單粒子效應(yīng)輻照實(shí)驗(yàn)50～500 MeV準(zhǔn)單能中子源模擬研究

陳啟明,郭 剛,韓金華,趙樹勇,馬 旭,張 崢,劉建成

(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)

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產(chǎn)生大量中子,中子入射航空電子系統(tǒng)會引發(fā)電子器件發(fā)生單粒子效應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致器件出現(xiàn)邏輯狀態(tài)改變、功能故障等現(xiàn)象,威脅航電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性[1]。地面核電站、乏燃料后處理廠等核工業(yè)場景中的中子輻射會對視頻監(jiān)測系統(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。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步,器件特征尺寸越來越小、集成度越來越高,輻射敏感性日益增強(qiáng),中子單粒子效應(yīng)也越來越受到廣泛重視。為評估器件抗中子單粒子效應(yīng)的能力,開展地面加速器中子輻照實(shí)驗(yàn)是國內(nèi)外最常用的手段[2]。通過高能質(zhì)子轟擊重金屬靶發(fā)生散裂反應(yīng)產(chǎn)生白光中子,可以模擬大氣中子能譜。基于白光中子源的輻照實(shí)驗(yàn)適應(yīng)于對航電系統(tǒng)抗中子單粒子效應(yīng)能力的宏觀整體評價(jià),如中國散裂中子源41°束線建設(shè)目標(biāo)就是模擬大氣中子[3]。通過高能質(zhì)子轟擊輕金屬靶發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生單能和準(zhǔn)單能中子,能譜具有較好的單色性?；趩文芎蜏?zhǔn)單能中子源開展輻照實(shí)驗(yàn)可獲得器件中子單粒子效應(yīng)截面隨能量的變化曲線,不僅可用來預(yù)估器件在不同中子輻射環(huán)境中的單粒子錯(cuò)誤率,同時(shí)也是研究中子單粒子效應(yīng)規(guī)律和機(jī)理的重要手段。

不同能量中子引發(fā)器件單粒子效應(yīng)的截面會存在差異,開展中子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究需要利用多種不同能量的中子束。幾MeV至20 MeV能區(qū)內(nèi)的單能中子主要通過不同的輕離子誘發(fā)的二體核反應(yīng)產(chǎn)生,一般常用于中子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的是高壓倍加器D-T反應(yīng)產(chǎn)生的14 MeV中子[4]。在20 MeV以上能區(qū),一般采用的是7Li(p,n)7Be和9Be(p,n)9B反應(yīng)[5],且由于更高的入射能量會引發(fā)多體散裂過程,因而不僅能獲得準(zhǔn)單能中子,其能譜包含單能峰部分,同時(shí)還存在低能尾部連續(xù)譜。這些尾部中子也能引發(fā)單粒子效應(yīng),影響中子單粒子效應(yīng)截面測量的準(zhǔn)確性。盡管如此,由于加速器準(zhǔn)單能中子源的單能峰中子有較高的占比,可達(dá)40%甚至更高,通過尾部中子修正方法將低能連續(xù)中子導(dǎo)致的單粒子效應(yīng)予以修正[6-7],可得到準(zhǔn)確的中子單粒子效應(yīng)截面。

國內(nèi)尚未對中子單粒子效應(yīng)截面隨能量的變化關(guān)系開展系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究,主要原因是國內(nèi)適用于開展中子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的中子源裝置較少,尤其是長期缺乏20 MeV以上具備多能點(diǎn)引出的準(zhǔn)單能中子源。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC62396-2[8],建議選擇的中子能量至少包含4個(gè)能點(diǎn),前3個(gè)是14、50和100 MeV,第4個(gè)能點(diǎn)最開始選擇150 MeV,2004年則建議選擇200 MeV甚至更高[9]。14 MeV中子采用高壓倍加器D-T中子源,50 MeV以上則必須采用準(zhǔn)單能中子源,實(shí)際建設(shè)準(zhǔn)單能中子源時(shí)并不嚴(yán)格要求中子能量等于這4個(gè)能點(diǎn),只需在這3個(gè)能點(diǎn)附近就能滿足中子單粒子效應(yīng)截面曲線測量要求,如瑞典斯維德伯格實(shí)驗(yàn)室(TSL)的準(zhǔn)單能中子源[10]。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)子打鋰靶可產(chǎn)生準(zhǔn)單能中子,具備提供50 MeV和100 MeV準(zhǔn)單能中子的條件,而200 MeV及更高能量準(zhǔn)單能中子則需要依托更高能量的質(zhì)子加速器。因此,本文將開展50～500 MeV準(zhǔn)單能中子模擬研究,基于核反應(yīng)理論計(jì)算50～500 MeV質(zhì)子與7Li核反應(yīng)在0°出射方向中子的產(chǎn)額及其單能峰產(chǎn)額,基于MCNP程序計(jì)算50～500 MeV質(zhì)子與Li金屬核反應(yīng)次級中子產(chǎn)額和不同出射方向的中子能譜,分析影響準(zhǔn)單能中子產(chǎn)額的各項(xiàng)因素以及中子單色性隨出射角度的變化關(guān)系。研究結(jié)果將為中子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)用準(zhǔn)單能中子靶、束線和實(shí)驗(yàn)終端的設(shè)計(jì),以及中子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的開展提供理論指導(dǎo)。

1 準(zhǔn)單能中子單能峰模擬

20 MeV以上的準(zhǔn)單能中子源主要由7Li(p,n)7Be和9Be(p,n)9B反應(yīng)提供。由于7Li豐度高(7Li,92.58%;6Li,7.42%),Li金屬又具有較好的導(dǎo)熱性質(zhì),且方便做成自支撐靶,因此Li金屬成為準(zhǔn)單能中子源靶材料的首選。Be有劇毒,靶制備不易,且相比于7Li(p,n)7Be,9Be(p,n)9B反應(yīng)的中子強(qiáng)度低約5倍。因此,國內(nèi)外最常用的中子準(zhǔn)單能源均采用質(zhì)子轟擊Li靶產(chǎn)生。7Li(p,n)7Be反應(yīng)能為-1.646 MeV,中子產(chǎn)生的閾能為1.881 MeV。入射質(zhì)子能量在1.9～2.4 MeV時(shí),7Li(p,n)7Be反應(yīng)只生成基態(tài)7Be,即7Li(p,n0)7Be,產(chǎn)生中子為單能中子且截面(300～500 mb)很大。質(zhì)子能量超過2.4 MeV,產(chǎn)生的7Be可激發(fā)至其第1激發(fā)態(tài)(0.43 MeV),即7Li(p,n0)7Be和7Li(p,n1)7Be同時(shí)發(fā)生,質(zhì)子5 MeV以下n1占比不到10%,仍可看作單能中子。當(dāng)質(zhì)子能量超過3.68 MeV,打開7Li(p,n3He)4He反應(yīng)道,是一個(gè)三體反應(yīng),產(chǎn)生的中子為能量低于單能峰的連續(xù)譜。質(zhì)子超過7.06 MeV,可激發(fā)7Be至其第2個(gè)激發(fā)態(tài)(4.55 MeV),更高質(zhì)子能量甚至激發(fā)7Be至第3、4激發(fā)態(tài)。質(zhì)子能量再增加,則更多的反應(yīng)道打開,如7Li(p,2n)6Be。總之,7Li(p,n0)7Be和7Li(p,n1)7Be產(chǎn)生的n0和n1構(gòu)成p→7Li反應(yīng)產(chǎn)生的準(zhǔn)單能中子譜的單能峰,而其他反應(yīng)道產(chǎn)生的中子構(gòu)成能量低于單能峰的連續(xù)譜中子。

7Li(p,n)7Be反應(yīng)在0°方向上n0,1中子的截面最大,開展中子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)要求準(zhǔn)單能中子單色性越高越好,因此選取0°角中子出射方向作為中子輻照源。圖1所示為不同能量質(zhì)子入射在0°方向上7Li(p,n0,1)7Be反應(yīng)的截面,可以看到截面是先增大后趨于平緩。

圖1 0°方向7Li(p,n0,1)7Be反應(yīng)截面[11-12]

0°方向出射的單能峰中子注量率Φ可采用式(1)計(jì)算:

Φθ=0(n0,1)=σθ=0(n0,1)Φpρ7Lid7Li

(1)

其中:σθ=0(n0,1)為0°方向7Li(p,n0,1)7Be反應(yīng)截面;Φp為入射質(zhì)子流強(qiáng);ρ7Li為7Li靶的原子密度;d7Li為7Li靶厚度。

圖1為0°方向7Li(p,n0,1)7Be反應(yīng)截面[11-12],對于50～500 MeV入射質(zhì)子,截面基本在35 mb/sr附近。對于100 MeV、1 μA的質(zhì)子束流,轟擊10 mm厚7Li靶,在0°方向上,中子(n0,1)產(chǎn)額為34.9×10-3b×(1×10-6A/1.602 2×10-19A)×0.046 331 b-1·cm-1×1 cm=1.01×1010,在距離靶5 m位置處中子注量率為1.29×104cm-2·s-1。其他能量質(zhì)子入射,中子注量率列于表1。

表1 50～500 MeV質(zhì)子入射7Li靶的單能峰中子注量率

2 準(zhǔn)單能中子產(chǎn)額和能譜模擬

準(zhǔn)單能中子單能峰來自7Li(p,n0,1)7Be反應(yīng),然而Li靶制作時(shí)均采用天然鋰金屬,因此在進(jìn)行準(zhǔn)單能中子產(chǎn)額和能譜模擬時(shí),采用的是質(zhì)子與天然鋰相互作用,即Li(p,n)反應(yīng)。由于高能質(zhì)子入射Li靶有多個(gè)反應(yīng)道,反應(yīng)產(chǎn)物種類較多,各產(chǎn)物在不同能量下的反應(yīng)截面和角分布差異巨大,且實(shí)驗(yàn)截面數(shù)據(jù)不全,理論計(jì)算存在很大困難,而基于隨機(jī)抽樣的蒙特卡羅方法能有效地模擬粒子在物質(zhì)中的輸運(yùn)過程。因此,針對50～500 MeV的Li(p,n)反應(yīng)的準(zhǔn)單能中子產(chǎn)額和能譜采用蒙特卡羅方法進(jìn)行模擬計(jì)算。在開展中子能譜模擬前,先確定Li靶厚度。質(zhì)子打Li靶產(chǎn)生準(zhǔn)單能中子,Li靶越薄,中子的單色性越好,但是產(chǎn)額也越低,而中子單粒子效應(yīng)輻照實(shí)驗(yàn)要求中子單色性越高越好,同時(shí)中子產(chǎn)額也要求越高越好,在設(shè)計(jì)Li靶厚度時(shí)必須綜合考慮單色性和產(chǎn)額兩個(gè)方面。此外,國際上用于中子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究用準(zhǔn)單能中子源,其Li靶厚度也主要在1～3 MeV(質(zhì)子能損)[13]。因此,選擇質(zhì)子在Li靶中能損為1、2、3 MeV時(shí)計(jì)算Li靶厚度,并選擇在質(zhì)子能損2 MeV的Li靶作能譜細(xì)化計(jì)算,具有代表性和實(shí)際參考價(jià)值。

圖2為采用SRIM程序[14]計(jì)算不同能量質(zhì)子在Li靶中能損為1、2、3 MeV時(shí)分別所對應(yīng)的Li靶厚度。50～500 MeV質(zhì)子在Li靶中的能損約為2 MeV時(shí),Li靶厚度分別為4、6、10、13、15、17 mm。

圖2 不同能量質(zhì)子在Li靶中能損為1、2、3 MeV時(shí)的Li靶厚度

采用基于蒙特卡羅方法的MCNP6.1.1b程序進(jìn)行模擬,MCNP是由美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā),用于計(jì)算三維復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)中的中子、光子、電子或耦合中子、光子、電子輸運(yùn)問題的通用軟件包[15]。質(zhì)子能量分別為50、100、200、300、400、500 MeV,Li靶厚度分別為4、6、10、13、15、17 mm時(shí),模擬得到不同出射方向的中子能譜如圖3所示。

a——50 MeV質(zhì)子轟擊4 mm厚Li靶;b——100 MeV質(zhì)子轟擊6 mm厚Li靶;c——200 MeV質(zhì)子轟擊10 mm厚Li靶;d——300 MeV質(zhì)子轟擊13 mm厚Li靶;e——400 MeV質(zhì)子轟擊15 mm厚Li靶;f——500 MeV質(zhì)子轟擊17 mm厚Li靶

由圖3可知,50、100、200、300、400、500 MeV質(zhì)子入射Li靶,產(chǎn)生的中子能譜是連續(xù)譜,能量范圍分別覆蓋0～50、0～100、0～200、0～300、0～400、0～500 MeV,其中單能峰最高點(diǎn)分別出現(xiàn)在46、95、192、294、392、490 MeV,與SRIM計(jì)算結(jié)果存在一定差距,主要原因是SRIM計(jì)算采用連續(xù)慢化假設(shè),入射粒子與靶核相互作用采用兩體碰撞描述,能量損失來自彈性能量損失,而在兩次兩體碰撞之間認(rèn)為入射離子與材料中的電子作用,連續(xù)均勻地?fù)p失能量。MCNP程序模擬則是采用核數(shù)據(jù)文件ENDF/B-Ⅶ以及l(fā)a150n和la150h,沒有核數(shù)據(jù)的能區(qū)則采用核理論模型CEM03.03,包含了核內(nèi)級聯(lián)、預(yù)平衡、蒸發(fā)、裂變等核反應(yīng)過程和產(chǎn)物的描述。這兩種方法均存在理論假設(shè),獲得的計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

由圖3還可知,質(zhì)子能量在50～500 MeV范圍,不同出射方向的中子能譜存在較大差異,在0°～5°方向高能部分中子占比最高,隨著出射角度越遠(yuǎn)離0°方向,中子能譜越軟,高能部分降低,低能部分升高,單色性越來越差。主要原因是Li(p,n)反應(yīng)由直接相互作用過程和復(fù)合核作用過程組成,直接相互作用主要是敲出反應(yīng)機(jī)制,其產(chǎn)生中子具有前沖性,中子能量較高,而復(fù)合核作用過程主要是蒸發(fā)模型產(chǎn)生的蒸發(fā)中子,其具有各向同性,中子能量成分以低能中子為主,因此在0°方向中子的單色性最好。采用準(zhǔn)單能中子源開展中子單粒子效應(yīng),束線必須選擇在中子出射的0°及其附近方向。

不同能量質(zhì)子轟擊Li靶的中子產(chǎn)額及分布模擬所采用的參數(shù)和結(jié)果匯總列于表2。質(zhì)子轟擊Li靶,穿過Li靶后的剩余質(zhì)子以及產(chǎn)生的帶電粒子會被Li靶后方的清掃磁鐵偏轉(zhuǎn)至束流垃圾桶,產(chǎn)生的中子經(jīng)過準(zhǔn)直后進(jìn)入樣品輻照區(qū)。考慮到高能中子的強(qiáng)穿透性,一般準(zhǔn)直屏蔽裝置厚度可達(dá)幾米,因此,計(jì)算中子注量率選取距離Li靶5 m處作為典型位置。模擬計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)入射質(zhì)子能量50～500 MeV,質(zhì)子流強(qiáng)1 μA,Li靶厚4～17 mm(對應(yīng)約2 MeV質(zhì)子能損)時(shí),在距靶5 m處的0°出射方向上產(chǎn)生的準(zhǔn)單能中子注量率可達(dá)104～105cm-2·s-1,單能峰占比約在50%。對于當(dāng)前質(zhì)子加速器,質(zhì)子流強(qiáng)可達(dá)幾百μA,因此可用于中子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究的單能峰中子注量率在106～107cm-2·s-1,而一般CMOS工藝的SRAM器件中子單粒子翻轉(zhuǎn)截面多在10-13～10-14cm2·bit-1范圍[16],預(yù)計(jì)1 h可出現(xiàn)幾十甚至幾百個(gè)效應(yīng),能滿足器件抗中子單粒子性能研究和驗(yàn)證的輻照實(shí)驗(yàn)需求。

表2 不同能量質(zhì)子轟擊Li靶的中子產(chǎn)額及分布模擬結(jié)果

3 結(jié)論

準(zhǔn)單能中子源是研究中子單粒子效應(yīng)的重要中子源?；诤朔磻?yīng)理論,研究了50～500 MeV質(zhì)子與鋰相互作用的中子產(chǎn)額及中子單能峰產(chǎn)額,并基于SRIM程序計(jì)算了質(zhì)子在1～3 MeV能損時(shí)Li靶厚度隨質(zhì)子能量的變化趨勢。選取質(zhì)子能損約為2 MeV時(shí)的Li靶厚度,采用MCNP模擬計(jì)算了50～500 MeV質(zhì)子與Li靶核反應(yīng)次級中子產(chǎn)額和不同出射方向的中子能譜,入射質(zhì)子能量為50～500 MeV,質(zhì)子流強(qiáng)為1 μA,靶厚選2 MeV左右質(zhì)子能損時(shí),在距靶5 m處的0°出射方向上產(chǎn)生的準(zhǔn)單能中子注量率可達(dá)104～105cm-2·s-1,單能峰占比大于50%。研究結(jié)果可為中子單粒子效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)源建設(shè)和中子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究提供重要指導(dǎo)。