臨近空間大氣中子誘發電子器件單粒子翻轉數值仿真研究

張振力, 蔡明輝, 韓建偉, 張振龍

（1.中國科學院 空間科學與應用研究中心，北京 100190；2.中國科學院 研究生院，北京 100049）

0 引言

臨近空間指離地面高度為20～100 km的區域。近年來，因其在科學研究和經濟上的重要性，已引起了國際上的廣泛關注[1]。大氣中子是臨近空間的主要輻射粒子，并且是這一區域誘發電子器件發生單粒子翻轉最主要的原因，嚴重威脅著臨近空間飛行器安全、可靠地工作[2-3]。20世紀80年代末，IBM和 Boeing公司聯合開展了高空大氣中子誘發器件單粒子效應的飛行試驗研究，試驗結果充分證明了大氣中子能夠誘發器件發生顯著的單粒子效應[4]。隨著器件加工工藝的不斷發展，器件單元尺寸不斷縮小，工作電壓不斷降低，使得器件抵御單粒子效應的能力不斷降低，因此臨近空間大氣中子誘發器件發生單粒子效應的潛在危害也越來越大[5]。

本文研究了臨近空間大氣中子在不同時間、經度、緯度、高度下的能譜，計算結果和國外模型計算結果符合很好。計算了靜態存儲器（SRAM）中的 IMS1601芯片在不同能量各向同性的中子入射下的翻轉截面，計算結果和地面試驗結果符合較好。在國內首次計算出臨近空間任意兩地間飛行器上的 IMS1601芯片的翻轉率，計算結果和國外飛行試驗結果基本符合。

1 計算方法

1.1 大氣中子能譜計算

圖1 大氣中子模型示意圖Fig.1 The model of atmospheric neutron

大氣中子是銀河宇宙線、太陽質子與地球大氣中的氧、氮等元素發生核反應生成的次級粒子。大氣中子仿真計算模型的基本思路如圖1所示[5]。首先計算不同時間下銀河宇宙線和太陽宇宙線質子能譜；然后考慮地磁場對質子的屏蔽作用，計算不同位置的地磁截止剛度，得到不同位置的質子能譜；接著計算不同高度的大氣成分；最后開始計算機仿真計算，得到大氣中子能譜。大氣中子能譜隨經、緯度的變化主要歸因于地磁截止剛度隨經、緯度的變化，隨高度的變化主要歸因于大氣成分隨高度的變化。為了簡化計算，首先用蒙特卡羅軟件 FLUKA[6-7]計算出不同能量的單能質子在不同高度產生的中子能譜，然后計算出地磁截止剛度與經、緯度之間的關系，最后結合不同時間下銀河宇宙線及太陽宇宙線的質子能譜，計算出不同的地磁截止剛度對應的中子能譜。這樣一來輸入時間、經度、緯度、高度就可以計算出該點的中子能譜。輸入時間分3種情況考慮——太陽活動低年、太陽活動高年和太陽質子事件最強當天，太陽質子事件最強當天以1989年10月20日為例。本文的模型可以計算中子能譜的高度范圍是0～100 km，經度、緯度覆蓋全球。

1.2 單粒子翻轉截面計算

敏感體積內產生的次級重離子可以引起單粒子翻轉，敏感體積附近產生的次級重離子也可以進入器件的敏感體積引起單粒子翻轉。中子能量達到150 MeV時，中子誘發器件的翻轉截面達到飽和[10]。為了確定敏感體積附近對單粒子翻轉有貢獻的區域大小，本文對500 MeV的中子與Si反應產生的次級重離子的射程進行了模擬計算，計算結果顯示次級重離子在 Si中的射程絕大多數小于 4 μm。SRAM由多個存儲單元構成，各個存儲單元的單粒子翻轉是相互獨立的。為了節約計算時間，建立模型的時候只考慮一個存儲單元[9]。敏感體積及其附近對單粒子翻轉有貢獻的區域稱為相互作用區，相互作用區可簡化為一個長寬高都比敏感體積的長寬高大8 μm（向兩側各拓展4 μm）的長方體。敏感體積設置為體探測器，用來記錄每一次中子入射產生的所有次級粒子在敏感體積內的總沉積能量。中子單粒子翻轉模型如圖2所示。

圖2 中子單粒子翻轉模型立體示意圖Fig.2 The 3-D sketch of the model of single event upset induced by neutron

翻轉截面hid()Eσ與沉積能量dE之間的關系通常用Weibull函數描述，表達式為

其中：thE為引起翻轉的臨界能量；W為寬度因子；S為形狀因子。

試驗結果顯示，熱中子（中子與周圍介質處于熱平衡狀態，其動能相當于分子熱運動的能量。對于20 ℃，能量為0.025 3 eV）與10B反應也可以誘發單粒子翻轉，但若改進半導體制作工藝，取代半導體中的摻雜元素10B，就可以大大減小熱中子誘發器件的翻轉截面[10]。除熱中子外，10 MeV以下的中子誘發器件的翻轉截面很小，因此本文忽略了能量低于10 MeV的中子誘發器件的翻轉截面。翻轉截面的計算可參考文獻 [11]，本文用GEANT 4軟件[12-13]分別計算了10 MeV、15 MeV、30 MeV、50 MeV、100 MeV、150 MeV的6種能量中子各向同性入射時在敏感體積內沉積能量的積分能譜N(En,Ed)（沉積能量≥Ed的幾率），其中En為中子能量。通過計算可以得到相應的微分能譜N'(E,E)。考慮到芯片對一定沉積能量E具有

n dd翻轉截面σhi(Ed)，則能量為En的中子引起的翻轉截面為

將式(1)帶入式(2)，則得到

具體計算某一芯片的翻轉截面時，可分別先計算10 MeV、15 MeV、30 MeV、50 MeV、100 MeV、150 MeV的6種中子誘發器件的翻轉截面，其他能量的中子誘發器件的翻轉截面采用指數插值的方法獲得。

1.3 飛行過程中單粒子翻轉率的計算

已知飛行航線的前提下，根據中子能譜與經度、緯度之間的對應關系以及翻轉截面與中子能量之間的對應關系，就可以計算出某一芯片在飛行過程中的翻轉率[11]

其中n()Eφ表示航天器在飛行過程中遭遇到的中子全向微分通量。

2 計算結果及驗證

2.1 中子微分能譜和國外模型的對比

本文以太陽活動低年、20 km、北緯89°、東經45°為例計算中子微分能譜，為了驗證結果的正確性，與國外模型 EXPACS進行了對比。EXPACS模型由日本原子能機構開發，得到了廣泛認可[14]。本文計算結果與EXPACS結果如圖3所示，對比發現結果符合很好。

圖3 中子微分能譜對比圖Fig.3 Comparison between differential spectra of neutrons

2.2 翻轉截面模擬計算和地面試驗結果的對比

本文以SRAM器件中的IMS1601芯片為例，計算其翻轉截面隨中子能量的變化關系，具體的器件參數參考文獻[15]、[16]中的數據，如satσ=916 μm2/bit，h=5.5 μm，thE=3.84 MeV，W=13.5 MeV，S=1.2。為了和地面試驗結果進行對比，本文除了計算各向同性入射的中子誘發器件的翻轉截面外，也模擬了垂直入射的中子誘發器件的翻轉截面。文獻[2]報道了 IMS1601芯片的部分中子輻照試驗結果。當中子能量大于50 MeV時，中子誘發器件的單粒子翻轉截面與質子誘發器件的單粒子翻轉截面相當[10]。針對 IMS1601芯片的高能中子的輻照試驗數據缺乏，文獻[15]報道了該器件高能質子的輻照試驗結果。因此將中子的各向同性入射、垂直入射模擬計算結果，中子地面試驗結果與高能質子試驗結果繪制在同一圖中，如圖4所示，對比發現模擬計算結果和地面試驗結果符合較好。

圖4 翻轉截面與中子能量之間的關系Fig.4 Relation between upset cross section and neutron energy

2.3 翻轉率模擬計算和飛行試驗結果的對比

IBM和Boeing公司聯合開展了器件翻轉率的飛行試驗，對IMS1601芯片的翻轉率進行了測試。文獻[2]、[15]報道了飛行試驗的位置和時間，通過數據調研得到1號航線和2號航線的飛行時間為太陽活動低年，3號航線為太陽活動高年[17-18]。本文對 IMS1601芯片的翻轉率進行了模擬計算，計算結果和飛行試驗結果如表1所示。

對比發現結果存在一定偏差。引起偏差的主要原因是翻轉率的計算結果依賴于中子能譜和中子誘發器件的翻轉截面的計算結果，而這兩者都與真實情況存在著差異，最后導致翻轉率模擬計算結果與實際飛行試驗結果的偏差。但這種偏差都在同一數量級內，計算結果仍具有一定可信度。

表1 翻轉率模擬計算與飛行試驗結果對比Table 1 Comparison of SEU rate between simulation and flight test results

3 結束語

本文給出了臨近空間大氣中子誘發器件單粒子翻轉率估算方法，計算出臨近空間任意位置的中子能譜，計算了已知器件參數的IMS1601芯片在各向同性中子入射下的翻轉截面，以及任意兩個臨近空間位置上飛行器的 SRAM 器件的翻轉率。

本文模擬計算得到的翻轉率與國外飛行試驗結果基本符合。盡管存在差異，但這種簡便快捷的計算方法給出的結果仍然是可信的，可為臨近空間航天器的設計、制造及實際飛行提供指導作用。

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