中能質(zhì)子單粒子效應試驗束流分布及次級中子模擬

陳啟明 郭 剛 韓金華 張付強 張艷文 劉建成 趙樹勇

（中國原子能科學研究院國防科技工業(yè)抗輻照應用技術(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，其通量遠遠高于重離子。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TeV量級；太陽耀斑爆發(fā)時釋放的輻射粒子中質(zhì)子占比超過90%，最高能量可達GeV 量級；地球捕獲帶中內(nèi)帶也以質(zhì)子為主，最高能量約為幾百MeV。航天器在軌運行時，質(zhì)子入射電子器件會引發(fā)單粒子效應，使得電子器件邏輯翻轉(zhuǎn)、功能故障甚至燒毀，嚴重威脅航天器的在軌可靠性和運行安全。因此，在電子器件選型過程中，需要進行質(zhì)子輻照試驗考核，達到相應指標后方可選用。然而，直接在太空中開展質(zhì)子輻照試驗難度大、耗時長、費用高。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，通過輻照試驗獲取器件單粒子效應截面曲線，然后，結(jié)合空間質(zhì)子譜，計算電子器件在空間應用時的單粒子錯誤率，以此評估質(zhì)子單粒子效應風險。

國外質(zhì)子單粒子效應研究經(jīng)過多年發(fā)展，基于質(zhì)子加速器建成大量的質(zhì)子單粒子效應試驗終端，進行大量的輻照試驗，形成了試驗方法和標準規(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)子單粒子效應主要是理論研究，實驗研究主要集中在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 附近單粒子效應截面才會趨于飽和，因此100 MeV 以下質(zhì)子能段的單粒子效應截面數(shù)據(jù)尤為重要。2016 年基于中國原子能科學研究院（簡稱原子能院）的100 MeV強流質(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研究的中能質(zhì)子輻照試驗裝置，重點關(guān)注和著力解決的最主要應用需求就是30～100 MeV 能區(qū)質(zhì)子單粒子效應截面數(shù)據(jù)的實驗測量。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)子單粒子效應輻照試驗研究，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以下多能量點質(zhì)子，設(shè)計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)計了雙散射靶進行質(zhì)子擴束。為保證質(zhì)子單粒子效應截面測量結(jié)果的可靠性，需要對樣品輻照平面上質(zhì)子能量、均勻性等束流品質(zhì)進行評價。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)生大量次級粒子，其中的次級中子也會引發(fā)單粒子效應，從而影響質(zhì)子單粒子效應截面測量的準確性。本文通過對質(zhì)子輻照束線進行精確建模，并采用蒙特卡羅方法，模擬計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，以及次級中子的產(chǎn)額、能譜等，并通過中子質(zhì)子比分析了次級中子對質(zhì)子單粒子效應截面的影響。

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，用以實現(xiàn)質(zhì)子束流的擴束及均勻化，具體參數(shù)詳見文獻［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 片來實現(xiàn)在單能量質(zhì)子輸入情況下，30～90 MeV范圍能量內(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，實現(xiàn)質(zhì)子束流在線監(jiān)督，實驗前需要利用高精度法拉第筒或其他質(zhì)子注量探測器對其進行標定；準直器為亞克力板（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算CYCIAE-100質(zhì)子輻照終端的質(zhì)子分布情況，以及次級中子的產(chǎn)額和分布。

蒙特卡羅（Monte Carlo）方法，又稱隨機抽樣或統(tǒng)計試驗方法，屬于計算數(shù)學的一個分支。蒙特卡羅方法的基本原理：當所要求解的問題是某種事件出現(xiàn)的概率，或者是某個隨機變量的期望值時，可以通過某種“試驗”的方法，得到這種事件出現(xiàn)的頻率，或者這個隨機變數(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驗室（Los Alamos National Laboratory）開發(fā)的基于蒙特卡羅方法的用于計算三維復雜幾何結(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現(xiàn)不同能量的快速調(diào)節(jié)。模擬過程中，源粒子對應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、準直器以及空氣的影響，共模擬了107個質(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)子入射進行模擬，結(jié)果歸一到單個質(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能量點的質(zhì)子束，對應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。

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)子能點從90 MeV降低到30 MeV，能量歧離從1.3 MeV增大到4.0 MeV。幾個MeV的能量歧離對于單粒子效應截面的影響較小，尤其是單粒子效應截面已飽和的情況。然而，在單粒子效應截面曲線的質(zhì)子能量閾值點到飽和點之間，是截面隨質(zhì)子能量快速增長的區(qū)間，能量歧離則會對單粒子效應截面測量結(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，這是因為所采用準直器的孔徑是100 mm×100 mm規(guī)格，對質(zhì)子束斑尺寸具有極強的約束作用。單個質(zhì)子入射，在樣品架上不同距離處，不同能點質(zhì)子注量大致在10?4量級。CYCIAE-100質(zhì)子流強范圍5 nA～200 μA，因此質(zhì)子注量率范圍可達106～1011cm?2?s?1，能夠滿足質(zhì)子單粒子效應輻照試驗的需要。

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，質(zhì)子束流的均勻性對單粒子效應截面可靠性非常重要，尤其是在多個器件同時輻照，或者器件面積跟束斑大小近似相當?shù)那闆r下，束流均勻性對試驗結(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個點；xi表示第i個點的質(zhì)子注量率；xˉ表示n個質(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25個位置點的質(zhì)子注量率，即n=25。然后，利用式（1）計算得到不同能點質(zhì)子束流的不均勻度，質(zhì)子能點分 別 為90 MeV、80 MeV、70 MeV、60 MeV、50 MeV、40 MeV、30 MeV時，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)子能點不均勻度分布在0.8%～9.1% 之間，降能越少質(zhì)子束流擴束及均勻化的效果越好。

3.2 次級中子分布

考慮雙散射靶、降能器、管道、真空密封片、SEEM、準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。實際模擬計算時，是以坐標軸0點（散射靶1）為圓心，430 cm（將束流收集器全部包含在內(nèi)）為半徑形成一個球殼，統(tǒng)計穿過此球殼的中子數(shù)，并歸一到單個質(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100 MeV 質(zhì)子約能產(chǎn)生0.11 個中子，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%，這是因為降能片材質(zhì)是Al，（p，n）反應截面較小。

表1 不同質(zhì)子能點下中子產(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，為了對曲線進行區(qū)分，繪圖時將不同曲線進行了一定的平移（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，準直器的屏蔽效果對中子作用非常有限。單個質(zhì)子入射，樣品輻照平面中子注量大致在10?6量級，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)計單個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，降能器導致的中子質(zhì)子比的改變，其中降能器對質(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，能量大于10 MeV的中子貢獻占主導，而150 nm及以下器件的中子單粒子效應，1～10 MeV中子的貢獻則不能忽視［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)子單粒子效應輻照試驗，單粒子效應截面測量不確定度主要是受質(zhì)子注量測量不確定度、束流不均勻度，以及單粒子效應數(shù)統(tǒng)計誤差等因素影響，質(zhì)子單粒子效應截面的測量不確定一般都在10% 以上，因此，0.4% 以內(nèi)的中子質(zhì)子比給質(zhì)子單粒子效應截面所帶來的誤差幾乎可以忽略。

表2 不同質(zhì)子能點樣品輻照平面半徑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。而實際上，在散射靶之前，加速器端引出質(zhì)子也可能會帶來的次級中子，以及中子與實驗廳墻壁等的相互作用，也會改變樣品輻照平面的中子質(zhì)子比。因此，為驗證理論模擬結(jié)果的有效性，進一步確定次級中子對質(zhì)子單粒子效應截面的影響，相應的實驗測量也必不可少。目前這些實驗也正在設(shè)計實施當中。

4 結(jié)語

質(zhì)子束流的能量分布和注量均勻性會影響單粒子效應截面測量的有效性，質(zhì)子與束流線上雙散射靶、降能器、管道等相互作用產(chǎn)生的次級中子也會影響質(zhì)子單粒子效應截面測量的準確性。通過對CYCIAE-100 質(zhì)子束流線進行精確建模，采用蒙特卡羅方法模擬計算樣品輻照平面上質(zhì)子和次級中子的能譜和均勻性，以及質(zhì)子中子比，分析質(zhì)子單粒子效應束流品質(zhì)。研究表明：CYCIAE-100可提供7個能量點的質(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)子流強范圍5 nA～200 μA，輻照實驗質(zhì)子注量率范圍可達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)子單粒子效應輻照試驗對質(zhì)子注量率的要求；每1 個100 MeV 質(zhì)子可產(chǎn)生約0.11 個中子，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)，分析認為次級中子給質(zhì)子單粒子效應截面所帶來的誤差可以忽略。