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

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

doi:10.7498/aps.68.20191196

摘要

采用设置和不设置镉中子吸收体两种方式, 利用中国散裂中子源9号束线(CSNS-BL09)对65 nm微控制器进行了大气中子单粒子效应辐照测试. 测试中探测到的效应主要为单位翻转. 测试结果表明, 对于该款微控制器, 热中子引起的中子单粒子翻转占比约65%; 进一步分析表明, 热中子与¹⁰B反应产生的0.84 MeV ⁷Li可能是诱发微控制器单粒子翻转的主要因素.

关键词:

The 65 nm-microcontroller units (MCUs) are being widely used in critical terrestrial tests, and the risk from atmospheric neutron becomes more and more serious. The spallation neutron source contains broad energy spectrum, which is different from the mono-energetic neutron sources, and is the most ideal irradiation source for atmospheric neutron single event effect (SEE). Benefiting from China Spallation Neutron Source (CSNS), the atmospheric neutron SEE in 65 nm-MCUs is tested for the first time at the CSNS 9^th beam line in China. The beam line is locatedin the 46° direction along the proton hitting the target, and the neutron spectrum is achieved to range from meV to 1.6 GeV. The test is conducted in two conditions in order to investigate the influence of thermal neutron. One is that the thermal neutrons are shielded with a 2-mm-thick cadmium slat at the beam ejection hole, and the other is not. The detected effects are single bit upset (SBU) events. 16 SBU events are detected when 5.3363 × 10¹⁷ protons hit the tungsten target without the thermal neutron, and 63 SBU events are recorded in the condition of 7.2131 × 10¹⁷ protons striking the target and thermal neutrons included. Comparing with the high energy neutron (>1 MeV), the SBU events caused by thermal neutron contribute about 65% of the number of total upset events. The test results preliminarily illustrate that the thermal neutrons dominate the 65 nm MCU reliability.

Keywords:

作者及机构信息

1.
西安交通大学核科学与技术学院, 西安　710049

2.
散裂中子源科学中心, 东莞　523803

3.
中国科学院高能物理研究所, 北京　100049

4.
中国科学院物理研究所, 北京　100190

通信作者: 李永宏, yonghongli@mail.xjtu.edu.cn ; 梁天骄, tjliang@ihep.ac.cn

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11575138, 11835006, 11690040, 11690043, 11705216)和广东省科技计划项目(批准号: 2017B090901068, 20170921)资助的课题

Authors and contacts

1.
School of Nuclear Science and Technology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China

2.
Spallation Neutron Source Science Center, Dongguan 523803, China

3.
Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

4.
Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

Corresponding author: Li Yong-Hong, yonghongli@mail.xjtu.edu.cn ; Liang Tian-Jiao, tjliang@ihep.ac.cn

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11575138, 11835006, 11690040, 11690043, 11705216) and the Science and Technology Project of Guangdong Province, China (Grant Nos. 2017B090901068, 20170921)

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参考文献

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施引文献

图 1 半导体中各核素的中子反应截面　(a)与B, Si的同位素的反应截面, 对应中子能量范围10^–11−1 MeV; (b)与¹⁴N, ¹⁶O, ²⁷Al, ²⁸Si, ¹⁸⁴W的反应截面, 对应中子能量范围1−150 MeV

Fig. 1. Cross sections of different energy neutrons interacting with various nuclear atoms in semiconductor: (a) Cross sections of B and Si isotopes, the neutron energy interval is 10^–11−1 MeV; (b) cross sections of ¹⁴N, ¹⁶O, ²⁷Al, ²⁸Si and ¹⁸⁴W, the neutron energy interval is 1−150 MeV.

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图 2 实验束线中子能谱

Fig. 2. Neutron spectrum of the experiments.

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图 3 65 nm MCU散裂中子辐照测试现场图　(a) DUT与出射孔相对位置图; (b)含2 mm厚镉屏蔽体测试现场图; (c)无镉屏蔽测试现场图

Fig. 3. 65 nm MCU neutron test site: (a) The device under test and the 2 cm ejection hole; (b) with 2 mm cadmium shielding; (c) without cadmium shielding.

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图 4 热中子与¹⁰B反应产生次级粒子在不同能量下的LET与硅中射程

Fig. 4. The LET values and ranges of secondary particles from thermal neutrons interacting with ¹⁰B.

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图 5 65 nm MCU内部热中子与¹⁰B反应次级粒子沉积能量示意图

Fig. 5. The sketch of thermal neutron interacting with ¹⁰B in 65 nm MCU.

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表 1 两组辐照下的实验数据

Table 1. The experiment data in two irradiations.

物理量		测试组	对照组
物理量		实验值	实验值	推导值
SBU次数		16	63	46
总质子数/p		5.3363 × 10¹⁷	7.2131 × 10¹⁷	5.3363 × 10¹⁷
中子注量/n·cm^–2	镉上中子	7.6997 × 10¹⁰	1.0703 × 10¹¹	7.9182 × 10¹⁰
中子注量/n·cm^–2	热中子	1.2585 × 10⁸	1.0062 × 10¹⁰	7.4440 × 10⁹

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[17]	曹明中, 王福元, 汪根时, 宋德瑛, 陈桂英, 阮景辉. 金属氢化物LaNi4.5Mn0.5Hx的热中子非弹性散射谱. 物理学报, 1985, 34(5): 689-693. doi: 10.7498/aps.34.689
[18]	阮景辉, 成之绪, 陈桂英. 金属氢化物(AlH3)n的热中子非弹性散射谱. 物理学报, 1981, 30(4): 538-541. doi: 10.7498/aps.30.538
[19]	陈桂英, 成之绪, 吴享南, 阮景辉. 钯氢的热中子非弹性散射. 物理学报, 1980, 29(2): 257-259. doi: 10.7498/aps.29.257
[20]	陆挺, 阮景辉, 李竹起, 萨本豪, 董秀芳. 氢化锆中氢的热中子散射总截面. 物理学报, 1975, 24(3): 210-214. doi: 10.7498/aps.24.210

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