14 MeV中子引发SRAM器件单粒子效应实验研究

范 辉，郭 刚，沈东军，刘建成，陈红涛，赵 芳，陈 泉，何安林，史淑廷，惠 宁，蔡 莉，王贵良

（中国原子能科学研究院核物理研究所，北京 102413）

14 MeV中子引发SRAM器件单粒子效应实验研究

范 辉，郭 刚，沈东军，刘建成，陈红涛，赵 芳，陈 泉，何安林，史淑廷，惠 宁，蔡 莉，王贵良

（中国原子能科学研究院核物理研究所，北京 102413）

在中国原子能科学研究院的高压倍加器装置上开展了SRAM器件的14MeV中子单粒子效应实验研究。介绍了中子的产生、中子注量率的测量和调节以及中子单粒子效应的测试等的实验方法，获得了HM628512BLP型和R1LV1616HSA型SRAM器件的14MeV中子单粒子效应截面。前者与文献的单粒子效应截面在误差范围内一致，验证了实验方法的科学性和可行性。后者与由效应机制出发获得的理论分析结果在量级上一致，对实验结果给出了定性的解释。

高压倍加器；SRAM；单粒子效应；截面

空间中的初级宇宙射线主要为高能质子和重粒子，当这些初级宇宙射线的能量足够大时，便会克服地磁场的屏蔽进入临近空间（距地面20～ 100km的空间区域），与大气中氮、氧等原子碰撞发生核反应，产生大量次级粒子（电子、γ、中子、质子、π介子和μ子等），在产生的各次级粒子中，有3种粒子可产生单粒子效应，即中子、质子和π介子，其中，中子引起的单粒子效应最严重。

近年来，临近空间的战略价值逐渐引起各国重视，临近空间飞行器也因其显著特点和潜在的军、民用价值而成为各国研究的热点。对临近空间飞行器构成威胁的最主要因素是大气中子，当临近空间的高能中子穿过半导体器件时，可能会在器件内引起单粒子效应，造成数据丢失、损坏，甚至飞行器功能异常。国际航空界非常重视大气中子环境及其辐射效应的研究，而国内限于缺乏合适的高能加速器中子源，中子辐射效应研究尤其是中子单粒子效应研究开展得较少，技术以及理论水平相比国外存在一定差距。本文利用中国原子能科学研究院的高压倍加器装置产生的14MeV准单能中子束进行SRAM器件的中子单粒子效应实验研究，以逐步积累中子单粒子效应实验技术、深入了解中子单粒子效应机理。

1 实验

1.1 实验对象

实验对象包括两种型号的SRAM，其中一种为国外已有相关实验数据的SRAM，实验时作为参考芯片，用以验证实验时实验环境、测试系统是否正常，以及实验方法的可行性；另外一种为已获得重离子实验数据的SRAM，它是本次实验的主要测试对象，用以测试中子单粒子翻转截面并从理论上对实验结果进行分析。表1给出了本实验的两种SRAM的主要参数及其实验的编号。

表1 中子实验用到的SRAM的信息Table 1 Information of SRAMs used in neutron experiment

1.2 实验装置

实验于2013年3月在中国原子能科学研究院的高压倍加器上进行，高频离子源产生的氘离子束被加速（最高能量600keV）轰击氚靶，发生T（d，n）4He反应，产生能量约14MeV的快中子［1］。图1为高压倍加器的装置平面示意图与主要性能参数。

1.3 实验布局

图1 高压倍加器的装置平面示意图与主要性能参数Fig.1 Structure and main character parameter of Cockcroft-Walton accelerator

由于中子具有强穿透能力，且其辐照实验厅的装置或材料易将其活化，产生γ射线，因此在实验布局上采取了一定的屏蔽措施。中子单粒子效应实验的实验布局如图2所示。样品板位于实验厅内靶与屏蔽体之间，以束流轴线为中心垂直放置于实验支架上；测试系统和电源放置在实验厅与测量厅之间的屏蔽墙（迷宫）中，与样品板通过长线连接。用于远程控制和显示的PC位于测量厅，与测试系统通过网线连接。操作人员在测量厅通过远程PC即可控制测试系统进行相关实验操作，也可将系统对SRAM样品的测试结果实时显示在PC上。

图2 中子单粒子效应实验布局Fig.2 Layout of neutron SEE experiment

1.4 实验方法

1）中子产生

实验选用T（d，n）4He反应产生的14MeV快中子作为辐照源，选用直流束打靶时，产生的中子源强≤3×1010s－1，T（d，n）4He反应在0°方向全微分截面约为10－29m2／sr，反应产生的中子在质心系近似各向同性；T（d，n）4He反应除产生中子外，还产生能量约3.5MeV的α粒子（4He），但其在空气中射程较小（约2cm），实验期间保持样品板与靶的距离大于2cm可避免α粒子对实验结果的影响。

图3示出了不同氘束能量下产生的中子的飞行时间谱［2］，由图3可知，氘束能量为300keV时，14MeV中子飞行时间谱中子峰的半高宽约为1.25ns；氘束能量为100keV时，14MeV中子飞行时间谱中子峰的半高宽约为2.42ns。

图3 不同氘束能量的14MeV中子飞行时间谱Fig.3 14MeV neutron time-of-flight spectra with different energy of deuterium

2）中子注量率测量与调节

中子注量率通过伴随粒子法测量。90°伴随靶管的结构［3］示于图4，反散射限制光阑和α立体角光阑的设置有利于降低管壁上散射的α粒子进入探测器。在α探测器前放置1μm厚的铝吸收膜，以阻止散射d粒子进入探测器。高压倍加器实际使用155°伴随靶管，但结构与原理与之类似。

图4 90°伴随靶管结构Fig.4 Structure of 90°tube with associated-particle method

根据测量的伴随α粒子计数率n和探测器对靶张的立体角ΔΩ，可获得与入射d束成θ角处单位立体角内的中子注量率为：

式中，A为各向异性因子。

对于器件辐照而言，需获得的是辐照在器件表面上的中子注量率，并非单位立体角内的中子注量率φ（θ，Ed），因此还需添加另一因数——器件相对靶源所成的立体角Ω，它可根据器件与靶的距离d和器件有效面积S计算获得。与入射d束成θ角、距靶d位置处，辐照在器件表面上的中子注量率为：

由式（2）可知，直接影响中子注量率的因素是φ（θ，Ed）和Ω；对于固定的器件，S为常量，因此影响Ω的因素只有器件与靶的距离；再根据式（1），ΔΩ、A分别与实验装置和核反应角分布有关，对于本次实验特定的实验装置和中子能量而言，均是不可变的，唯一可变的是测量的伴随粒子计数率n，而它由中子源强度（即入射氘离子束的流强）决定。由此可知，影响中子注量率的因素主要为入射氘离子束的流强和器件与靶的距离d。

3）单粒子效应测试

对器件进行单粒子效应测试需一套准确、可靠的单粒子效应测试系统，本实验使用的测试系统是针对器件的结构与效应机理研制的大容量SRAM单粒子效应测试系统。系统除具备通常测试系统所具备的SEU测试以及SEL测试、保护功能外，还可通过SRAM的SEU物理分布间接反映实验期间的束流状态，并结合粒子能量、注量等信息绘制截面曲线。

为对大容量SRAM单粒子效应测试系统的准确性、可靠性进行验证，对其进行了重离子实验验证。验证结果表明：系统测得的不同LET离子（Li、C、F、Si、Cl、Ti、Br）辐照下R1LV1616RSA型SRAM器件的截面与文献［4］实验数据在误差范围内一致，且器件的SEU分布均匀，保证了测试系统的稳定性与可靠性。

2 结果与分析

2.1 截面计算

中子单粒子效应截面的计算公式为：

其中：Φ为注量；NSEU为实验测得的单粒子翻转数（SEU数）；C为存储器件的容量。

注量根据半导体探测器的计数Nα、器件与靶的立体角以及器件的面积计算获得：

将Ω与Φ的表示式代入截面计算式，并将常数项统一用A0表示，可得器件翻转截面最终表示为：

2.2 实验结果

按照实验流程，首先在系统和实验板安装后进行离线初始检测，检测结果良好，保证了测试中无其他错误来源；之后进行中子辐照，并对参考芯片进行多次在线测试，实验原始数据与结果列于表2，从初始实验结果可看出参考芯片的实验截面与文献［5］的单粒子效应截面3× 10－14cm2／bit在统计误差范围内一致，可进行下一步实验；最后对16M容量的1＃、2＃芯片（同种芯片）进行辐照，并对其进行在线测试，实验原始数据与结果也列于表2。

在计算每种器件的单粒子效应截面时，还需考虑实验中各测量量的误差（本文只考虑了统计误差），结合式（6）的截面公式与误差传播理论，最终得到的实验单粒子效应截面为：0＃实验，HM628512BLP器件单粒子效应截面为（2.8± 0.4）×10－14cm2／bit；1＃实验，R1LV1616HSA器件单粒子效应截面为（6.7±1.3）×10－15cm2／bit。

2.3 数据分析

HM628512BLP参考芯片的14MeV中子单粒子效应截面为（2.8±0.4）×10－14cm2／bit，文献［5］的同种器件单粒子效应截面约为3×10－14cm2／bit，本次实验结果与文献报道的器件截面在误差范围内一致，验证了实验方法的科学性、可行性以及测试系统的准确性与可靠性。

R1LV1616HSA型号SRAM的14MeV中子实验单粒子效应截面为（6.7±1.3）× 10－15cm2／bit，该器件无文献数据可对比，因此对于该器件的实验结果还需从理论上进行分析。整体思路是由中子单粒子效应的机理可知，中子主要通过与器件材料核反应产生的次级粒子（包括重反冲核和轻出射粒子）沉积电荷，因此若已获得器件的重离子截面曲线，则相当于获得了离子沉积能量大于器件LET阈值的截面，可由重离子截面曲线结合中子与Si的核反应数据反向计算器件的中子单粒子效应截面。经计算，最终得到的器件中子单粒子效应截面为4.3×10－15cm2／bit，实验测得的单粒子效应截面为（6.7±1.3）×10－15cm2／bit，两者在量级上一致，对于R1LV1616HSA型器件的实验结果给出了定性的解释。

表2 14MeV中子单粒子效应实验数据Table 2 Results of 14MeV neutron SEE experiment

3 结论

利用中国原子能科学研究院的高压倍加器装置，选用T（d，n）4He反应产生的14MeV快中子作为辐照源，对HM628512BLP型和R1LV1616HSA型SRAM器件进行中子单粒子效应实验研究。结果表明：HM628512BLP参考芯片的14MeV中子单粒子效应截面为（2.8±0.4）×10－14cm2／bit，文献［5］的同种器件单粒子效应截面约为3×10－14cm2／bit，实验结果与文献［5］的器件截面在误差范围内一致，验证了实验方法的科学性、可行性以及测试系统的准确性与可靠性；R1LV1616HSA型SRAM的14MeV中子实验单粒子效应截面为（6.7± 1.3）×10－15cm2／bit，根据中子单粒子效应的物理机制，结合器件的重离子截面，对该器件的14MeV中子单粒子效应截面理论分析结果为4.3×10－15cm2／bit，两者在量级上一致，对实验结果给出了定性的解释。

［1］ 沈冠仁，关遐令，陈红涛.CIAE 600kV ns脉冲中子发生器介绍［C］∥2001全国荷电粒子源、粒子束学术会议论文集.北京：中国核工业音像出版社，2002：1-8.

［2］ 陈红涛，赵芳.单漂移聚束腔的改进［J］.原子能科学技术，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］ 仲启平，陈雄军，卢涵林，等.伴随粒子法测量T（d，n）4He中子源注量率中的本底处理［J］.原子能科学技术，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）.

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［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 辉（1988—），男，山东泰安人，研究实习员，硕士，粒子物理与原子核物理专业