中能质子单粒子效应试验束流分布及次级中子模拟

陈启明 郭 刚 韩金华 张付强 张艳文 刘建成 赵树勇

（中国原子能科学研究院国防科技工业抗辐照应用技术创新中心 北京 102413）

空间天然辐射环境中存在大量质子，其通量远远高于重离子。研究表明［1］，银河宇宙射线中质子占比约87%，最高能量可达TeV量级；太阳耀斑爆发时释放的辐射粒子中质子占比超过90%，最高能量可达GeV 量级；地球捕获带中内带也以质子为主，最高能量约为几百MeV。航天器在轨运行时，质子入射电子器件会引发单粒子效应，使得电子器件逻辑翻转、功能故障甚至烧毁，严重威胁航天器的在轨可靠性和运行安全。因此，在电子器件选型过程中，需要进行质子辐照试验考核，达到相应指标后方可选用。然而，直接在太空中开展质子辐照试验难度大、耗时长、费用高。以往主要是利用地面加速器产生不同能量的质子束流，通过辐照试验获取器件单粒子效应截面曲线，然后，结合空间质子谱，计算电子器件在空间应用时的单粒子错误率，以此评估质子单粒子效应风险。

国外质子单粒子效应研究经过多年发展，基于质子加速器建成大量的质子单粒子效应试验终端，进行大量的辐照试验，形成了试验方法和标准规范［2−3］。国内由于质子加速器资源有限，且能量较低，质子单粒子效应主要是理论研究，实验研究主要集中在30 MeV以下的低能区。然而，微电子器件质子单粒子效应截面曲线是随质子能量先快速上升然后饱和，一般在100 MeV 附近单粒子效应截面才会趋于饱和，因此100 MeV 以下质子能段的单粒子效应截面数据尤为重要。2016 年基于中国原子能科学研究院（简称原子能院）的100 MeV强流质子回旋加速器（CYCIAE-100），原子能院建成了用于开展微电子器件辐射效应研究的中能质子辐照试验装置，重点关注和着力解决的最主要应用需求就是30～100 MeV 能区质子单粒子效应截面数据的实验测量。目前，基于此装置已经开展了多批次、多类型的微电子器件质子单粒子效应辐照试验研究，也取得了一些成果［4−6］。

CYCIAE-100 直接引出的质子能量在70～100 MeV，束斑直径在1 cm 左右［7］。 为提供70 MeV以下多能量点质子，设计了多层金属组成的降能器；为提供大束斑高均匀性的质子束流，设计了双散射靶进行质子扩束。为保证质子单粒子效应截面测量结果的可靠性，需要对样品辐照平面上质子能量、均匀性等束流品质进行评价。此外，质子从加速器产生，到辐照电子器件，不可避免地会与双散射靶、金属降能片、管道等相互作用，并产生大量次级粒子，其中的次级中子也会引发单粒子效应，从而影响质子单粒子效应截面测量的准确性。本文通过对质子辐照束线进行精确建模，并采用蒙特卡罗方法，模拟计算了器件样品辐照平面上质子的能量分布和束流均匀性，以及次级中子的产额、能谱等，并通过中子质子比分析了次级中子对质子单粒子效应截面的影响。

1 CYCIAE-100质子束流线模型

加速器产生的质子穿过双散射靶（Scattering target）、真空密封片（Vacuum sealing sheetmetal）、二次电子发射监督器（Secondary Electron Emission Monitor，SEEM）、降能器（Energy degrader）、准直器（Collimator）后辐照到样品架（Sample holder）上的器件，剩余质子被束流收集器（Beam dump）收集（图1）。

图1 中，双散射靶由Ta 和Al 组成，用以实现质子束流的扩束及均匀化，具体参数详见文献［8］；降能器由6 片长宽为100 mm×110 mm，厚度分别为13.16 mm、6.58 mm、3.33 mm、1.32 mm、0.88 mm、0.45 mm 的Al 金属片组成，通过自由组合不同厚度Al 片来实现在单能量质子输入情况下，30～90 MeV范围能量内不同能量质子束的快速切换和输出；SEEM通过收集质子与Al膜相互作用打出的二次电子，实现质子束流在线监督，实验前需要利用高精度法拉第筒或其他质子注量探测器对其进行标定；准直器为亚克力板（Polymethyl Methacrylate，PMMA），厚度为100 mm，能够完全阻挡100 MeV质子，长宽尺寸均为300 mm，中心准直孔为100 mm×100 mm。PMMA是高分子化合物，由C、H、O组成，相比于Cu、Al等金属，中高能质子与PMMA相互作用产生的次级中子较少。样品辐照区的中子主要来源于质子与散射靶、降能片组、束流管道等相互作用所产生的次级粒子。

图1 质子辐照束线布局示意图Fig.1 Schematic layout of proton irradiation beam line

2 理论模拟方法

采用蒙特卡罗方法模拟计算CYCIAE-100质子辐照终端的质子分布情况，以及次级中子的产额和分布。

蒙特卡罗（Monte Carlo）方法，又称随机抽样或统计试验方法，属于计算数学的一个分支。蒙特卡罗方法的基本原理：当所要求解的问题是某种事件出现的概率，或者是某个随机变量的期望值时，可以通过某种“试验”的方法，得到这种事件出现的频率，或者这个随机变数的平均值，并用它们作为问题的解。 程 序 选 用MCNP（Monte Carlo N Particle Transport Code），版本MCNP6，MCNP 是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）开发的基于蒙特卡罗方法的用于计算三维复杂几何结构中的中子、光子、电子或者耦合中子、光子、电子输运问题的通用软件包［9−10］。

CYAIAE-100 通过加速器端的能量调节，可实现70～100 MeV 质子的引出。考虑加速器端不同能量调节时间较长，常用模式是加速器端引出100 MeV 质子，然后通过束流线上的降能器实现不同能量的快速调节。模拟过程中，源粒子对应100 MeV 单能质子，束斑为直径10 mm 的面源。结合质子束线模型，考虑双散射靶、降能片组、管道、真空密封片、SEEM、准直器以及空气的影响，共模拟了107个质子入射事件，得到了中子产额、垂直束流线样品辐照平面上的质子能谱和均匀性、中子能谱和均匀性。

3 结果及分析

3.1 质子束流分布

采用100 MeV 质子入射进行模拟，结果归一到单个质子入射情况，得到样品辐照平面上不同能量质子的注量（图2）。 利用高斯拟合（图2 中用GaussFit 表示）将拟合峰中心点能量（图2 中用xc表示）作为质子能量，得到双散射靶在束时质子能量为89.9 MeV，然后1得到80.3 MeV、70.4 MeV、60.7 MeV、50.2 MeV、41.8 MeV 和31.9 MeV能量点的质子束，对应降能器中降能片的厚度分别为5.53 mm、10.79 mm、15.36 mm、19.74 mm、23.07 mm 和25.72 mm。为表述方便，通过取整十，将上述7 个高斯拟合的不同能量质子束表 述 为90 MeV、80 MeV、70 MeV、60 MeV、50 MeV、40 MeV和30 MeV的质子能点。

由图2可知，通过双散射靶和降能器，质子能量降低越多则能量歧离越大。采用高斯拟合峰的半高宽（Full Width at Half Maxima，FWHM）来描述能量歧离，质子能点从90 MeV降低到30 MeV，能量歧离从1.3 MeV增大到4.0 MeV。几个MeV的能量歧离对于单粒子效应截面的影响较小，尤其是单粒子效应截面已饱和的情况。然而，在单粒子效应截面曲线的质子能量阈值点到饱和点之间，是截面随质子能量快速增长的区间，能量歧离则会对单粒子效应截面测量结果带来较大偏差。

图2 质子能谱模拟值及其高斯拟合峰Fig.2 Simulated values of proton energy spectrum and its Gaussian fitted peak

图3给出了样品辐照平面上质子注量随束流半径变化的模拟结果。半径从5 cm到6 cm，质子注量率急剧下降，这是因为所采用准直器的孔径是100 mm×100 mm规格，对质子束斑尺寸具有极强的约束作用。单个质子入射，在样品架上不同距离处，不同能点质子注量大致在10−4量级。CYCIAE-100质子流强范围5 nA～200 μA，因此质子注量率范围可达106～1011cm−2∙s−1，能够满足质子单粒子效应辐照试验的需要。

图3 束流中心不同距离处质子注量分布（样品辐照平面）Fig.3 Distribution of proton fluence at different distances from the beam center (sample irradiation plane)

开展辐照试验，质子束流的均匀性对单粒子效应截面可靠性非常重要，尤其是在多个器件同时辐照，或者器件面积跟束斑大小近似相当的情况下，束流均匀性对试验结果的影响不可忽略。为定量描述质子束流的注量率分布情况，模拟了样品辐照平面，也就是在样品架位置垂直质子束流线的平面上质子的注量率。

质子束流不均匀度采用式（1）描述：

式中：σ(R)表示半径R范围内质子的不均匀度；n表述半径在R范围内注量率模拟了n个点；xi表示第i个点的质子注量率；xˉ表示n个质子注量率的平均值。

模拟了在5 cm×5 cm范围内，间距2 cm，共计25个位置点的质子注量率，即n=25。然后，利用式（1）计算得到不同能点质子束流的不均匀度，质子能点分 别 为90 MeV、80 MeV、70 MeV、60 MeV、50 MeV、40 MeV、30 MeV时，R=5 cm范围内质子不均匀度分别为0.8%、1.2%、2.7%、5.0%、7.6%、8.9%和9.1%。说明在5 cm×5 cm范围内质子束流的不均匀度小于等于9.1%，不同质子能点不均匀度分布在0.8%～9.1% 之间，降能越少质子束流扩束及均匀化的效果越好。

3.2 次级中子分布

考虑双散射靶、降能器、管道、真空密封片、SEEM、准直器以及真空密封片到样品架之间空气的影响，MCNP6 模拟得到中子产额，以及样品辐照平面上中子能谱和中子注量分布。

本文定义中子产额为质子与图1所示束流线上所有部件相互作用所产生的中子。实际模拟计算时，是以坐标轴0点（散射靶1）为圆心，430 cm（将束流收集器全部包含在内）为半径形成一个球壳，统计穿过此球壳的中子数，并归一到单个质子入射，即得到中子产额。模拟得到的中子产额如表1所示，每1个100 MeV 质子约能产生0.11 个中子，将中子能谱分为0～1 MeV、1～10 MeV和10～100 MeV能段，各能段中子占比大致分别为15%、33% 和52%。由表1可知，随着降能片厚度的逐渐增加，质子能量从90 MeV 下降到30 MeV 的过程中，中子产额也逐渐增加，但只增加了约5%，这是因为降能片材质是Al，（p，n）反应截面较小。

表1 不同质子能点下中子产额及各能段中子占比Table 1 Neutron yield and proportion in each energy segment at different proton energy points

在样品辐照平面中心，不同质子能点情况下中子能谱较为一致，均分布在0～100 MeV 范围内，且差别并不显著，为了对曲线进行区分，绘图时将不同曲线进行了一定的平移（图4）。

图4 中子微分能谱模拟值Fig.4 Simulation value of neutron differential energy spectrum

图5给出了样品辐照平面上中子注量随半径变化的模拟结果。相比于质子，准直器的屏蔽效果对中子作用非常有限。单个质子入射，样品辐照平面中子注量大致在10−6量级，且距离束流中轴线0～30 cm 距离内中子注量变化不剧烈，大致在50%范围内。

图5 束流中心不同距离处中子注量分布（样品辐照平面）Fig.5 Distribution of neutron fluence at different distances from the beam center (sample irradiation plane)

通过统计单个100 MeV 质子入射情况下，样品辐照平面上，束流中心半径5 cm圆内的平均中子注量和平均质子注量，计算得到半径5 cm圆内平均中子质子比（表2）。质子能点从90 MeV 到30 MeV，随着质子降能增大，质子注量从6.99×10−2cm−2降低到3.62×10−2cm−2，下降了近一半，中子注量从1.22×10−4cm−2上升到1.44×10−4cm−2，只上升约18%，中子质子比则从0.17%上升到0.4%，上升了1.4倍。由此可知，降能器导致的中子质子比的改变，其中降能器对质子注量的影响更为显著。

不同特征工艺尺寸的电子器件发生中子单粒子效应的中子阈值能量不同。在几十到几百纳米范围内，特征尺寸越小，中子的阈值能量越低。研究表明，特征尺寸150 nm以上的器件发生中子单粒子效应，能量大于10 MeV的中子贡献占主导，而150 nm及以下器件的中子单粒子效应，1～10 MeV中子的贡献则不能忽视［11］。从表2可以看出，只考虑10 MeV以上中子，则不同能点质子束的中子质子比在0.2%及以内，只考虑1 MeV 以上中子，则中子质子比在0.34% 及以内。质子单粒子效应辐照试验，单粒子效应截面测量不确定度主要是受质子注量测量不确定度、束流不均匀度，以及单粒子效应数统计误差等因素影响，质子单粒子效应截面的测量不确定一般都在10% 以上，因此，0.4% 以内的中子质子比给质子单粒子效应截面所带来的误差几乎可以忽略。

表2 不同质子能点样品辐照平面半径5 cm内平均中子质子比Table 2 Average neutron-proton ratio within 5 cm radius at different proton energy points

最后，值得注意的是，通过蒙特卡罗方法模拟得到中子质子比，只考虑质子与束流线上设备的相互作用。而实际上，在散射靶之前，加速器端引出质子也可能会带来的次级中子，以及中子与实验厅墙壁等的相互作用，也会改变样品辐照平面的中子质子比。因此，为验证理论模拟结果的有效性，进一步确定次级中子对质子单粒子效应截面的影响，相应的实验测量也必不可少。目前这些实验也正在设计实施当中。

4 结语

质子束流的能量分布和注量均匀性会影响单粒子效应截面测量的有效性，质子与束流线上双散射靶、降能器、管道等相互作用产生的次级中子也会影响质子单粒子效应截面测量的准确性。通过对CYCIAE-100 质子束流线进行精确建模，采用蒙特卡罗方法模拟计算样品辐照平面上质子和次级中子的能谱和均匀性，以及质子中子比，分析质子单粒子效应束流品质。研究表明：CYCIAE-100可提供7个能量点的质子束流，能量分别为89.9 MeV、80.3 MeV、70.4 MeV、60.7 MeV、50.2 MeV、41.8 MeV 和31.9 MeV，且能量歧离在1.3～4 MeV 之间；CYCIAE-100 质子流强范围5 nA～200 μA，辐照实验质子注量率范围可达106～1011cm−2∙s−1，且在垂直质子束流轴线的样品辐照平面上5 cm×5 cm范围内质子束流的均匀性好于90.9%，满足质子单粒子效应辐照试验对质子注量率的要求；每1 个100 MeV 质子可产生约0.11 个中子，在样品辐照平面，中子能谱分布在0～100 MeV 之间，且10 MeV 以上中子占比约为52%，1～10 MeV 中子占比约为33%，1 MeV以下中子占比约15%；在样品辐照平面直径5 cm范围内，平均中子质子比在4‰以内，如只考虑10 MeV 以上中子，则中子质子比在2‰ 以内，分析认为次级中子给质子单粒子效应截面所带来的误差可以忽略。