空間單粒子效應(yīng)加速器模擬試驗(yàn)技術(shù)及應(yīng)用

陳啟明 郭 剛 隋 麗 劉建成 張艷文 張付強(qiáng) 殷 倩韓金華 張 崢 孫浩瀚

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院 國(guó)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）

空間環(huán)境中的高能粒子與電子器件相互作用會(huì)導(dǎo)致器件參數(shù)退化、性能下降甚至功能失效，這種現(xiàn)象稱為空間輻射效應(yīng)，主要包括單粒子效應(yīng)（Single Event Effect，SEE）、總 劑 量 效 應(yīng)（Total Ionizing Dose，TID）和位移損傷效應(yīng)（Displacement Damage，DD）?？臻g輻射粒子能量高、注量率低，單個(gè)高能粒子引發(fā)的單粒子效應(yīng)對(duì)器件的影響尤為突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子系統(tǒng)的在軌故障有45%是由輻射效應(yīng)引起的，而其中單粒子效應(yīng)占比約為86%［1］。我國(guó)在20世紀(jì)90年代，也觀察到多顆衛(wèi)星由于器件單粒子效應(yīng)導(dǎo)致衛(wèi)星功能故障，例如1990年我國(guó)風(fēng)云衛(wèi)星的首星入軌39 天、次星入軌159 天均由于星載計(jì)算機(jī)發(fā)生單粒子效應(yīng)引起姿態(tài)失控。1992 年，在“東方紅三號(hào)”衛(wèi)星發(fā)射前，航天五院聯(lián)合中國(guó)原子能科學(xué)研究院，利用北京HI-13 串列加速器開(kāi)展了國(guó)內(nèi)首次單粒子效應(yīng)加速器輻照試驗(yàn)，對(duì)其中關(guān)鍵器件的單粒子效應(yīng)敏感性進(jìn)行了試驗(yàn)評(píng)估。自此，國(guó)內(nèi)空間單粒子效應(yīng)地面加速器模擬實(shí)驗(yàn)研究正式起步并進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。

空間輻射環(huán)境復(fù)雜，地面加速器很難直接模擬真實(shí)的空間輻射環(huán)境。空間輻射粒子能量范圍可覆蓋eV 到TeV，且能量分布連續(xù)，運(yùn)動(dòng)方向多樣［2］；地面加速器產(chǎn)生的粒子能量范圍一般在MeV 到GeV［3］，且能量越高加速器的建造成本也越高，單粒子效應(yīng)輻照試驗(yàn)的效費(fèi)比也就越差。此外，地面加速器很難實(shí)現(xiàn)多種粒子種類、寬能量范圍、多入射方向的粒子束同時(shí)產(chǎn)生和輻照。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外主要是利用加速器產(chǎn)生的單一種類單一能量的粒子開(kāi)展輻照試驗(yàn)來(lái)模擬器件發(fā)生的輻射效應(yīng)，而不是直接模擬空間輻射環(huán)境。同時(shí)，航天器在軌運(yùn)行周期長(zhǎng)，地面加速器模擬試驗(yàn)很難實(shí)現(xiàn)全壽命周期的持續(xù)粒子輻照，常用的方法是采取加速試驗(yàn)，利用加速器的高注量率粒子束輻照數(shù)十分鐘到幾個(gè)小時(shí)來(lái)模擬航天在軌幾年至幾十年所受到的空間低注量率粒子輻照。因此，地面加速器輻照試驗(yàn)?zāi)M空間單粒子效應(yīng)，主要采用效應(yīng)模擬和加速試驗(yàn)相結(jié)合的方法，開(kāi)展器件輻照試驗(yàn)，獲取單粒子效應(yīng)截面，進(jìn)而為器件空間應(yīng)用錯(cuò)誤率預(yù)估和有針對(duì)性加固提供數(shù)據(jù)支撐。

單粒子效應(yīng)是航天器在軌運(yùn)行中發(fā)生的，但大量的研究試驗(yàn)工作主要是在地面進(jìn)行的。電子器件能否在航天器中使用，必須要利用合適的加速器束流進(jìn)行地面模擬試驗(yàn)。針對(duì)重離子單粒子效應(yīng)，需測(cè)量器件發(fā)生單粒子效應(yīng)的截面與重離子線性能量轉(zhuǎn)移（Linear Energy Transfer，LET）值之間的關(guān)系曲線（通常需要5 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)）［4］；類似地，針對(duì)質(zhì)子單粒子效應(yīng)，需測(cè)量器件發(fā)生單粒子效應(yīng)的截面與質(zhì)子能量之間的關(guān)系曲線。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合航天器運(yùn)行軌道空間的重離子和質(zhì)子輻射環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件發(fā)生單粒子效應(yīng)的錯(cuò)誤率進(jìn)行預(yù)估，只有其抗單粒子效應(yīng)性能指標(biāo)符合任務(wù)要求的器件才能在航天器中使用。此外，利用加速器束流進(jìn)行輻照試驗(yàn)，可以復(fù)現(xiàn)航天器在軌出現(xiàn)的故障，找出輻射損傷薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵器件，同時(shí)，也可以對(duì)器件所采取的加固措施的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，從而指導(dǎo)器件進(jìn)行有針對(duì)性的抗單粒子加固，提升其抗輻射性能?？臻g輻射粒子主要是質(zhì)子和重離子，因此開(kāi)展宇航器件單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)主要依托重離子加速器和質(zhì)子加速器。本文重點(diǎn)介紹中國(guó)原子能科學(xué)研究院的基于加速器的重離子單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)技術(shù)、質(zhì)子單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)技術(shù)和器件輻射效應(yīng)敏感區(qū)識(shí)別的重離子微束技術(shù)，以及上述技術(shù)在宇航器件單粒子效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用。

1 重離子單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)技術(shù)

國(guó)內(nèi)當(dāng)前應(yīng)用于宇航器件單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)研究的加速器，主要有中國(guó)原子能科學(xué)研究院的北京HI-13串列加速器和中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所的強(qiáng)流重離子加速器（the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou，HIRFL），這兩臺(tái)加速器承擔(dān)了國(guó)內(nèi)絕大部分宇航器件單粒子效應(yīng)試驗(yàn)評(píng)估任務(wù)。北京HI-13串列加速器優(yōu)點(diǎn)是改變粒子LET值方便快捷，便于測(cè)量器件單粒子效應(yīng)截面隨粒子LET值的關(guān)系曲線，但缺點(diǎn)是能量相對(duì)較低、射程較短，試驗(yàn)需在真空環(huán)境下進(jìn)行，試驗(yàn)樣品必須提前進(jìn)行開(kāi)冒、減薄等預(yù)處理。HIRFL優(yōu)點(diǎn)是粒子能量高、射程長(zhǎng)，樣品預(yù)處理簡(jiǎn)單，試驗(yàn)在大氣環(huán)境下即可進(jìn)行，但改變粒子LET 值調(diào)試復(fù)雜，需要幾天甚至數(shù)周，主要用于單點(diǎn)高LET值的器件發(fā)生單粒子效應(yīng)LET閾值的考核驗(yàn)證。

北京HI-13 串列加速器于1987 年建成，引出直流束，主要用于核物理基礎(chǔ)研究。2009 年，針對(duì)單粒子效應(yīng)試驗(yàn)的特點(diǎn)，在HI-13 串列加速器實(shí)驗(yàn)二廳R20 管道上使用偏轉(zhuǎn)磁鐵分出一條新管道，并建立重離子單粒子效應(yīng)專用輻照裝置，如圖1 所示。加速器產(chǎn)生的粒子束調(diào)節(jié)至R20 支束線，粒子束經(jīng)過(guò)Y方向?qū)蚱?、一組雙單元四極磁鐵、一組X和Y方向狹縫儀、一組X和Y方向三角波二維異步掃描磁鐵和準(zhǔn)直器，輻照到器件樣品上，此外，束線上還布置有束流診斷用熒光屏、束流監(jiān)督探測(cè)器等。器件樣品安裝在真空靶室的樣品架上，樣品架可容納三塊25 cm×25 cm的標(biāo)準(zhǔn)輻照板。

圖1 基于北京HI-13串列加速器的重離子單粒子效應(yīng)專用輻照裝置Fig.1 Specialized irradiation equipment for heavy ion single event effects based on the Beijing HI-13 tandem accelerator

單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)需要能覆蓋器件樣品且均勻性好于90%粒子束，粒子在硅中入射深度大于30 μm［5］。針對(duì)單粒子輻照試驗(yàn)需要大面積均勻粒子束流，使用基于不同頻率、相同振幅的三角波二維異步磁掃描技術(shù)，獲得在樣品輻照平面束斑面積50 mm×50 mm內(nèi)束流分布均勻性好于90%、注量率102~106ions·cm-2·s-1連續(xù)快速可調(diào)的重離子束流［6］。針對(duì)串列加速器高LET值束流離子能量不夠，不滿足考核評(píng)估試驗(yàn)中射程大于30 μm 的要求，研發(fā)了一種高電荷態(tài)重離子束調(diào)試技術(shù)，在串列端電壓固定條件下，采用雙剝離及離子選擇技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高電荷態(tài)離子的產(chǎn)生，再通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)模擬及端電壓穩(wěn)定技術(shù)，使用磁剛度相同、能量不同的準(zhǔn)可幾電荷態(tài)的離子（此電荷態(tài)下剝離概率高、流強(qiáng)大）作為導(dǎo)向束流打通光路，實(shí)現(xiàn)剝離概率比常規(guī)束流低兩三個(gè)量級(jí)高電荷態(tài)離子的傳輸和控制，有效提高束流能量及射程。當(dāng)前，北京HI-13 串列加速器重離子單粒子效應(yīng)專用輻照裝置粒子束LET值覆蓋0.4~65.6 MeV·cm2·mg-1范圍，Si射程大于30 μm，如表1所示?；贖I-13 串列加速器用于單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，開(kāi)展了大量的宇航器件抗輻照性能評(píng)估和考核試驗(yàn)，覆蓋了我國(guó)絕大部分宇航用電子器件種類，支撐了我國(guó)國(guó)產(chǎn)抗輻照器件研制，及其在北斗、載人、空間站等空間應(yīng)用中的高可靠性。

表1 北京HI-13串列加速器用于單粒子效應(yīng)試驗(yàn)典型粒子束參數(shù)Table 1 Typical beam parameters for single event effect experiments using the Beijing HI-13 tandem accelerator

2 質(zhì)子單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)技術(shù)

航天器性能的提高有賴于使用高性能先進(jìn)器件。超深亞微米及納米器件的廣泛使用，極大地提升了衛(wèi)星的性能，但是由于器件特征尺寸的減小，臨界電荷降低，使得器件單粒子效應(yīng)敏感性提高。與過(guò)去相比，質(zhì)子引起的單粒子效應(yīng)明顯增強(qiáng)，已經(jīng)成為影響衛(wèi)星運(yùn)行可靠性的主要因素之一。與重離子引起的單粒子效應(yīng)不同，質(zhì)子引起的單粒子效應(yīng)不僅有直接電離貢獻(xiàn)，還有核反應(yīng)次級(jí)粒子電離貢獻(xiàn)，后者是通過(guò)質(zhì)子與器件材料核反應(yīng)產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子在器件中的電離所引發(fā)的，其截面依賴于入射質(zhì)子能量和器件材料，通常比重離子單粒子效應(yīng)截面小4~5個(gè)量級(jí)［7］。但在空間輻射環(huán)境中，尤其是中低軌道，高能質(zhì)子通量很大，產(chǎn)生的單粒子效應(yīng)遠(yuǎn)大于相同環(huán)境下重離子產(chǎn)生的單粒子效應(yīng)，已經(jīng)成為威脅衛(wèi)星可靠運(yùn)行的主要原因之一。

國(guó)內(nèi)質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)研究工作起步較晚，長(zhǎng)期缺乏30 MeV以上能量質(zhì)子源。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)才逐步建成幾臺(tái)30 MeV以上能量質(zhì)子加速器，主要有中國(guó)原子能科學(xué)研究院的100 MeV 質(zhì)子回旋加速器、西北核技術(shù)研究所的200 MeV質(zhì)子回旋加速器、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的300 MeV質(zhì)子回旋加速器。

中國(guó)原子能科學(xué)研究院自主研制的100 MeV質(zhì)子回旋加速器（the 100 MeV Proton CYclotron at China Institute of Atomic Energy，CYCIAE-100）是我國(guó)首臺(tái)中能質(zhì)子加速器，CYCIAE-100 于2014 年7月成功出束，2016年6月進(jìn)入試運(yùn)行階段，開(kāi)展的首批實(shí)驗(yàn)就是器件的質(zhì)子單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)。基于100 MeV質(zhì)子回旋加速器建立的質(zhì)子單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)裝置如圖2所示，質(zhì)子束從加速器主體引出，經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)磁鐵后進(jìn)入質(zhì)子輻照束線，再經(jīng)過(guò)Y方向?qū)蚱?、一組雙單元四極磁鐵、雙散射靶、降能器和準(zhǔn)直器，輻照到器件樣品上，同時(shí)，束線上還布置有束流診斷用熒光屏、束流監(jiān)督探測(cè)器等。器件樣品安裝在樣品架上，樣品架可容納三塊25 cm×25 cm的標(biāo)準(zhǔn)輻照板，輻照試驗(yàn)在大氣環(huán)境中進(jìn)行。

圖2 基于100 MeV質(zhì)子回旋加速器的質(zhì)子單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)裝置Fig.2 Proton single event effect simulation experiment equipment based on a 100 MeV proton cyclotron

CYCIAE-100 流強(qiáng)范圍為10 nA~200 μA，頻率50 MHz，其流強(qiáng)比單粒子試驗(yàn)要求流強(qiáng)高出3~7 個(gè)數(shù)量級(jí)［8］，通過(guò)在粒子注入器增加束流篩子、碉堡區(qū)增加束流散焦磁鐵和限束狹縫等設(shè)備，在碉堡區(qū)內(nèi)大幅降低質(zhì)子流強(qiáng)，同時(shí)采用雙散射靶對(duì)質(zhì)子束進(jìn)行擴(kuò)束和均勻化。此外，為得到單粒子效應(yīng)的截面與質(zhì)子能量之間的關(guān)系曲線，設(shè)計(jì)了二進(jìn)制降能片實(shí)現(xiàn)不同能量的質(zhì)子的快速切換［9］?？梢詫?shí)現(xiàn)質(zhì)子能量范圍30~100 MeV 準(zhǔn)連續(xù)可調(diào)、注量范圍102~1011p·cm-2·s-1、100 mm×100 mm 內(nèi)束流分布均勻性好于90%的質(zhì)子束流［8，10］?；贑YCIAE-100 的質(zhì)子單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)裝置，完成一系列宇航器件抗輻照性能評(píng)估和考核試驗(yàn)，包括靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Static Random-Access Memory，SRAM）、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）等［11-12］，支撐了我國(guó)質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)方法行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立。

3 重離子微束技術(shù)

宇航抗輻照器件的研制通常采用“設(shè)計(jì)—制造—試驗(yàn)—再設(shè)計(jì)”的反復(fù)迭代過(guò)程，代價(jià)非常高昂。提高器件抗輻射性能，縮短循環(huán)周期，降低器件設(shè)計(jì)研發(fā)成本，關(guān)鍵在于研制過(guò)程中早期識(shí)別與定位單粒子敏感的薄弱環(huán)節(jié)，明確效應(yīng)的物理機(jī)制，從而進(jìn)行針對(duì)性加固。重離子微束可確定效應(yīng)敏感區(qū)以及電荷產(chǎn)生、放大和收集的機(jī)制，并給出它們與器件單元的布局、尺寸、材料和工藝等參數(shù)的定量關(guān)系，是開(kāi)展抗輻照器件加固設(shè)計(jì)和效應(yīng)機(jī)理研究的有力工具。

國(guó)內(nèi)當(dāng)前應(yīng)用于器件單粒子效應(yīng)敏感區(qū)識(shí)別的重離子微束裝置，主要有中國(guó)原子能科學(xué)研究院的基于北京HI-13串列加速器建立的針孔型微束裝置和中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所的基于HIRFL 建立的聚焦型微束裝置。前者需要制備高精度針孔，尺寸1~3 μm；后者束斑尺寸與針孔型相當(dāng)，調(diào)束難度較大。北京HI-13串列加速器重離子微束輻照裝置如圖3 所示。束流進(jìn)入真空靶室后，先通過(guò)預(yù)準(zhǔn)直孔和微米級(jí)的針孔后變成微米級(jí)的束斑。輻照過(guò)程中，采用微通道板探測(cè)器探測(cè)粒子通過(guò)碳膜后產(chǎn)生的二次電子進(jìn)行粒子注量監(jiān)測(cè)。輻照樣品前，通過(guò)顯微鏡對(duì)樣品被輻照區(qū)域和針孔進(jìn)行定位，然后樣品和針孔保持不動(dòng)，顯微鏡避開(kāi)束流并開(kāi)始輻照，通過(guò)安裝樣品的精密位移臺(tái)的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)樣品不同區(qū)域的輻照［13］。同時(shí)，建立單粒子翻轉(zhuǎn)成像技術(shù)，在重離子微束逐點(diǎn)掃描器件時(shí)，采用效應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)器件翻轉(zhuǎn)地址、位數(shù)、輻照坐標(biāo)以及每點(diǎn)輻照的注量等信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)和儲(chǔ)存，以二維圖的方式將翻轉(zhuǎn)區(qū)域?qū)崟r(shí)顯示出來(lái)，將翻轉(zhuǎn)信息與位置信息的對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)SEU 二維成像，從而準(zhǔn)確定位器件抗單粒子薄弱區(qū)。

圖3 基于北京HI-13串列加速器的重離子微束裝置Fig.3 Heavy ion microbeam equipment based on the Beijing HI-13 tandem accelerator

為提升器件輻射敏感區(qū)定位精度，即便束斑是微米級(jí)，但通過(guò)更小步長(zhǎng)（0.1 μm 及以下）移動(dòng)掃描和效應(yīng)數(shù)據(jù)的反演分析，可實(shí)現(xiàn)定位精度0.5 μm，如圖4 所示。微束束流方向保持不變，移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)樣品進(jìn)行小步長(zhǎng)的移動(dòng)，當(dāng)進(jìn)入第一個(gè)敏感區(qū)時(shí)，測(cè)試得到效應(yīng)技術(shù)開(kāi)始增加，當(dāng)整個(gè)敏感區(qū)均進(jìn)入微束束斑內(nèi)，效應(yīng)數(shù)進(jìn)入一個(gè)平臺(tái)區(qū)，平臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)，當(dāng)?shù)诙€(gè)敏感區(qū)也進(jìn)入微束束斑內(nèi)，則效應(yīng)數(shù)將再次增加，即通過(guò)統(tǒng)計(jì)效應(yīng)計(jì)數(shù)與束斑位置的關(guān)系，分析敏感區(qū)形狀與效應(yīng)計(jì)數(shù)的關(guān)系，可以將輻射敏感區(qū)識(shí)別出來(lái)，形成器件輻射敏感區(qū)效應(yīng)分布圖。基于HI-13 串列加速器重離子微束裝置，開(kāi)展了系列重離子微束試驗(yàn)研究，主要有SRAM、反相器鏈等［14］，為抗輻照器件有針對(duì)性加固和輻射效應(yīng)機(jī)制機(jī)理研究提供數(shù)據(jù)支撐。

圖4 微束輻照試驗(yàn)器件輻射敏感區(qū)定位反演方法Fig.4 Inversion method for locating radiation sensitive areas in electronic devices during a microbeam irradiation test

4 結(jié)語(yǔ)

空間輻射效應(yīng)影響航天器用電子器件的可靠性。采用地面加速器模擬空間單粒子效應(yīng)是國(guó)內(nèi)外評(píng)估考核器件抗單粒子性能的主要途徑?？臻g輻射粒子主要是質(zhì)子和重離子，開(kāi)展宇航器件單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)主要依托的大型核設(shè)施是重離子加速器和質(zhì)子加速器。當(dāng)前國(guó)內(nèi)開(kāi)展重離子單粒子效應(yīng)機(jī)理和應(yīng)用研究，主要依托中國(guó)原子能科學(xué)研究院的HI-13 串列加速器和中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所的重離子回旋加速器；開(kāi)展質(zhì)子單粒子效應(yīng)機(jī)理和應(yīng)用研究，主要依托中國(guó)原子能科學(xué)研究院的100 MeV質(zhì)子回旋加速器。同時(shí)西北核技術(shù)研究所200 MeV 質(zhì)子回旋加速器和哈爾濱工業(yè)大學(xué)300 MeV質(zhì)子回旋加速器也進(jìn)入試運(yùn)行階段。重離子微束對(duì)于器件輻射敏感區(qū)定位識(shí)別具有重要價(jià)值，受限于束斑尺寸，器件敏感區(qū)定位精度只能達(dá)到亞微米級(jí)。未來(lái)航天航空、核工業(yè)等輻射領(lǐng)域，對(duì)抗輻照器件和技術(shù)需求將持續(xù)增加，需要進(jìn)一步發(fā)揮國(guó)內(nèi)現(xiàn)有單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)裝置應(yīng)用潛力，同時(shí)也需要布局新的能力更強(qiáng)的單粒子效應(yīng)科研試驗(yàn)平臺(tái)。

作者貢獻(xiàn)聲明陳啟明負(fù)責(zé)試驗(yàn)組織、論文初稿撰寫(xiě)和修改；郭剛負(fù)責(zé)裝置整體規(guī)劃建設(shè)和項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)支撐；隋麗負(fù)責(zé)研究方案指導(dǎo)；劉建成負(fù)責(zé)重離子裝置調(diào)試；張艷文負(fù)責(zé)質(zhì)子裝置調(diào)試；張付強(qiáng)負(fù)責(zé)束流測(cè)量數(shù)據(jù)不確定分析；殷倩負(fù)責(zé)質(zhì)子裝置束流診斷；韓金華負(fù)責(zé)質(zhì)子擴(kuò)束；張崢負(fù)責(zé)微束裝置調(diào)試；孫浩瀚負(fù)責(zé)微束定位反演。