來自宇宙的“殺手中子”

假如你在高空飛機上使用手提電腦，每隔5個小時就有可能發生一次死機。在未來的10年，在高空飛機上死機的頻率還可能繼續上升為20分鐘一次。而在地面上空曠的野外，使用手提電腦情況也一樣不容樂觀。如果有專家告訴你，是一種來自宇宙深處的射線擊中了你的手提電腦，從而導致死機。這會讓你聽起來有些像天方夜譚里的荒誕故事，但事實的確如此。一顆宇宙微粒經過你身邊時，恰好擊中了你的電腦。

它們能穿墻透壁

當特別劇烈的宇宙事件，如超新星爆炸等發生時，它們所產生的高能粒子到達地球時，會和在離地面幾十千米的氧和氮發生強烈的反應。這些粒子中包括質子、電子、介子和中子。中子會很快擴散到整個大氣中，因為在它們瘋狂存在的10多分鐘里，這些中子將以1/10～3/4的光速向各個方向擴散，其強度隨著海拔的下降而減弱：從10千米高處的每小時每平方厘米1萬個下降到海平面處的每小時每平方厘米10個。這些具有100萬～1億電子伏特能量的中子，能夠穿透建筑物和交通工具，到達所有的電子設備上。在由自然輻射環境產生的諸多微粒中，這些中子才是造成我們地球上90%的電子問題的罪魁禍首。

早在20世紀70年代，在航空領域里科學家已經發現并證實，自然輻射對人造衛星的電子元件有破壞作用，尤其是宇宙射線、重離子更被認為是罪魁禍首。80年代后期，航空電子學專家開始關注自然輻射對飛行安全的威脅。他們發現，來自宇宙的中子確確實實能誘使飛機上的電子設備發生故障。這些中子質量只有1.68×10-24克，它們與質子一起形成原子核。而從2000年來以來，由于晶體管的微型化，這種問題變得越來越突出，情況也越來越糟糕。或許，有人會產生疑問：僅僅一個中子就能干擾像微處理器或電腦內存這樣復雜的電子部件？問題是從2000年開始，情況發生了徹底變化。我們知道“比特”是最基本的信息記錄單位，由0和1來表示。因為從那時起，每1個到達晶體管的中子都有可能使1比特的信息發生改變（如右圖所示）。

各行各業受到威脅

今天，在我們的生活中，使用微電子產品的機會是越來越多了：汽車、火車、電腦、手機、醫療設備、信息服務器、股票交易……

由于中子的流量在高空中更大，所以第一個受到巨大威脅是航天業。“殺手中子”可以以接近光速的速度飛行，這種高能粒子束攜帶的能量，可能比牙醫拍個X光片的輻射劑量大1 000倍，因此其殺傷力巨大。美國宇航局的專家研究后認為，這種“殺手中子”不僅可以對作業宇航員造成過量輻射疾病，還會損害宇航員賴以生存的宇宙飛船的某些部件。它們穿過宇宙飛船外壁后會聚積產生較強的電壓差，進而損害一些敏感的半導體元件。另一種常見的危害是，這種粒子流會影響宇宙飛船太陽能電池的工作，造成飛船供能障礙。

現在，飛機也成為中子危害的主要研究對象，因為在飛機航行的高度，中子流的強度是海平面的1 000倍。國際電子技術委員會為此頒布了許多安全標準，規定每個元件每小時的故障率必須小于10-7。飛機制造商必須安裝1~2套備用機載電子系統。另外，由于無法觀察到中子經過的蛛絲馬跡，因此也無法找到故障的真正原因，于是他們不得不在倉庫里存放大量備用部件和設備——而這些部件和設備常常要積壓大量的資金。

另一個受到巨大威脅的領域是鐵路，因為現在的鐵路機車都使用了大量電子設備來提高行駛速度，其中一些元器件對中子更敏感。這是因為它們的體積更大，要承受的電壓更高、電流更大。最近10多年中，由于這類元件被中子擊中而導致高速列車的機車被拖回工廠修理的情況已屢見不鮮。

現在汽車使用的車載電子系統也越來越多，出現問題的地方也越來越多。如安全氣囊意外打開、制動系統不靈。此外，手機生產商、互聯網服務商和其他一些大的信息網絡也都面臨同樣的問題。在某些情況下，由中子引發的故障和事故明顯地讓人感到擔憂。比如在國外，就發生過心臟起搏器和心顫消除器被中子損壞的事件。中子使這些醫療精密設備變得異常脆弱。總之，全世界所有的電子系統都面臨著這一巨大威脅。

元件微型化是主因

由于宇宙大氣里的中子會嚴重干擾電子產品的電路。無論是電腦、電話還是車載電子設備，沒有什么能夠逃過這些看不見摸不著的微粒侵害，所有家電產品都會受到中子的威脅。而電子元件日益微型化的趨勢，使它們在這一威脅面前顯得越加脆弱。隨著電子元件的微型化，晶體管變得越來越小，能耗變得越來越低，而電荷的轉移也越來越快。隨之而來的后果就是：由于晶體管中用于基礎信息轉換的能量越來越少，目前有的只需幾十飛庫（1飛庫=10-15庫侖）是10年前的1/10。這樣一來，僅僅一個中子所帶的能量就足夠給硅芯片制造紊亂。在最嚴重的情況下，還能造成暫時的短路并且使元件完全熔化。上述原因直接導致電路故障的次數不斷上升，邏輯錯誤的頻率越來越高，甚至到了令人難以接受的地步。這種危害對存儲器顯得尤為突出，因為它是由大量晶體管組成。

現在存儲器的容量越來越大，這就意味著在同等面積上會有越來越多的晶體管，那么它們和中子相撞的可能性也越來越大，如此一來，電路出錯的概率就會大大增加。因之，從統計角度來看，電子設備因此發生故障的頻率將會變得越來越高。即使一個中子每小時只有大約億分之一的機會撞擊到一個晶體管，只有萬分之一的機會使該晶體管遭到破壞，則發生故障的機會就是萬億分之一，很小。但我們知道，每個存儲器由將近10億個晶體管組成，那么，通過計算不難發現，整臺計算機的出錯概率就是每天1次了。如果將這個數字乘以全世界的人每天使用的電子設備的數量，這種情況就不能被忽視了。

解決代價昂貴

不過人們也沒有必要擔憂和驚慌失措，因為與大氣中子有關的問題現在已經弄清楚了，相關的預防措施也已經研究出來。由于水和混凝土中富含氫原子，是最好的抗中子的物質和屏障。所以，最有效的辦法就是在交通工具上覆蓋一層混凝土或是將電子設備浸入水中。不過，這樣一來，這些工具和設備能否正常運轉就是另一回事了。

當然，還有許多比這更實際一些的方法，它們大致可以分為兩類：材料方面的方法和軟件方面的方法。前一類方法是從物理角度降低電子元件對中子的敏感度，比如不同的外觀設計、原子摻雜等。這些都是可行的辦法，但是代價昂貴。后一類辦法研究使用能夠檢測到一定數量的錯誤，并且能直接對它們進行修正的軟件。不過，要檢驗這些方法的有效性還需時日。但不管怎樣，因大氣中子而引起的故障問題已引起人們的注意。對于那些追求“零錯誤”的研究人員和工程師們來說，這是一個越來越棘手的問題。