲啟平，陳雄軍，盧涵林，等.伴隨粒子法測量T（d，n）4He中子源注量率中的本底處理［J］.原子能科學技術，2005，39（2）：130-133.

ZHONG Qiping，CHEN Xiongjun，LU Hanlin，et al.Background analysis for an associated particle method to measure the neutron fluence rate from the T（d，n）4He neutron source［J］.Atomic Energy Science and Technology，2005，39（2）：130-133（in Chinese）.

［4］ O’BRYAN M V，la BEL K A，BUCHNER S P，et al.Compendium of recent single event effects results for candidate spacecraft electronics for NASA［C］∥Radiation Effects Data Workshop，2008IEEE.US：IEEE，2008：11-20.

［5］ DYER C S，CLUCAS S N，SANDERSON C，et al.An experimental study of single-event effects induced in commercial SRAMs by neutrons and protons from thermal energies to 500MeV［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，2004，51（5）：2 817-2 824.

Experimental Study on 14 MeV Neutron Induced Single-event-effect in SRAMs

FAN Hui，GUO Gang，SHEN Dong－jun，LIU Jian-cheng，CHEN Hong-tao，ZHAO Fang，CHEN Quan，HE An-lin，SHI Shu-ting，HUI Ning，CAI Li，WANG Gui-liang
（Department of Nuclear Physics，China Institute of Atomic Energy，Beijing102413，China）

The 14MeV neutron single-event-effect（SEE）experiments of SRAMs were carried out on the Cockcroft-Walton accelerator in CIAE.The experiment methods for neutron production，neutron fluence rate measurement and SEE testing were introduced.Also，the 14MeV neutron SEE cross sections of two types of SRAMs were obtained.The results show that HM628512BLP’s cross section agrees with previous research in the range of error and R1LV1616HSA’s cross section has the same order of magnitude with theoretical analysis.

Cockcroft-Walton accelerator；SRAM；single-event-effect；cross section

O571.1

：A

：1000-6931（2015）01-0171-05

10.7538／yzk.2015.49.01.0171

2013-11-08；

2014-02-10

范 輝（1988—），男，山東泰安人，研究實習員，碩士，粒子物理與原子核物理專業(yè)