單粒子效應輻照實驗50～500 MeV準單能中子源模擬研究

陳啟明,郭 剛,韓金華,趙樹勇,馬 旭,張 崢,劉建成

(中國原子能科學研究院 國家原子能機構抗輻照應用技術創新中心,北京 102413)

銀河宇宙射線和太陽宇宙射線與地球大氣中的氮氧相互作用產生大量中子,中子入射航空電子系統會引發電子器件發生單粒子效應,進而導致器件出現邏輯狀態改變、功能故障等現象,威脅航電系統的運行可靠性[1]。地面核電站、乏燃料后處理廠等核工業場景中的中子輻射會對視頻監測系統、電子控制系統、作業機器人等的運行可靠性造成影響。隨著半導體技術的進步,器件特征尺寸越來越小、集成度越來越高,輻射敏感性日益增強,中子單粒子效應也越來越受到廣泛重視。為評估器件抗中子單粒子效應的能力,開展地面加速器中子輻照實驗是國內外最常用的手段[2]。通過高能質子轟擊重金屬靶發生散裂反應產生白光中子,可以模擬大氣中子能譜。基于白光中子源的輻照實驗適應于對航電系統抗中子單粒子效應能力的宏觀整體評價,如中國散裂中子源41°束線建設目標就是模擬大氣中子[3]。通過高能質子轟擊輕金屬靶發生核反應產生單能和準單能中子,能譜具有較好的單色性。基于單能和準單能中子源開展輻照實驗可獲得器件中子單粒子效應截面隨能量的變化曲線,不僅可用來預估器件在不同中子輻射環境中的單粒子錯誤率,同時也是研究中子單粒子效應規律和機理的重要手段。

不同能量中子引發器件單粒子效應的截面會存在差異,開展中子單粒子效應實驗研究需要利用多種不同能量的中子束。幾MeV至20 MeV能區內的單能中子主要通過不同的輕離子誘發的二體核反應產生,一般常用于中子單粒子效應實驗的是高壓倍加器D-T反應產生的14 MeV中子[4]。在20 MeV以上能區,一般采用的是7Li(p,n)7Be和9Be(p,n)9B反應[5],且由于更高的入射能量會引發多體散裂過程,因而不僅能獲得準單能中子,其能譜包含單能峰部分,同時還存在低能尾部連續譜。這些尾部中子也能引發單粒子效應,影響中子單粒子效應截面測量的準確性。盡管如此,由于加速器準單能中子源的單能峰中子有較高的占比,可達40%甚至更高,通過尾部中子修正方法將低能連續中子導致的單粒子效應予以修正[6-7],可得到準確的中子單粒子效應截面。

國內尚未對中子單粒子效應截面隨能量的變化關系開展系統性的實驗研究,主要原因是國內適用于開展中子單粒子效應實驗的中子源裝置較少,尤其是長期缺乏20 MeV以上具備多能點引出的準單能中子源。根據國際標準IEC62396-2[8],建議選擇的中子能量至少包含4個能點,前3個是14、50和100 MeV,第4個能點最開始選擇150 MeV,2004年則建議選擇200 MeV甚至更高[9]。14 MeV中子采用高壓倍加器D-T中子源,50 MeV以上則必須采用準單能中子源,實際建設準單能中子源時并不嚴格要求中子能量等于這4個能點,只需在這3個能點附近就能滿足中子單粒子效應截面曲線測量要求,如瑞典斯維德伯格實驗室(TSL)的準單能中子源[10]。中國原子能科學研究院100 MeV質子回旋加速器,通過質子打鋰靶可產生準單能中子,具備提供50 MeV和100 MeV準單能中子的條件,而200 MeV及更高能量準單能中子則需要依托更高能量的質子加速器。因此,本文將開展50～500 MeV準單能中子模擬研究,基于核反應理論計算50～500 MeV質子與7Li核反應在0°出射方向中子的產額及其單能峰產額,基于MCNP程序計算50～500 MeV質子與Li金屬核反應次級中子產額和不同出射方向的中子能譜,分析影響準單能中子產額的各項因素以及中子單色性隨出射角度的變化關系。研究結果將為中子單粒子效應實驗用準單能中子靶、束線和實驗終端的設計,以及中子單粒子效應實驗的開展提供理論指導。

1 準單能中子單能峰模擬

20 MeV以上的準單能中子源主要由7Li(p,n)7Be和9Be(p,n)9B反應提供。由于7Li豐度高(7Li,92.58%;6Li,7.42%),Li金屬又具有較好的導熱性質,且方便做成自支撐靶,因此Li金屬成為準單能中子源靶材料的首選。Be有劇毒,靶制備不易,且相比于7Li(p,n)7Be,9Be(p,n)9B反應的中子強度低約5倍。因此,國內外最常用的中子準單能源均采用質子轟擊Li靶產生。7Li(p,n)7Be反應能為-1.646 MeV,中子產生的閾能為1.881 MeV。入射質子能量在1.9～2.4 MeV時,7Li(p,n)7Be反應只生成基態7Be,即7Li(p,n0)7Be,產生中子為單能中子且截面(300～500 mb)很大。質子能量超過2.4 MeV,產生的7Be可激發至其第1激發態(0.43 MeV),即7Li(p,n0)7Be和7Li(p,n1)7Be同時發生,質子5 MeV以下n1占比不到10%,仍可看作單能中子。當質子能量超過3.68 MeV,打開7Li(p,n3He)4He反應道,是一個三體反應,產生的中子為能量低于單能峰的連續譜。質子超過7.06 MeV,可激發7Be至其第2個激發態(4.55 MeV),更高質子能量甚至激發7Be至第3、4激發態。質子能量再增加,則更多的反應道打開,如7Li(p,2n)6Be。總之,7Li(p,n0)7Be和7Li(p,n1)7Be產生的n0和n1構成p→7Li反應產生的準單能中子譜的單能峰,而其他反應道產生的中子構成能量低于單能峰的連續譜中子。

7Li(p,n)7Be反應在0°方向上n0,1中子的截面最大,開展中子單粒子效應實驗要求準單能中子單色性越高越好,因此選取0°角中子出射方向作為中子輻照源。圖1所示為不同能量質子入射在0°方向上7Li(p,n0,1)7Be反應的截面,可以看到截面是先增大后趨于平緩。

圖1 0°方向7Li(p,n0,1)7Be反應截面[11-12]

0°方向出射的單能峰中子注量率Φ可采用式(1)計算:

Φθ=0(n0,1)=σθ=0(n0,1)Φpρ7Lid7Li

(1)

其中:σθ=0(n0,1)為0°方向7Li(p,n0,1)7Be反應截面;Φp為入射質子流強;ρ7Li為7Li靶的原子密度;d7Li為7Li靶厚度。

圖1為0°方向7Li(p,n0,1)7Be反應截面[11-12],對于50～500 MeV入射質子,截面基本在35 mb/sr附近。對于100 MeV、1 μA的質子束流,轟擊10 mm厚7Li靶,在0°方向上,中子(n0,1)產額為34.9×10-3b×(1×10-6A/1.602 2×10-19A)×0.046 331 b-1·cm-1×1 cm=1.01×1010,在距離靶5 m位置處中子注量率為1.29×104cm-2·s-1。其他能量質子入射,中子注量率列于表1。

表1 50～500 MeV質子入射7Li靶的單能峰中子注量率

2 準單能中子產額和能譜模擬

準單能中子單能峰來自7Li(p,n0,1)7Be反應,然而Li靶制作時均采用天然鋰金屬,因此在進行準單能中子產額和能譜模擬時,采用的是質子與天然鋰相互作用,即Li(p,n)反應。由于高能質子入射Li靶有多個反應道,反應產物種類較多,各產物在不同能量下的反應截面和角分布差異巨大,且實驗截面數據不全,理論計算存在很大困難,而基于隨機抽樣的蒙特卡羅方法能有效地模擬粒子在物質中的輸運過程。因此,針對50～500 MeV的Li(p,n)反應的準單能中子產額和能譜采用蒙特卡羅方法進行模擬計算。在開展中子能譜模擬前,先確定Li靶厚度。質子打Li靶產生準單能中子,Li靶越薄,中子的單色性越好,但是產額也越低,而中子單粒子效應輻照實驗要求中子單色性越高越好,同時中子產額也要求越高越好,在設計Li靶厚度時必須綜合考慮單色性和產額兩個方面。此外,國際上用于中子單粒子效應實驗研究用準單能中子源,其Li靶厚度也主要在1～3 MeV(質子能損)[13]。因此,選擇質子在Li靶中能損為1、2、3 MeV時計算Li靶厚度,并選擇在質子能損2 MeV的Li靶作能譜細化計算,具有代表性和實際參考價值。

圖2為采用SRIM程序[14]計算不同能量質子在Li靶中能損為1、2、3 MeV時分別所對應的Li靶厚度。50～500 MeV質子在Li靶中的能損約為2 MeV時,Li靶厚度分別為4、6、10、13、15、17 mm。

圖2 不同能量質子在Li靶中能損為1、2、3 MeV時的Li靶厚度

采用基于蒙特卡羅方法的MCNP6.1.1b程序進行模擬,MCNP是由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發,用于計算三維復雜幾何結構中的中子、光子、電子或耦合中子、光子、電子輸運問題的通用軟件包[15]。質子能量分別為50、100、200、300、400、500 MeV,Li靶厚度分別為4、6、10、13、15、17 mm時,模擬得到不同出射方向的中子能譜如圖3所示。

a——50 MeV質子轟擊4 mm厚Li靶;b——100 MeV質子轟擊6 mm厚Li靶;c——200 MeV質子轟擊10 mm厚Li靶;d——300 MeV質子轟擊13 mm厚Li靶;e——400 MeV質子轟擊15 mm厚Li靶;f——500 MeV質子轟擊17 mm厚Li靶

由圖3可知,50、100、200、300、400、500 MeV質子入射Li靶,產生的中子能譜是連續譜,能量范圍分別覆蓋0～50、0～100、0～200、0～300、0～400、0～500 MeV,其中單能峰最高點分別出現在46、95、192、294、392、490 MeV,與SRIM計算結果存在一定差距,主要原因是SRIM計算采用連續慢化假設,入射粒子與靶核相互作用采用兩體碰撞描述,能量損失來自彈性能量損失,而在兩次兩體碰撞之間認為入射離子與材料中的電子作用,連續均勻地損失能量。MCNP程序模擬則是采用核數據文件ENDF/B-Ⅶ以及la150n和la150h,沒有核數據的能區則采用核理論模型CEM03.03,包含了核內級聯、預平衡、蒸發、裂變等核反應過程和產物的描述。這兩種方法均存在理論假設,獲得的計算結果的準確性還需進一步實驗驗證。

由圖3還可知,質子能量在50～500 MeV范圍,不同出射方向的中子能譜存在較大差異,在0°～5°方向高能部分中子占比最高,隨著出射角度越遠離0°方向,中子能譜越軟,高能部分降低,低能部分升高,單色性越來越差。主要原因是Li(p,n)反應由直接相互作用過程和復合核作用過程組成,直接相互作用主要是敲出反應機制,其產生中子具有前沖性,中子能量較高,而復合核作用過程主要是蒸發模型產生的蒸發中子,其具有各向同性,中子能量成分以低能中子為主,因此在0°方向中子的單色性最好。采用準單能中子源開展中子單粒子效應,束線必須選擇在中子出射的0°及其附近方向。

不同能量質子轟擊Li靶的中子產額及分布模擬所采用的參數和結果匯總列于表2。質子轟擊Li靶,穿過Li靶后的剩余質子以及產生的帶電粒子會被Li靶后方的清掃磁鐵偏轉至束流垃圾桶,產生的中子經過準直后進入樣品輻照區。考慮到高能中子的強穿透性,一般準直屏蔽裝置厚度可達幾米,因此,計算中子注量率選取距離Li靶5 m處作為典型位置。模擬計算結果表明,當入射質子能量50～500 MeV,質子流強1 μA,Li靶厚4～17 mm(對應約2 MeV質子能損)時,在距靶5 m處的0°出射方向上產生的準單能中子注量率可達104～105cm-2·s-1,單能峰占比約在50%。對于當前質子加速器,質子流強可達幾百μA,因此可用于中子單粒子效應實驗研究的單能峰中子注量率在106～107cm-2·s-1,而一般CMOS工藝的SRAM器件中子單粒子翻轉截面多在10-13～10-14cm2·bit-1范圍[16],預計1 h可出現幾十甚至幾百個效應,能滿足器件抗中子單粒子性能研究和驗證的輻照實驗需求。

表2 不同能量質子轟擊Li靶的中子產額及分布模擬結果

3 結論

準單能中子源是研究中子單粒子效應的重要中子源。基于核反應理論,研究了50～500 MeV質子與鋰相互作用的中子產額及中子單能峰產額,并基于SRIM程序計算了質子在1～3 MeV能損時Li靶厚度隨質子能量的變化趨勢。選取質子能損約為2 MeV時的Li靶厚度,采用MCNP模擬計算了50～500 MeV質子與Li靶核反應次級中子產額和不同出射方向的中子能譜,入射質子能量為50～500 MeV,質子流強為1 μA,靶厚選2 MeV左右質子能損時,在距靶5 m處的0°出射方向上產生的準單能中子注量率可達104～105cm-2·s-1,單能峰占比大于50%。研究結果可為中子單粒子效應模擬實驗源建設和中子單粒子效應實驗研究提供重要指導。