用重离子实验数据推算质子翻转截面和轨道翻转率.pdf

第 2 O卷第 1期 2 0 0 3年 3月 原 子 核 物 理 评 论 Nu c l e a r P h y s i c s Re v i e w V 0 1 2 O No 1 M ar 2003 文章 编号 1 0 0 7 4 6 2 7 2 0 0 3 0 1 0 0 6 6 0 4 用重 离子 实验数 据推算质子翻转截 面和轨道翻 转率 张庆 祥 侯 明东 刘 杰 中 国科 学 院近代 物理 研 究所 甘肃 兰 州 7 3 0 0 0 0 摘要 空 间单粒 子辐射环境 主要 由重离子和高 能质子构成 但在地 面利用两种 离子评估 器件单粒 子效应敏感度 成本太 高 因此利用 重离子 实验数 据推 算质 子敏感 参数成 为 一个 非常 活跃 的研 究课 题 利用 B a r a k经验 公式 在 重离子实验获得器件 的 a L E T 值 曲线 的基础 上 计 算 了几种典 型器件 在不 同能量下 的质 子翻转截 面 以及典 型轨道 上质子 引起 的翻 转率 并 同 F oM 方法预示 的质 子翻 转 率进行 了比较 其结 果将对 卫星 电子 系统抗辐 射加 固设计具 有重要参考价值 关 键 词 单粒 子效应 L E T 值 曲线 质子翻 转截面 轨道 翻转率 中 圈 分 类 号 P3 5 4 2 文 献 标 识 码 A 1 引言 空 间的单粒 子辐射环境 主要 由重 离子和 高能质 子构成 因此完整评价 器件 的单粒 子效应 S EE 敏 感度需要用重 离子和高 能质子 两种 离子 但是 由于 经 费以及其 它方面 的原 因 设 计人 员需 要经 常面对 的状 况是只获得 了一种 离子 的实 验数据 研究 人员 一 直在致力于找到 一种模 型在 重离子数据 和质子数 据 之间互相 推算 从质 子数 据推 算重离 子敏感 参数 尚未被广泛接受 研究最 多 的是 基于重 离子 实验 数 据 推算质子翻转截 面 以及轨道 翻转率r 质子引起单粒 子翻转 S EU 的过程可 以分 为两 个 阶段 2 1 能量 沉积 阶段 质 子与硅核反应 的产 物在敏感体积 中沉 积能量 2 电路反 应阶段 即电 子器 件对沉积能量 的响应 质子和重 离子 引起 S EE 的 差 别 主要 在 能 量 沉 积 阶 段 重 离 子 通 过 直 接 电 离 而高能质子 通过核 反应 机 制 电路对 沉 积在 敏 感 区 中能量 的反应 取决 于 电路 自身 的特性 无论是 用重离子获得 的 a LET 线性能量传 输 曲线还是用 高能质子实验得 到 的 a E 能量 曲线 都反 映 了电路 的这种 特性 这也是 二者实验 数据 相互 推导 的重要 依据 高 能质子在敏感 体积 中沉积 的能量 可 以通过 理论计算和 实验两种方 法得 到 虽然在 实验 数据 的 积 累方 面取 得 了一定 的进 展 但是进 展缓 慢 而且 不全面 在 理 论 计 算 中有 代 表 性 的 是 蒙特 卡罗 方 法 而 蒙 特 卡 罗 方 法 中 大 多 数 使 用 核 子 级 联 模 型 3 但该模 型仅在 1 0 0 Me V 以上成 立 为此 在 著名 的 C UP I D模 型 中 加 入 了一 些 限制 条件 使 得 蒙特卡罗方法在 1 0 0 Me V 以下也 可应 用 Ta k a mi 等 4 利用 光 学模 型和 统 计蒸 发 模 型 来 分析 1 0 0 Me V 的反应 产 物 先 用光 学模 型 得 到总 的反 应截 面 再用蒙特 卡罗方法 得到 反 冲能量谱 预计 这 种 方法计 算 的精度 将 随着 核反 应理 论 的发 展 而提高 但 由于涉 及 核 反 应 理 论 某 些 参 数 的调 节 非 常 困 难 因此这些 方法并 没有得 到广 泛 的应 用 高能 质 子在面垒型探测器 中的沉积能量最初 被用来验证 以 上这些模 型 Mc Nu h y等 5 最早 提 出利 用该 能谱 来 计算质子翻转截 面 而 B a r a k等 6 在 更加 完备 的能 谱实验数据 的基 础上 利用 敏感 区厚度 与器件相 当 的探测器 中的沉 积能量谱来 近似高能质子在 敏感 区 中的能量沉 积谱 然 后结 合重 离子数 据 直接 推 出 质子 翻转截 面和轨道翻转 率 该方 法具有 良好 的实 用性 本 文利用 B a r a k最 近提 出的经验 公式 来估算 从 2 k 8 到 5 1 2 k 8几 种 典 型 静 态 存 储 器 S RAM 的质 子翻转截面和轨 道翻转率 牧稿 日期 z 2 0 0 2 0 3 2 1 修改 日期 2 0 0 3 0 1 0 8 基 金项 目 国家 自然科 学基 金 资助项 目 1 9 7 7 5 0 5 8 1 0 0 7 5 0 6 4 作者简 介 z 张 庆祥 1 9 7 1 一 男 汉族 甘肃 通渭 人 博 士 从 事半导 体器 件辐射 效应 研究 维普资讯 第 1期 张庆 祥 等 用 重离 子实验 数据 推算质 子 翻转截 面和轨 道 翻转率 2 L E T值 曲线 以及 We i b u l l 拟 合 参 数 的获 得 我 国从 2 O世 纪 9 O年 代初 开 展 S EE实验研 究 以来 利用 国内的重 离子加 速器 积累 了一批重 离子 S EE的应实验数 据 但 由于到 目前为 止 质 子 S E E 的实验数 据 相对 缺 乏 重 离 子 实 验 数 据通 常 以 L E T值 曲线 的形 式来 表 示 而 a L E T 值 曲线 可 以 用 We i b u l l函数 来 描 述 实 验 获 得 的几 种 器 件 的 We i b u U 函 数 的 拟 合 参 数 如 表1 所 示 表 中 I DT7 1 2 5 6的 数 据 是 利 用 在 兰 州 重 离 子 加 速 器 HI RF L S S C 加 速 的 1 6 Ge V 的 加Ne 1 2 6 Ge V 的 Ar 2 1 Ge V 的 Xe以 及 S F C 加 速 的 1 3 0 Me V 的 Ar 离子 先后通过 四次 实验获得 的 如图 1 所示 其 中 Xe也是 HI RF L迄今 为止加速 的最重 的离子 HM6 2 8 1 2 8以及 HM6 2 8 5 1 2的数据是利 用 北 京串列静 电加 速器 HI 1 3 加 速 的 4 6 8 Me V 的 F 1 1 3 M e V 的 Cl以及 1 3 3 7 M e V 的 B r离 子获得 7 表 1中 同 时 给 出 了 根 据 式 1 得 到 的 a F o M 参数 L 8 a一 M e V mg F O M L o 2 s 2 M e 其 中 L 0 由下 式得到 Lo 2 5一 Lo W 0 2 8 8 表 1 S RA M 的 We i b u l l 拟 合参 数 E ff e v t i v e L E T v a l u e Me V r n g 1 c m 图 1 I DT7 1 2 5 6的 a L E T 值 曲线 3 B a r a k经 验公 式 2 6 5 O 一3 o 0 Me V 的高 能 质 子轰 击 灵 敏 区厚 度 为 2 1 o 0 m 的 EG G Or t e c D 及 X 系 列 的 全 耗 尽 面垒 型探测 器 获得 的能量沉 积谱具 有 指数 衰减 的 形 式 即 g Ep d e 一 3 1 2 其 中 卢是一个 与入 射质子能量 E 灵敏 区厚度 d有 关 的常数 为了与 重离子实验得 到的 a L E T值 曲线 一 致 将 上式 中的沉 积能 量 e 用 L e 代替 其 中 L是反 冲核 的有效 L E T值 lD 是硅 的密度 一般 而 言 器 件的敏感 区厚度 大约为 2 m 若取 d为 2 m 式 3 可以写成 g Ep L 一 Ep e 邱 4 其 中 Ep 一0 1 3 4 9 Ep 单 位 是 Me V mg c m 一 Ep 的单 位 是 Me V 当能量 为 Ep 时 质子 翻转截面为 c rp E p 一 2 4 1 0 l g E p L a L d L 5 其 中 L 是 器 件 的 a L ET值 曲线 的 We i b u l l 函数 c 一 H L e x p1 e x p 一 L 一 a I I 面 I 6 质子 在特定轨道 的翻转率 为 R 一 l f p L a L d L 7 N 宣u 口 o u o 8 维普资讯 原 子 核 物 理 评 论 第 2 0 卷 其 中 L 是该轨道 的有效 L ET值 微分离子强 度 r L 一 2 4 1 0 6 I g E p L f E P d E p 8 J U L 对 某 一 特 定 轨 道 上 的所 有 器 件 而 言是 一 样 的 计 算 表 明 对 于 3 0 0 0 k m 以 下 的 圆 轨 道 L 近 似为 L 一 f o e x p 一 0 2 L 9 是正 比于 轨 道 积 分 离 子 强 度 的 常数 对 于 8 0 0 k m 的极地轨道 太 阳极 大 情形 并 考 虑 1 mm A1 屏蔽 f o 2 5 4 质 子 翻 转 截 面及 轨 道翻 转 率 的推 算 利用式 3 计 算 的几 种 器 件 的质子 翻 转截 面与 能量 的关 系如 图 2所 示 能 量 范 围 从 2 0 Me V 到 3 0 0 Me V 从 图 中 可 以 看 出 在 3 0 Me V 到 1 0 0 Me V 之间 几种 S R AM 的截 面 变化 很 大 在 1 0 0 Me V 以上变化 区域 缓 慢 因此 研 究 质 子 S EE时 质子能量 至少要在 1 0 0 Me V 以上 在 表 2中 将用 B a r a k公式计算 的饱 和截面与 F OM 公 式以及 L a r r y 公式计算 的结果 进行 了 比较 钆 其 中利用 参 数计 算质子饱和截 面的公式 为 一 1 0 从表 中可 以看 出 B a r a k公 式 与 F OM 方 法计 算 的 结果 比较接 近 而 L a r r y公 式 给 出的是饱 和截 面的 上 限 g U 盘 2 芸 0 0 P r o t o n e n e r g y Me V 图 2 利用 B a r a k经验 公式 计算 静 态存 储 器质 子 翻转截 面 表 2 3种 方 法计 算的 质子 饱 和截 面的 比较 c m 用 B a r a k经 验 公 式 推算 的几 种 S RAM 在 8 0 0 k m 极地轨道的 翻转 率 如表 3所 示 同时 给 出了利 用 F OM 方法计 算 的 质子 翻转 率 R一 1 2 0 f F O M 可 以看 出两种 方法的预示 结果也非 常接近 表 3利用 B a r a k经验 公 式 和 F OM 方法 计 算 的 几 种 S R AM 的 翻转 率 的计 算值 日 1 8 0 0 k m 极 地轨 道 I 1 mm Al 屏蔽 太 阳宁静 期 5 结论 质子 翻转截面及轨道 翻转率对于航 天器 电子 系 统 的抗 辐射加 固设计具有 重要 的参考价 值 我 们利 用 HI R F L加速 的重离子 积 累了一批 重离 子单 粒子 效应 的实 验 数 据 1 卜 在 国 内 目前 尚不 具 备 高能 质子 加 速 器 和 质 子 S E E数 据 非 常 缺 乏 的情 况下 借鉴 国外 现有的模 型 逐 步加 以改 进 最 终建 立 自 己的利用 现有的重离子实 验数据推算质 子翻转截 面 和轨道 翻转率 的模 型 就显得 尤 为重要 本 工作在 这方 面进行 了有益 的探 索 维普资讯 第 1期 张 庆祥等 用重 离子 实验数 据推 算质 子翻转 截面 和轨 道翻转 率 6 9 参考文献 1 2 3 3 4 6 3 6 3 7 Edmon d s L D Pr ot o n SEU Cr os s Se c t i o ns Der i v e d f r o m He a v y i o n Te s t Da t a J I EE E Tr a n s Nu d S c i 2 0 0 0 4 7 6 1 7 13 Ba r a k J Emp i r i eal M od e l i ng of Pr o t o n I n d uc e d SEU Ra t e s J I E EE Tr a n s Nu c l S c i 2 0 0 0 4 7 3 5 4 5 Pe t e r s e n E L App ro a c h e s t o Pr o t o n S i n g l e e v e n t Ra t e Ca l c u l a t io n s E J I EEE Tr a n s Nu d S c i 1 9 9 6 4 3 2 4 9 6 Ta ka ni Y S hi r a i s h i F Ga ka T I n ve s t i g a t i on of S i n g l e Eve nt Up s e t S u b j e c t t o P r o t o n o f I n t e r me d i a t e E n e r g y Ra n g e J 1 EEE Tr a n s Nu c l S c i 1 9 9 0 3 7 6 1 9 5 3 Mc Nul t y P J Fa r r e l l G E Tu c ke r W P Pr o t o n i n d uc e d Nu c l e a r Reac t i o n s i n S i l i c o n E J I E EE Tr a n s Nu c l S c i 1 9 8 1 2 8 6 l 4 00 7 Ba r a k J Le v i ns on J Al kk e r ma n A e t a1 A S i mp l e Mod e l f o r C a l c u l a t i n g P r o t o n I n d u c e d S E U J I E EE Tr a n s Nu d Sc i 1 9 9 6 4 3 3 9 7 9 张 庆祥 杨兆 铭 同一 字节 多位 翻转 实验 研究 刀 原 子能 科 学技 术 2 0 0 1 3 5 6 4 8 5 8 P e t e r s e n E L Th e S E U F i g u r e o f Me ri t a n d P r o t o n Up s e t Ra t e Ca l c u l a t i o n s J I E EE Tr a n s Nu d S c i 1 9 9 8 4 5 6 2 55 0 9 3 B a r a k J Re e dRA L a b e l KA Ont h e Fi g u r e o f Me rit Mo d e l f o r S EU R a t e Ca l c u l a t i o n s J I EE E Tr a n s Nu c l S c i 1 9 9 9 4 6 6 1 5 04 1 O Ed mo n d s L D P r o t o n S E U C r o s s S e c fi o n s De r i v e d f rom He a v y i o n Te s t Da t a J I E EE Tr a n s Nu c l S c i 2 0 0 0 4 7 6 1 71 3 1 1 侯 明东 甄红 楼 张庆 祥 等 重离 子 在 半 导 体器 件 中引 起 的 单粒 子效应 刀 原子 核物 理评 论 2 0 0 0 1 7 3 1 6 5 1 2 张庆祥 侯 明东 甄 红楼 等 用 c离子模 拟质 子引 起 的单粒 子效应 刀 原子 核物理 评 论 2 0 0 1 1 8 3 1 6 9 1 3 张庆祥 杨兆 铭 微 处理 器 8 0 C 8 6及 其 外 围芯 片 协合 效 应实 验研究 刀 原 子核物 理评 论 2 0 0 2 1 9 1 7 0 Pr o t o n S EU Cr os s Se c t i o ns a nd Ra t e s De r i v e d f r o m H e a v y i o n Te s t Da t a zHANG Qi n g 7 1 a n g HOU Mi n g d 0 n g LI U J i e Mo d e r n i n s t i t u t e o f P h y s i c s C h i n e s e Ac a d e my o f S c i e n c e L a n z h o u 7 3 0 0 0 0 C h i n a Ab s t r a c t Th e r a d i a t i o n e n v i r o nme n t s c o n c e r n e d wi t h s i n g l e e v e n t u p s e t ma i n l y c o n s i s t o f h e a v y i o n s f r o m c o s m i c r ay a nd l a r ge f l ux pr ot on f r om s ol a r e ve nt s a nd pl a ne t a r y r a d i at i o n b e l t s T he mos t r e l i a bl e c a l c ul a t i o n f or SEE r at e i ndu c e d by pr ot o n a nd he nv y i ons a r e t he wa y t o u s e t he ex pe r i m e nt al l y m e as u r e d d a t a r o s pe c t i v e l y Bu t i t i s t oo e xp e ns i ve t o t e s t d e vi c es w i t h bo t h he a vy i o ns a nd pr ot o ns So i t i s ne c e s s a r y t o de r i ve m ode l s f o r pr e di c t i ng pr ot o n c r o s s s e c t i o ns a nd r a t e s f r o m he a v y i o n t e s t da t a At f i r s t t he he a vy i on t e s t d a t a o f f our