基本介紹
- 中文名：輻射模擬試驗
- 外文名：Radiation simulation test
- 描述：單粒子效應
- 套用：模擬輻射源
- 學科：核物理
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概念
輻射模擬試驗時常利用套用質子直線加速器進行靜態隨機存取存儲器（SRAM）的單粒子效應模擬實驗研究。採用金箔散射法降低質子束流，研製了弱流質子束測量系統，測量散射後的質子束流，實驗測得SRAM質子單粒子翻轉截面為10-14cm2/bit量級。利用重離子加速器和鐦源進行了SRAM的單粒子效應實驗。研究其單粒子翻轉截面與重離子線性能量傳輸（LET）值的關係，得到了單粒子翻轉閾值和飽和截面。實驗表明252Cf 源單粒子翻轉截面與串列加速器的重離子單粒子翻轉截面一致，說明對於SRAM，可以用252Cf 源替代重離子加速器測量單粒子翻轉飽和截面。與中國原子能研究院、東北微電子研究所合作開展了國內首次重離子微束單粒子效應實驗。建立了大規模積體電路重離子微束單粒子效應實驗方法，找到了國產SRAM的單粒子翻轉敏感區。套用14MeV強流中子發生器進行了SRAM 單粒子效應實驗，測得了64K位至4M位SRAM 器件14MeV中子單粒子翻轉截面。用α源進行SRAM單粒子效應輻照實驗，模擬封裝材料中的232Th和238U雜質發射出的α粒子導致的單粒子翻轉。測量α粒子射入SRAM導致的單粒子翻轉錯誤數，計算單粒子翻轉截面和失效率，比較三種器件的抗單粒子翻轉能力，為器件的選型提供依據。並開展了路由器的α粒子輻照實驗，復演了路由器在自然環境中的出錯情況，為路由器的設計改進提供了依據。
輻射模擬
輻射模擬單粒子效應輻射模擬實驗研究進展
單粒子效應是指單個高能粒子入射半導體器件和積體電路，導致器件和電路出現故障的一種現象。根據故障的不同和出現故障的不同機理，單粒子效應分為單粒子翻轉、單粒子閉鎖、單粒子燒毀、單粒子柵穿等十幾種。太空飛行器在空間中飛行，一直處在帶電粒子構成的輻射環境中。空間輻射環境中的高能質子、重離子等都能導致太空飛行器電子系統中的半導體器件發生單粒子效應，嚴重影響太空飛行器的可靠性和壽命。帶電粒子在太空飛行器電子系統中產生的瞬時擾動即使持續時間很短，但對某些套用系統，可能是致命的。微處理器會因為單粒子擾動而中斷正常功能，有可能導致災難性事故。國內外都有因單粒子效應而導致整個衛星報廢的事例，損失巨大。
單粒子效應並非只發生於太空環境中，也發生於大氣環境中。IBM和波音公司的飛行試驗表明，大氣環境中的中子可以導致航空電子器件發生單粒子效應。地球表面的器件也會發生單粒子效應，Fermi Lab的大型計算機系統，包含有160GB的動態存儲器，當被全面監測時，每天大約觀察到2.5次翻轉，相當於7×10-13Upset/ bit·h。2006年度的國際核輻射與空間輻射效應年會的專題報告共分9部分：輻射效應基本原理、器件和積體電路的輻射效應、單粒子效應：器件和積體電路、單粒子效應：機理與模型、輻射劑量學與輻照裝置、加固保證、設計加固、光電子器件和積體電路、空間和地表輻射環境。其中只有單粒子效應占兩部分，而且近期都是這樣；年會共發表研究論文95篇，其中關於單粒子效應的論文52篇，占總數的54.7%。該年會的DATA WORKSHOP交流論文31篇，其中關於單粒子效應的論文有17篇，占總數的54.8%。可見單粒子效應研究是空間輻射效應研究的重點。
質子單粒子效應實驗研究
因為空間中存在大量的高能質子，我們首先進行了高能質子單粒子效應實驗研究。質子輻照實驗是在中國科學院高能物理研究所35MeV質子直線加速器上進行的。該加速器提供的質子束流，平均流強在μA量級，大於單粒子效應所需束流強度五、六個量級。我們採用金箔散射法降低質子束流，既可以成量級地減弱束流，又能充分利用束流。研製了弱流質子束測量系統，用來測量散射後的質子束流。選取三個能量（22、26、30MeV）的質子，對集成度為64K～4M位的SRAM進行了單粒子效應實驗研究。 實驗測得SRAM質子單粒子翻轉截面為10-14cm2/bit 量級，而且隨質子能量的增大而增大。實驗觀察到單個位的硬錯誤及器件功能錯誤。硬錯誤是由於質子產生的重離子引起存儲單元中MOS管的閾值電壓漂移導致的，是總劑量效應的結果。器件功能錯誤是質子輻照使存儲單元外圍電路出錯造成的。
在統計單粒子翻轉數時，我們剔除了單個位的硬錯誤。功能錯誤是當質子累積注量很高時，即對應的總劑量很高時才出現的，出錯機理是總劑量效應。我們在輻照實驗過程中實時監測器件的出錯數，並測量質子束流的強度，因此可以得到每一時刻器件的出錯數和入射質子注量的對應關係。對於單粒子效應，器件出錯數隨著入射質子注量的增加而線性增加。當出現功能錯誤時，出錯數會大增，不再是線性的。我們在計算單粒子翻轉截面時，剔除功能錯誤，只統計錯誤數隨質子注量線性變化的部分，保證單粒子翻轉截面的準確性和可信性。實驗所測單粒子翻轉是由質子產生的次級重離子引起的， 因為其翻轉截面10-14cm2/bit遠小於重離子直接引起的單粒子翻轉截面10-7cm2/bit，二者之差就是質子與半導體材料矽發生相互作用的截面。
重離子單粒子效應實驗
由於空間輻射環境中也存在大量的重離子，並且重離子更容易導致單粒子效應。為此我們利用重離子加速器和鐦源進行了SRAM的單粒子效應實驗，研究其單粒子翻轉截面與重離子線性能量傳輸（ LET）值的關係，並開展了重離子微束單粒子效應實驗研究。
利用中國原子能科學研究院HI-13串列靜電加速器進行重離子單粒子效應實驗。採用金箔散射法降低重離子束流強度；套用金矽面壘探測器準確地測量束流；通過化學腐蝕的方法去掉晶片表面的保護層（聚醯亞氨膜），保證重離子能夠穿透鈍化層等死層，射入器件靈敏區內。
α粒子單粒子效應實驗
用α源進行SRAM單粒子效應輻照實驗，主要是模擬封裝材料中的232Th和238U雜質發射出的α粒子導致單粒子翻轉的加速實驗。根據α粒子的加速實驗結果，結合器件封裝材料中的α粒子發射率，可以給出器件在自然條件下的失效率。對三種存儲器件進行α粒子輻照實驗， 測量α粒子射入SRAM導致的單粒子翻轉錯誤數，計算單粒子翻轉截面和失效率，比較三種器件的抗單粒子翻轉能力，為器件的選型提供依據。並開展了路由器的α粒子輻照實驗，復演了路由器在自然環境中的出錯情況，為路由器的設計改進提供了依據。
SRAM 的 α單粒子翻轉截面和失效率
SRAM 的 α單粒子翻轉截面和失效率電子設備太陽輻射模擬試驗分析與探討
太陽輻射試驗是一種人工模擬環境試驗方法，它模擬產品在地面或較低大氣層中使用或無遮蔽貯存期間暴露在日輻射條件下受到的影響。 在太陽輻射對產品造成的影響中，長波起加熱作用，短波能激發光化學反應。當太陽輻射與溫度、濕度等氣候因素綜合作用時，它的破壞更為明顯。最易發生的是變形、變色、失去光澤、粉化、開裂等表面損壞；同時，其內在的機械性能和電氣性能也會隨之降低，從而使產品失效。
太陽輻射對產品的影響不容忽視，因此，在材料、武器裝備研製和生產中都要安排太陽輻射試驗，以提高或驗證其對陽光暴露環境的適應性。
太陽輻射模擬試驗的分類和選擇
太陽輻射試驗通常分為加熱效應試驗和光化學效應試驗兩類。這兩類試驗雖然使用同樣的太陽光譜，但在試驗目的、套用對象和模擬環境等方面卻不相同，如表1所示。這兩類太陽輻射試驗在不同標準中也各有其特點，有關太陽輻射模擬試驗的標準如下：
表 1 兩類太陽輻射試驗的區別
表 1 兩類太陽輻射試驗的區別（1）國標GB2423.24一81
國標GB2423.24一81的試驗目的是考核電工電子產品和材料在受到地面太陽輻射條件下產生的熱、機械、化學、電等效應及確定其適應性。該標準要求在試驗箱(室)內規定的照射測量平面上得到輻射強度為(11士)1W/m，其光譜能量分布符合表2中規定的太陽輻射。該標準還要求具有規定溫度和濕度，氣流速度應能在(0.1~0.5)m/S範圍內可調。
表 2 國標和 I EC標準規 定 的光譜能量分布及誤 差
表 2 國標和 I EC標準規 定 的光譜能量分布及誤 差（2）國軍標GJB150.7一86
國軍標GJB150.7一86的試驗目的是評定戶外無遮蔽使用和貯存的軍用設備經受太陽輻射熱和光化學效應的能力。該標準有循環熱效應和穩態長期光化學效應兩種試驗程式，兩種試驗程式均要求試驗箱(室)內總輻射強度達到(1120士10)%W/mZ，其譜能分布和容差應滿足表3規定的數值。
表3 國軍標定 的光譜能量分布及容差
表3 國軍標定 的光譜能量分布及容差循環熱效應試驗程式規定了兩種適用範圍不同的太陽輻射日循環：一種是溫度在(30~44)℃範圍內變化的日循環，適用於中國及世界大部分地區使用的產品；一種是溫度在(32~49)℃範圍內變化的日循環，適用於世界範圍內使用的產品。試驗持續時間不少於3天，但不多於7天。試驗時氣流速度保持在(0.25一1.5)m/s。穩態長期光化學效應試驗程式的試驗溫度為49℃，試驗時間分別為10天和56天。進行試驗時要有足夠的冷卻空氣，使試驗樣品溫度不超過自然條件的使用溫度。
試驗模擬設備
太陽輻射模擬設備一般包括模擬設備箱或室、太陽輻射模擬光源系統、環境模擬系統及測控系統。該試驗設備必須具有保持和監測所需要的溫度、空氣流量和輻射度的能力。在保證獲得有效的溫度控制的前提下，空氣流速應保持在(0.25~1.5)m/s之內。試驗箱容積至少應為試驗外殼體積的10倍，太陽輻射光源至少離開試驗樣品的任何表面0.76m，其輻射面積至少應為試驗樣品水平投影面積的4倍。
試驗箱(室)內光源輻射度應達到最大輻射強度1120w/m，並且在樣品上的輻射均勻度應在要求值的士10%以內，太陽輻射強度的測量位置應在光源輻射角與試驗樣品垂直的表面上測量。
太陽輻射模擬技術是考核產品在地面太陽輻射環境條件下貯存、運輸和使用的適應性。我國太陽輻射試驗的試驗設備是近期才剛剛引進的，且數量較少，輔助測試儀器儀表也不配套，同時太陽輻射試驗又是溫濕度和日輻射等因素綜合的試驗，試驗方法、作用機理和效應都比較複雜，因此我國太陽輻射試驗研究尚屬起步階段。
通過對太陽輻射環境中產品影響的研究分析，可以保證設計的產品能適應未來的環境，保證生產的產品保持其設計的耐環境能力，提高它們對環境的適應性及可靠性，同時太陽輻射試驗也是一項試驗周期長、花銷大的試驗，只有不斷收集與戶外實際使用的相關數據，才會使其更有使用價值。
