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中国散裂中子源在大气中子单粒子效应研究中的应用评估

王勋 张凤祁 陈伟 郭晓强 丁李利 罗尹虹

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中国散裂中子源在大气中子单粒子效应研究中的应用评估

王勋, 张凤祁, 陈伟, 郭晓强, 丁李利, 罗尹虹

Application and evaluation of Chinese spallation neutron source in single-event effects testing

Wang Xun, Zhang Feng-Qi, Chen Wei, Guo Xiao-Qiang, Ding Li-Li, Luo Yin-Hong
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  • 由于缺少可用的散裂中子源, 多年来我国在大气中子单粒子效应方面主要依靠模拟仿真和单能中子试验的方式开展研究. 随着中国散裂中子源(CSNS)通过国家验收, 基于CSNS开展大气中子单粒子效应研究成为可能. 本文利用CSNS反角白光中子源开展多款静态随机存取存储器器件的中子单粒子效应试验, 并与早期开展的高原大气试验结果进行对比, 对CSNS在大气中子单粒子效应研究中的应用进行评估. 结果表明, 相同器件在CSNS反角白光中子源测得的单粒子翻转截面小于大气试验的结果, 且不同器件的翻转截面与特征尺寸没有明显的单调关系. 分析得到前者由于CSNS反角白光中子谱偏软; 后者由于特征尺寸降低导致的临界电荷变小和灵敏体积变小对截面的贡献是竞争关系. 针对截面偏小的问题, 根据能谱差异分析了中子能量阈值对器件翻转截面的影响, 发现能量阈值取12 MeV进行计算时, 器件在CSNS反角白光中子源和高原大气中子环境中能够得到较一致的截面. 研究结果表明CSNS反角白光中子源能够用于加速大气中子单粒子效应试验. 考虑到CSNS的运行功率正在逐步提高, 且多条规划中的白光中子束线与大气中子能谱更为接近, 预期未来CSNS将能更好地应用于大气中子单粒子效应研究.
    Due to the lack of available spallation neutron source, the atmospheric neutron single event effect (SEE) in China were studied mainly by means of simulation and single energy neutron test. Since the Chinese spallation neutron source (CSNS) passed the national acceptance, it has become possible to carry out the research on atmospheric neutron SEE by using the CSNS. In this paper, the neutron SEE experiments of 3 kinds of SRAMs with different feature sizes are carried out for the first time by using the CSNS back-n. The application of CSNS back-n in the study of atmospheric neutron SEE is evaluated by comparing with the results of the earlier plateau experiment. The results show that the cross section of the single event upset is smaller than that of the plateau test, and the cross sections of different devices have no obvious monotonic relationship with feature size. The reason for the former result is that the energy spectrum of CSNS back-n is slightly softer than that of the atmospheric neutron. The reason for the second result is that small feature size means small critical charge and small sensitive volume, and these two factors compete with each other when they make the contribution to the cross section. According to the difference in energy spectrum and cross section among the SRAM devices, a correction factor is proposed to correct the test results based on CSNS back-n. For the difference in energy spectrum, different energy thresholds will produce different ratios between the cross sections by using CSNS back-n and atmospheric neutron. The neutrons of CSNS back-n are mainly concentrated around 1 MeV, which is close to the energy threshold of general SRAM devices. Thus, inaccurate energy threshold estimation will introduce a large error into the cross section of SEU. Thus, the relation between the correction factor and the energy threshold is analyzed. If 12 MeV is selected as the energy threshold to calculate the cross section, more consistent results could be obtained for our DUT in CSNS back-n and atmospheric neutron environment. In a word, the results show that the CSNS back-n can be used to speed up the atmospheric neutron SEE test, but the result should be corrected to evaluate the threat from atmospheric neutron. Fortunately, with the continuous increase of CSNS operating power, the neutron flux and the accelerated factor of CSNS will increase synchronously. Besides, other 3 white light neutron beams are planned in the CSNS project, the planned energy spectra are closer to those of atmospheric neutron. It is expected that the CSNS will be better applied to the study of atmospheric neutron SEE.
      通信作者: 王勋, wangxun@nint.ac.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11690040, 11690043, 61634008)资助的课题.
      Corresponding author: Wang Xun, wangxun@nint.ac.cn
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  • 图 1  CSNS反角白光中子源实验终端布局[28]

    Fig. 1.  Layout of back-n at CSNS[28].

    图 2  CSNS反角白光中子源终端2与羊八井大气中子微分能谱对比

    Fig. 2.  Comparison between the differential neutron energy spectra of CSNS back-n and Yangbajing.

    图 3  CSNS反角白光中子源辐照试验布局示意图

    Fig. 3.  Layout of the irradiation experiment at CSNS back-n.

    图 4  辐照过程中的器件布局

    Fig. 4.  Layout of the devices under test.

    图 5  羊八井大气中子单粒子效应试验 (a)测试场景; (b)测试系统

    Fig. 5.  SEE test in Yangbajing: (a) Test environment; (b) test system.

    图 6  CSNS反角白光中子源与羊八井大气中子SEU截面对比

    Fig. 6.  Comparison of the SEU cross section between the tests in CSNS back-n and Yangbajing.

    图 7  CSNS反角白光中子源与羊八井大气中子微分能谱对比(大于1 MeV部分)

    Fig. 7.  Comparison between the differential neutron energy spectra of CSNS back-n and Yangbajing (above 1 MeV).

    图 8  不同能量阈值相对1 MeV时修正因子的变化关系

    Fig. 8.  Correction factor with different energy threshold compare to 1 MeV.

    表 1  大气中子单粒子效应试验中子源

    Table 1.  Neutron sources for atmospheric neutron SEE experiment.

    中子源中子谱优点缺点相关文献报道
    国外国内
    航空高度环境完全相同无误差环境成本高×
    地面大气环境谱形状相同无误差环境注量率低耗时长×
    散裂中子源谱形状相似能量范围不同能谱范围大注量率高模拟源少×
    单能中子源单能模拟源多成本低需要多个能量点
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    表 2  待测SRAM器件参数

    Table 2.  Parameters of the SRAM devices for test.

    型号制造商容量/bits特征尺寸/${\text{μ}}{\rm m}$工作电压/V
    HM62V8100RENESAS8 M (1 M × 8 bit)0.183
    HM628512BHITACHI4 M (512 K × 8 bit)0.355
    HM628512AHITACHI4 M (512 K × 8 bit)0.505
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    表 3  在CSNS反角白光中子源的SEU测试结果

    Table 3.  Test result of the SEUs in CSNS back-n.

    型号测试图形总容量/bit总注量/n·cm–2有效注量占比/%翻转数(#)翻转截面/cm2·bit–1置信水平/%
    HM62V81000x00H24M2.90 × 10945.733431.02 × 10–1494.6
    0x55H24M2.89 × 10945.733671.10 × 10–1494.8
    0xAAH24M2.89 × 10945.733871.16 × 10–1494.9
    0xFFH24M2.93 × 10945.733421.01 × 10–1494.6
    HM628512B0x00H12M3.12 × 10945.732071.15 × 10–1493.0
    0x55H8M3.84 × 10945.731971.34 × 10–1492.9
    0xAAH12M4.90 × 10945.733031.07 × 10–1494.3
    0xFFH12M1.78 × 10945.731141.11 × 10–1490.6
    HM628512A0x00H12M3.03 × 10945.731761.01 × 10–1492.5
    0x55H12M3.94 × 10945.732621.16 × 10–1493.8
    0xAAH12M2.94 × 10945.732151.27 × 10–1493.2
    0xFFH12M2.93 × 10945.732051.22 × 10–1493.0
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    表 4  在羊八井测得的SEU翻转结果

    Table 4.  Test result of the SEU in Yangbajing.

    型号总容量/bit测试时长/h翻转数(#)翻转率/#·bit–1·h–1翻转截面/cm2·bit–1置信水平/%
    HM62V81008M × 57360851956.67 × 10–125.21 × 10–1498.6
    HM628512B4M × 122151981816.80 × 10–125.31 × 10–1498.3
    HM628512A4M × 6355198765.49 × 10–124.29 × 10–1497.4
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    表 5  不同中子环境中中不同能区的中子占比

    Table 5.  Proportion of different energy bands in different neutron environments.

    中子源中子数占比/%通量/cm2·s–1 (> 1 MeV)
    1—10 MeV10—100 MeV> 100 MeV
    JEDEC(地面)3535305.56 × 10–3
    IEC(12 km)36.537.226.32.43 × 100
    羊八井35.632.132.33.56 × 10–2
    CSNS-back-n @7681.716.81.57.32 × 105 (20 kW)
    CSNS-TS1-41° @20 m502822
    CSNS-TS2-30°4428.527.5
    CSNS-TS2-15°22.62552.4
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    表 6  考虑不同能量阈值时有效注量占比及SRAM器件的翻转截面

    Table 6.  SEU cross section of SRAMs and percentage of effective neutrons considering different energy threshold.

    型号能量阈值/MeV有效注量占比/%翻转截面/cm2·bit–1
    CSNS back-n羊八井CSNS back-n羊八井
    HM62V81000.659.2351.138.50 × 10–154.70 × 10–14
    HM628512B2.526.6138.022.30 × 10–146.43 × 10–14
    HM628512A6.013.4832.163.94 × 10–146.15 × 10–14
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    表 7  能量阈值取10, 12和14 MeV时器件对应的修正因子

    Table 7.  Correction factor for the DUTs with different energy threshold.

    型号不同能量阈值取值时的修正因子
    10 MeV12 MeV14 MeV
    HM62V81001.331.191.05
    HM628512B1.121.000.88
    HM628512A1.040.930.81
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  • [1] 曹嵩, 殷雯, 周斌, 胡志良, 沈飞, 易天成, 王松林, 梁天骄. 中国散裂中子源二期靶站关键部件辐照损伤模拟计算. 物理学报, 2024, 73(9): 092501. doi: 10.7498/aps.73.20240088
    [2] 李培, 董志勇, 郭红霞, 张凤祁, 郭亚鑫, 彭治钢, 贺朝会. SiGe BiCMOS低噪声放大器激光单粒子效应研究. 物理学报, 2024, 73(4): 044301. doi: 10.7498/aps.73.20231451
    [3] 李强, 李样, 吕游, 潘子文, 鲍煜. 中国散裂中子源缪子谱仪及其应用展望. 物理学报, 2024, 73(19): 197602. doi: 10.7498/aps.73.20240926
    [4] 杨卫涛, 胡志良, 何欢, 莫莉华, 赵小红, 宋伍庆, 易天成, 梁天骄, 贺朝会, 李永宏, 王斌, 吴龙胜, 刘欢, 时光. 近存计算架构AI芯片中子单粒子效应. 物理学报, 2024, 73(13): 138502. doi: 10.7498/aps.73.20240430
    [5] 琚安安, 郭红霞, 张凤祁, 刘晔, 钟向丽, 欧阳晓平, 丁李利, 卢超, 张鸿, 冯亚辉. N阱电阻的单粒子效应仿真. 物理学报, 2023, 72(2): 026102. doi: 10.7498/aps.72.20220125
    [6] 傅婧, 蔡毓龙, 李豫东, 冯婕, 文林, 周东, 郭旗. 质子辐照下正照式和背照式图像传感器的单粒子瞬态效应. 物理学报, 2022, 71(5): 054206. doi: 10.7498/aps.71.20211838
    [7] 王德鑫, 张苏雅拉吐, 蒋伟, 任杰, 王金成, 唐靖宇, 阮锡超, 王宏伟, 陈志强, 黄美容, 唐鑫, 胡新荣, 李鑫祥, 刘龙祥, 刘丙岩, 孙慧, 张岳, 郝子锐, 宋娜, 李雪, 牛丹丹, 利国, 蒙古夫. 不同厚度镥样品中子俘获反应实验研究. 物理学报, 2022, 71(7): 072901. doi: 10.7498/aps.71.20212051
    [8] 张江林, 姜炳, 陈永浩, 郭子安, 王小鹤, 蒋伟, 易晗, 韩建龙, 胡继峰, 唐靖宇, 陈金根, 蔡翔舟. 基于中国散裂中子源反角白光中子束线的天然锂中子全截面测量. 物理学报, 2022, 71(5): 052901. doi: 10.7498/aps.71.20211646
    [9] 张奇玮, 栾广源, 任杰, 阮锡超, 贺国珠, 鲍杰, 孙琪, 黄翰雄, 王朝辉, 顾旻皓, 余滔, 解立坤, 陈永浩, 安琪, 白怀勇, 鲍煜, 曹平, 陈昊磊, 陈琪萍, 陈裕凯, 陈朕, 崔增琪, 樊瑞睿, 封常青, 高可庆, 韩长材, 韩子杰, 何泳成, 洪杨, 黄蔚玲, 黄锡汝, 季筱璐, 吉旭阳, 蒋伟, 江浩雨, 姜智杰, 敬罕涛, 康玲, 康明涛, 李波, 李超, 李嘉雯, 李论, 李强, 李晓, 李样, 刘荣, 刘树彬, 刘星言, 穆奇丽, 宁常军, 齐斌斌, 任智洲, 宋英鹏, 宋朝晖, 孙虹, 孙康, 孙晓阳, 孙志嘉, 谭志新, 唐洪庆, 唐靖宇, 唐新懿, 田斌斌, 王丽娇, 王鹏程, 王琦, 王涛峰, 文杰, 温中伟, 吴青彪, 吴晓光, 吴煊, 羊奕伟, 易晗, 于莉, 于永积, 张国辉, 张林浩, 张显鹏, 张玉亮, 张志永, 赵豫斌, 周路平, 周祖英, 朱丹阳, 朱科军, 朱鹏, 朱兴华. 基于CSNS反角白光中子源的中子俘获反应截面测量技术研究. 物理学报, 2021, 70(22): 222801. doi: 10.7498/aps.70.20210742
    [10] 蒋伟, 江浩雨, 易晗, 樊瑞睿, 崔增琪, 孙康, 张国辉, 唐靖宇, 孙志嘉, 宁常军, 高可庆, 安琪, 白怀勇, 鲍杰, 鲍煜, 曹平, 陈昊磊, 陈琪萍, 陈永浩, 陈裕凯, 陈朕, 封常青, 顾旻皓, 韩长材, 韩子杰, 贺国珠, 何泳成, 洪杨, 黄翰雄, 黄蔚玲, 黄锡汝, 季筱璐, 吉旭阳, 姜智杰, 敬罕涛, 康玲, 康明涛, 李波, 李超, 李嘉雯, 李论, 李强, 李晓, 李样, 刘荣, 刘树彬, 刘星言, 栾广源, 穆奇丽, 齐斌斌, 任杰, 任智洲, 阮锡超, 宋朝晖, 宋英鹏, 孙虹, 孙晓阳, 谭志新, 唐洪庆, 唐新懿, 田斌斌, 王丽娇, 王鹏程, 王琦, 王涛峰, 王朝辉, 文杰, 温中伟, 吴青彪, 吴晓光, 吴煊, 解立坤, 羊奕伟, 于莉, 余滔, 于永积, 张林浩, 张奇玮, 张显鹏, 张玉亮, 张志永, 赵豫斌, 周路平, 周祖英, 朱丹阳, 朱科军, 朱鹏, CSNS Back-n合作组 . 基于反角白光中子源次级质子的探测器标定. 物理学报, 2021, 70(8): 082901. doi: 10.7498/aps.70.20201823
    [11] 王勋, 张凤祁, 陈伟, 郭晓强, 丁李利, 罗尹虹. 基于中国散裂中子源的商用静态随机存取存储器中子单粒子效应实验研究. 物理学报, 2020, 69(16): 162901. doi: 10.7498/aps.69.20200265
    [12] 任杰, 阮锡超, 陈永浩, 蒋伟, 鲍杰, 栾广源, 张奇玮, 黄翰雄, 王朝辉, 安琪, 白怀勇, 鲍煜, 曹平, 陈昊磊, 陈琪萍, 陈裕凯, 陈朕, 崔增琪, 樊瑞睿, 封常青, 高可庆, 顾旻皓, 韩长材, 韩子杰, 贺国珠, 何泳成, 洪杨, 黄蔚玲, 黄锡汝, 季筱璐, 吉旭阳, 江浩雨, 姜智杰, 敬罕涛, 康玲, 康明涛, 李波, 李超, 李嘉雯, 李论, 李强, 李晓, 李样, 刘荣, 刘树彬, 刘星言, 穆奇丽, 宁常军, 齐斌斌, 任智洲, 宋英鹏, 宋朝晖, 孙虹, 孙康, 孙晓阳, 孙志嘉, 谭志新, 唐洪庆, 唐靖宇, 唐新懿, 田斌斌, 王丽娇, 王鹏程, 王琦, 王涛峰, 文杰, 温中伟, 吴青彪, 吴晓光, 吴煊, 解立坤, 羊奕伟, 易晗, 于莉, 余滔, 于永积, 张国辉, 张林浩, 张显鹏, 张玉亮, 张志永, 赵豫斌, 周路平, 周祖英, 朱丹阳, 朱科军, 朱鹏. 中国散裂中子源反角白光中子源束内伽马射线研究. 物理学报, 2020, 69(17): 172901. doi: 10.7498/aps.69.20200718
    [13] 鲍杰, 陈永浩, 张显鹏, 栾广源, 任杰, 王琦, 阮锡超, 张凯, 安琪, 白怀勇, 曹平, 陈琪萍, 程品晶, 崔增琪, 樊瑞睿, 封常青, 顾旻皓, 郭凤琴, 韩长材, 韩子杰, 贺国珠, 何泳成, 何越峰, 黄翰雄, 黄蔚玲, 黄锡汝, 季筱路, 吉旭阳, 江浩雨, 蒋伟, 敬罕涛, 康玲, 康明涛, 兰长林, 李波, 李论, 李强, 李晓, 李阳, 李样, 刘荣, 刘树彬, 刘星言, 马应林, 宁常军, 聂阳波, 齐斌斌, 宋朝晖, 孙虹, 孙晓阳, 孙志嘉, 谭志新, 唐洪庆, 唐靖宇, 王鹏程, 王涛峰, 王艳凤, 王朝辉, 王征, 文杰, 温中伟, 吴青彪, 吴晓光, 吴煊, 解立坤, 羊奕伟, 杨毅, 易晗, 于莉, 余滔, 于永积, 张国辉, 张旌, 张林浩, 张利英, 张清民, 张奇伟, 张玉亮, 张志永, 赵映潭, 周良, 周祖英, 朱丹阳, 朱科军, 朱鹏. 更正:中国散裂中子源反角白光中子束流参数的初步测量. 物理学报, 2019, 68(10): 109901. doi: 10.7498/aps.68.109901
    [14] 鲍杰, 陈永浩, 张显鹏, 栾广源, 任杰, 王琦, 阮锡超, 张凯, 安琪, 白怀勇, 曹平, 陈琪萍, 程品晶, 崔增琪, 樊瑞睿, 封常青, 顾旻皓, 郭凤琴, 韩长材, 韩子杰, 贺国珠, 何泳成, 何越峰, 黄翰雄, 黄蔚玲, 黄锡汝, 季筱路, 吉旭阳, 江浩雨, 蒋伟, 敬罕涛, 康玲, 康明涛, 兰长林, 李波, 李论, 李强, 李晓, 李阳, 李样, 刘荣, 刘树彬, 刘星言, 马应林, 宁常军, 聂阳波, 齐斌斌, 宋朝晖, 孙虹, 孙晓阳, 孙志嘉, 谭志新, 唐洪庆, 唐靖宇, 王鹏程, 王涛峰, 王艳凤, 王朝辉, 王征, 文杰, 温中伟, 吴青彪, 吴晓光, 吴煊, 解立坤, 羊奕伟, 杨毅, 易晗, 于莉, 余滔, 于永积, 张国辉, 张旌, 张林浩, 张利英, 张清民, 张奇伟, 张玉亮, 张志永, 赵映潭, 周良, 周祖英, 朱丹阳, 朱科军, 朱鹏. 中国散裂中子源反角白光中子束流参数的初步测量. 物理学报, 2019, 68(8): 080101. doi: 10.7498/aps.68.20182191
    [15] 胡志良, 杨卫涛, 李永宏, 李洋, 贺朝会, 王松林, 周斌, 于全芝, 何欢, 谢飞, 白雨蓉, 梁天骄. 应用中国散裂中子源9号束线端研究65 nm微控制器大气中子单粒子效应. 物理学报, 2019, 68(23): 238502. doi: 10.7498/aps.68.20191196
    [16] 李培, 郭红霞, 郭旗, 文林, 崔江维, 王信, 张晋新. 锗硅异质结双极晶体管单粒子效应加固设计与仿真. 物理学报, 2015, 64(11): 118502. doi: 10.7498/aps.64.118502
    [17] 肖尧, 郭红霞, 张凤祁, 赵雯, 王燕萍, 丁李利, 范雪, 罗尹虹, 张科营. 累积剂量影响静态随机存储器单粒子效应敏感性研究. 物理学报, 2014, 63(1): 018501. doi: 10.7498/aps.63.018501
    [18] 沈飞, 梁泰然, 殷雯, 于全芝, 左太森, 姚泽恩, 朱涛, 梁天骄. 中国散裂中子源多功能反射谱仪屏蔽设计. 物理学报, 2014, 63(15): 152801. doi: 10.7498/aps.63.152801
    [19] 于全芝, 殷雯, 梁天骄. 中国散裂中子源靶站重要部件的辐照损伤计算与分析. 物理学报, 2011, 60(5): 052501. doi: 10.7498/aps.60.052501
    [20] 蔡明辉, 韩建伟, 李小银, 李宏伟, 张振力. 临近空间大气中子环境的仿真研究. 物理学报, 2009, 58(9): 6659-6664. doi: 10.7498/aps.58.6659
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-12
  • 修回日期:  2018-11-21
  • 上网日期:  2019-03-01
  • 刊出日期:  2019-03-05

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