中国散裂中子源在大气中子单粒子效应研究中的应用评估

由于缺少可用的散裂中子源,多年来我国在大气中子单粒子效应方面主要依靠模拟仿真和单能中子试验的方式开展研究.随着中国散裂中子源(CSNS)通过国家验收,基于CSNS开展大气中子单粒子效应研究成为可能.本文利用CSNS反角白光中子源开展多款静态随机存取存储器器件的中子单粒子效应试验,并与早期开展的高原大气试验结果进行对比,对CSNS在大气中子单粒子效应研究中的应用进行评估.结果表明,相同器件在CSNS反角白光中子源测得的单粒子翻转截面小于大气试验的结果,且不同器件的翻转截面与特征尺寸没有明显的单调关系.分析得到前者由于CSNS反角白光中子谱偏软;后者由于特征尺寸降低导致的临界电荷变小和灵敏体积变小对截面的贡献是竞争关系.针对截面偏小的问题,根据能谱差异分析了中子能量阈值对器件翻转截面的影响,发现能量阈值取12MeV进行计算时,器件在CSNS反角白光中子源和高原大气中子环境中能够得到较一致的截面.研究结果表明CSNS反角白光中子源能够用于加速大气中子单粒子效应试验.考虑到CSNS的运行功率正在逐步提高,且多条规划中的白光中子束线与大气中子能谱更为接近,预期未来CSNS将能更好地应用于大气中子单粒子效应研究.     

随机静态存储器低能中子单粒子翻转效应

 建立了中子单粒子翻转可视化分析方法,对不同特征尺寸（0.13~1.50 μm）CMOS工艺商用随机静态存储器(SRAM)器件开展了反应堆中子单粒子翻转效应的实验研究,获得了SRAM器件的裂变谱中子单粒子翻转截面随特征尺寸变化的变化趋势。研究结果表明:SRAM器件的特征尺寸越小,其对低能中子导致的单粒子翻转的敏感性越高。     

14 nm FinFET和65 nm平面工艺静态随机存取存储器中子单粒子翻转对比

使用中国散裂中子源提供的宽能谱中子束流,开展14 nm FinFET工艺和65 nm平面工艺静态随机存取存储器中子单粒子翻转对比研究,发现相比于65 nm器件,14 nm FinFET器件的大气中子单粒子翻转截面下降至约1/40,而多位翻转比例从2.2%增大至7.6%,源于14 nm FinFET器件灵敏区尺寸(80 nm×30 nm×45 nm)、间距和临界电荷(0.05 fC)的减小.不同于65 nm器件对热中子免疫的现象,14 nm FinFET器件中M0附近10B元素的使用导致其表现出一定的热中子敏感性.进一步的中子输运仿真结果表明,高能中子在器件灵敏区中产生的大量的射程长、LET值大的高Z二次粒子是多位翻转的产生诱因,而单粒子翻转主要来自于p,He,Si等轻离子的贡献.     

纳米DDR SRAM器件重离子单粒子效应试验研究

针对90 nm和65 nm DDR（双倍数率）SRAM器件,开展与纳米尺度SRAM单粒子效应相关性的试验研究。分析了特征尺寸、测试图形、离子入射角度、工作电压等不同试验条件对单粒子翻转（SEU）的影响和效应规律,并对现有试验方法的可行性进行了分析。研究表明:特征尺寸减小导致翻转截面降低,测试图形和工作电压对器件单粒子翻转截面影响不大;随着入射角度增加,多位翻转的增加导致器件SEU截面有所增大;余弦倾角的试验方法对于纳米器件的适用性与离子种类和线性能量转移（LET）值相关,具有很大的局限性。     

静态随机存储器单粒子翻转效应三维数值模拟

针对特征尺寸为1.5 μm的国产静态随机存储器（SRAM）,构建了三维SRAM存储单元模型,并对重离子引起的SRAM单粒子翻转效应进行了数值模拟.计算并分析了单粒子引起的单粒子翻转和电荷收集的物理图像,得到了SRAM器件的单粒子翻转截面曲线.单粒子翻转的数值模拟结果与重离子微束、重离子宽束实验结果比较一致,表明所建立的三维器件模型可以用来研究SRAM器件的单粒子翻转效应. 关键词： 三维数值模拟 单粒子翻转 微束 宽束     

质子辐照作用下浮栅单元的数据翻转及错误退火

本文利用60 MeV质子束流,开展了NAND (not and) flash存储器的质子辐照实验,获取了浮栅单元的单粒子翻转截面,分析了浮栅单元错误的退火规律,研究了质子辐照对浮栅单元的数据保存能力的影响.实验结果表明,浮栅单元单粒子翻转截面随质子能量的升高而增大,随质子注量的升高而减小.浮栅单元错误随着退火时间的推移持续增多,该效应在低能量质子入射时更为明显.经质子辐照后,浮栅单元的数据保存能力有明显的退化.分析认为高能质子通过与靶原子的核反应,间接电离导致浮栅单元发生单粒子翻转,翻转截面与质子注量的相关性是因为浮栅单元单粒子敏感性的差异.质子引起的非电离损伤会在隧穿氧化层形成部分永久性的缺陷损伤,产生可以泄漏浮栅电子的多辅助陷阱导电通道,导致浮栅单元错误增多及数据保存能力退化.     

CSNS反角白光中子源束线控制系统研制

中国散裂中子源(CSNS)反角白光中子源束线主要由中子束窗、中子开关、中子准直器和真空管道等组成。为了保证CSNS反角白光中子源束线安全、稳定、可靠地运行,研制了基于EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System)软件架构的控制系统。该系统主要由中子束窗、中子开关及中子准直器的运动控制系统、真空控制系统和控制室三部分组成,实现了对反角白光中子源束线主要设备的远程监测和控制。测试结果表明,该系统具有稳定可靠性高、人机交互友好的特点,很好地满足了反角白光中子源束线运行的需要。     

铁电存储器中高能质子引发的单粒子功能中断效应实验研究

利用中国原子能科学研究院的中高能质子实验平台,针对两款商用铁电存储器开展了中高能质子单粒子效应实验研究,发现其中一款器件在质子辐照下发生了单粒子翻转和单粒子功能中断.本文主要针对单粒子功能中断效应展开了后续实验研究.首先通过改变质子能量对器件进行辐照,发现单粒子功能中断截面随质子能量的提高而增加.为进一步研究器件发生单粒子功能中断的机理,利用激光微束平台开展了辅助实验,对铁电存储器的单粒子功能中断效应的敏感区域进行了定位,最后发现铁电存储器单粒子功能中断是由器件外围电路发生的微锁定导致的.     

基于蒙特卡洛和器件仿真的单粒子翻转计算方法

文章提出了一种基于蒙特卡洛和器件仿真的存储器单粒子翻转截面获取方法,可以准确计算存储器单粒子效应,并定位单粒子翻转的灵敏区域.基于该方法,计算了国产静态存储器和现场可编程门阵列(FPGA)存储区的单粒子效应的截面数据,仿真结果和重离子单粒子效应试验结果符合较好.仿真计算揭示了器件单粒子翻转敏感程度与器件n,p截止管区域面积相关的物理机理,并获得了不同线性能量转移(LET)值下单粒子翻转灵敏区域分布.采用蒙特卡洛方法计算了具有相同LET、不同能量的离子径迹分布,结果显示高能离子的电离径迹半径远大于低能离子,而低能离子径迹中心的能量密度却要高约两到三个数量级.随着器件特征尺寸的减小,这种差别的影响将会越来越明显,阈值LET和饱和截面将不能完全描述器件单粒子效应结果.     

90nm互补金属氧化物半导体静态随机存储器局部单粒子闩锁传播效应诱发多位翻转的机理

基于单粒子效应脉冲激光实验装置,开展了90 nm互补金属氧化物半导体静态随机存储器的单粒子翻转和闩锁效应实验,并给出了器件单粒子翻转效应位图.实验发现,器件出现了大量的多位翻转和约20 mA的电源电流脉冲.借助器件仿真工具,揭示了器件发生单粒子多位翻转效应的原因.结果表明,器件局部阵列发生单粒子闩锁效应并传播到多个位单元是诱发多位翻转的主要原因.通过对比分析脉冲激光和器件仿真实验结果,发现P/N阱电势塌陷是导致90 nm互补金属氧化物半导体静态随机存储器出现单粒子闩锁传播效应的内在物理机制.     

纳米静态随机存储器质子单粒子多位翻转角度相关性研究

器件特征尺寸的减小带来单粒子多位翻转的急剧增加, 对现有加固技术带来了极大挑战. 针对90 nm SRAM(static random access memory, 静态随机存储器)开展了中高能质子入射角度对单粒子多位翻转影响的试验研究, 结果表明随着质子能量的增加, 单粒子多位翻转百分比和多样性增加, 质子单粒子多位翻转角度效应与质子能量相关. 采用一种快速计算质子核反应引起单粒子多位翻转的截面积分算法, 以Geant4中Binary Cascade模型作为中高能质子核反应事件发生器, 从次级粒子的能量和角度分布出发, 揭示了质子与材料核反应产生的次级粒子中, LET(linear energy transfer)最大, 射程最长的粒子优先前向发射是引起单粒子多位翻转角度相关性的根本原因. 质子能量、临界电荷的大小是影响纳米SRAM器件质子多位翻转角度相关性的关键因素. 质子能量越小, 多位翻转截面角度增强效应越大; 临界电荷的增加将增强质子多位翻转角度效应.     

电离总剂量对纳米SRAM器件单粒子翻转敏感性的影响

电离总剂量（TID）与单粒子效应（SEE）是纳米SRAM器件在航天应用中的主要威胁。随着CMOS工艺的进步,两种辐射效应在纳米SRAM器件中的协同效应出现了一些新现象,有必要进一步开展深入研究。利用γ射线以及不同种类重离子对两款纳米SRAM器件开展了辐照实验,研究了不同辐照参数、测试模式以及数据图形条件下,电离总剂量对单粒子翻转（SEU）敏感性的影响。研究结果表明,γ射线辐照过后,存储单元中反相器开关阈值减小,漏电流增大,导致SRAM存储单元抗翻转能力降低,SEU截面有明显增大;未观察到"印记效应",数据图形对测试结果没有明显影响;多位翻转（MBU）比例无明显变化。     

基于反角白光中子源次级质子的探测器标定

目前国内外的质子标定终端较少,且普遍为单能质子束流.基于中国散裂中子源的反角白光中子源的eV—200 MeV中子能量区间的白光中子束流,以及中子与氢的~1H(n, el)反应,可以获得宽能谱的能量连续次级质子.利用1 GSps采样率、12 bit的波形数字化获取系统采集探测器输出波形信号,通过对波形信号的分析,得到中子及反冲质子的飞行时间,进而得到反冲质子的动能.利用该方法得到的质子,为探测器质子标定等研究提供了新的研究平台.在该研究平台已经开展了带电粒子望远镜的标定实验.研究了CsI (Tl)探测器不同的信号读出方式对望远镜的DE-E二维谱、幅度-质子动能二维谱等粒子鉴别方法得到的粒子鉴别的效果,得到了较优的探测器信号读出方案.该研究为带电粒子望远镜的建设提供了实验依据,也说明了基于反角白光中子源的宽能谱质子标定的可行性.     

纳米静态随机存储器低能质子单粒子翻转敏感性研究

针对65, 90, 250 nm三种不同特征尺寸的静态随机存储器基于国内和国外质子加速器试验平台, 获取了从低能到高能完整的质子单粒子翻转截面曲线. 试验结果表明, 对于纳米器件1 MeV以下低能质子所引起的单粒子翻转截面比高能质子单粒子翻转饱和截面最高可达3个数量级. 采用基于试验数据和器件信息相结合的方法, 构建了较为精确的复合灵敏体积几何结构模型, 在此基础上采用蒙特卡罗方法揭示了低能质子穿过多层金属布线层, 由于能量岐离使展宽能谱处于布拉格峰值的附近, 通过直接电离方式将能量集中沉积在灵敏体积内, 是导致单粒子翻转截面峰值的根本原因. 并针对某一轨道环境预估了低能质子对空间质子单粒子翻转率的贡献.     

累积辐照影响静态随机存储器单粒子翻转敏感性的仿真研究

基于解析分析对比了大尺寸与深亚微米尺度下静态随机存取存储器(static random access memory, SRAM)单元单粒子翻转敏感性的表征值及引入累积辐照后的变化趋势. 同时借助仿真模拟计算了0.18 μm工艺对应的六管SRAM单元在对应不同累积剂量情况下, 离子分别入射不同中心单管时的电学响应变化, 计算结果与解析分析所得推论相一致, 即只有当累积辐照阶段与单粒子作用阶段存储相反数值时, SRAM单元的单粒子翻转敏感性才会增强. 关键词： 累积辐照 单粒子翻转 静态随机存储器 器件仿真     

静态单粒子翻转截面的获取及分类

 为了评估静态随机访问存储器(SRAM)型现场可编程门阵列(FPGA)器件的单粒子效应,寻求单粒子翻转敏感部位,以XCV300PQ240为实验样品,利用重离子辐照装置详细测试了该器件的静态翻转截面,并根据配置存储单元用途的不同,对翻转数据进行了分类。结果表明：SRAM型FPGA的内部存储单元对单粒子翻转效应十分敏感;配置存储器翻转主要由查找表(LUT)及互连线资控制位造成,这两者的翻转占总翻转数的97.46%;配置存储器中各类资源的单粒子翻转(SEU)敏感性并不一致,输入输出端口(IOB)控制位和LUT的单粒子翻转的敏感性远高于其它几类资源,但LUT在配置存储器中占有很大比例,在加固时应予以重点考虑。     

基于热峰模型的单粒子效应模拟研究

单粒子效应是航天电子器件失效的重要原因,研究其物理过程对航天电子器件寿命预测、器件抗辐照加固有着重要的意义。现有的模型多从线性能量沉积的角度来解释单粒子翻转,因此无法解释单粒子效应地面实验模拟过程中的温度效应。建立了一个新模型,从高能带电离子与材料相互作用的物理过程出发,通过解三维的热扩散方程,计算出能量在材料中沉积、交换、扩散,得到电子和晶格温度的空间分布以及时间演化过程。推断出离子辐照过程中导致的自由电子浓度和收集电荷随LET的变化关系。此模型解释了单粒子效应中随着器件温度升高,单粒子效应截面增加的现象。     

中国散裂中子源反角白光中子源束内伽马射线研究

在基于白光中子源的中子核反应测量中,伴随中子束的伽马射线是重要的实验本底之一.本文对中国散裂中子源反角白光中子源的束内伽马射线进行了研究.通过蒙特卡罗模拟,得到了伽马射线的能量分布和时间结构.通过直接测量和间接测量两种方法测得低能中子区的束内伽马射线的时间结构.直接测量实验中,将载6Li的ZnS(Ag)闪烁体探测器置于束流线上,通过飞行时间法直接测量束内的中子和伽马射线的时间结构,并利用波形甄别技术进行粒子鉴别.间接测量法是将铅样品置于束流线上,利用C6D6闪烁体探测器测量样品上的散射伽马射线,从而得到入射伽马射线的时间结构.实验测量结果与模拟结果在12μs—2.0 ms的时间区间内具有较好的一致性.     

中子单粒子效应研究现状及进展

回顾了中子单粒子研究的国内外发展情况,介绍了近几年西北核技术研究所在西安脉冲堆开展的低能中子单粒子效应研究进展。比较了稳态与脉冲工况下中子单粒子效应的异同性;分析了含有SRAM结构器件随着特征尺寸的减小,中子单粒子效应敏感性加剧的物理机制。分析认为目前中子单粒子效应已成为小尺寸大规模互补金属氧化物半导体器件的主要中子效应表现;中子辐射效应研究中,除了位移损伤效应以外还必需重视由中子电离造成的中子单粒子效应。     

准单能中子单粒子效应研究现状

对国际上用于单粒子效应(SEE)研究的准单能中子源进行了相关调研,对产生准单能中子源的7Li(p, n)7Be核反应、装置布局以及表征中子场性质的中子注量率、中子能谱、中子束流轮廓及其均匀性、热中子本底等参数的理论计算及实验测量进行了系统的介绍。进行准单能中子SEE实验要求中子源有较高的中子注量率水平、较大的束流轮廓、较好的束流均匀性以及较低的热中子本底,并且能测量出精确的中子能谱。对准单能中子SEE实验过程以及三种中子SEE截面的尾部修正方法进行了介绍。