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大气辐射环境效应及其试验方法标准分析陈宇;李明;陈雪晴【摘要】本文在对大气辐射环境及其对航空电子设备危害影响调研分析的基础上,针对JESD 89A、EIAJ EDR-4705、IEC 62396-2、IEC 62396-5、RTCA DO-160方法2X等国外现行航空电子设备大气辐射试验相关试验标准,对比分析各标准的试验目的、适用对象、适用范围以及试验方法、试验用的辐射源,了解各标准的特点,并对大气辐射诱发的单粒子效应试验程序和试验数据处理方法进行了深入研究,得出国外大气辐射试验方法涉及的技术已趋于成熟,鉴于航空电子设备受大气辐射影响越来越突出的事实,提出针对国内辐射源情况制定国内大气辐射试验方法标准的建议.【期刊名称】《环境技术》【年(卷),期】2018(000)0z1【总页数】7页(P195-200,205)【关键词】大气辐射;单粒子效应;航空电子设备【作者】陈宇;李明;陈雪晴【作者单位】航空工业综合技术研究所,北京 100028;航空工业综合技术研究所,北京 100028;航空工业综合技术研究所,北京 100028【正文语种】中文【中图分类】V520引言宇宙射线进入大气层中与大气的氮、氧原子发生核反应产生的混合复杂电离辐射环境，其主要由带电粒子与不带电粒子构成，包括电子、质子、中子、π介子及μ子等粒子，其中，中子是主要的组成部分，航空高度遭遇的大气中子辐射环境较地面恶劣得多。
大气中子入射半导体器件诱发各种扰动或损伤现象，这种现象被称之为单粒子效应，大气中子单粒子效应会导致航空电子设备发生数据错误、丢帧、自动复位、功能丧失及死机等故障现象。
随着航空电子系统复杂性的不断提高以及器件特征尺寸的不断减小，大气辐射环境对航空电子设备的影响逐渐显现，大气中子诱发单粒子效应导致重大事故的案例亦是屡见不鲜，例如2008年10月7日当地时间9:32，一架A330型飞机由新加坡飞往澳大利亚佩斯，机载大气惯性基准单元（ADIRU）间歇输出错误数值，2分钟后飞控主计算机操纵飞机俯仰，这一事故导致119名乘客和乘务员受伤，其中12人受重伤，澳大利亚运输安全局（ATSB）调查小组的评估分析报告显示ADIRU故障诱因直指单粒子效应。
《中子单粒子效应》阅读札记1. 中子单粒子效应概述中子单粒子效应是原子核物理中的一个重要现象，它涉及到中子在吸收或发射一个或多个能量等于或接近于中子能级的粒子后，发生的各种核反应。
这种效应在重核素附近尤为显著，因为这些核素的中子共振线非常宽，能够吸收和发射多个中子。
在中子单粒子效应的研究中，中子束的应用非常关键。
通过精确控制中子束的能量、强度和束流寿命，科学家们可以研究不同种类和能量的中子与原子核的相互作用，从而揭示中子单粒子效应的复杂性和多样性。
中子单粒子效应在核能利用、核医学和核武器安全等领域也具有重要的应用价值。
在核反应堆中，中子单粒子效应可能导致燃料棒的损伤和失效；在核医学领域，中子单粒子效应可用于肿瘤治疗和药物研发；而在核武器安全方面，对中子单粒子效应的理解有助于评估核武器的可靠性和安全性。
随着实验技术的不断进步和理论模型的不断完善，中子单粒子效应的研究将继续深入发展，为相关领域的科学研究和技术应用提供有力的支持。
1.1 什么是中子单粒子效应中子单粒子效应是指在中子与物质相互作用的过程中，单个中子对物质系统产生的直接或间接影响。
这种效应主要源于中子的独特性质，包括其穿透能力强、与物质相互作用复杂等特点。
中子单粒子效应在许多领域都有重要的应用和研究价值，特别是在核物理、材料科学、辐射防护等领域。
在核物理领域，中子单粒子效应对于理解原子核结构、核反应机制以及核能应用等方面具有重要意义。
在中子与原子核的相互作用中，单个中子可以引起核态变化，产生级联反应等，这些效应对于核能的利用和核武器的研制都具有关键作用。
在材料科学领域，中子单粒子效应对于材料性能的影响也非常显著。
中子具有强大的穿透能力，可以深入到材料内部，与材料中的原子发生相互作用，引起材料的物理和化学性质变化。
这对于材料改性、辐射加工、材料辐射稳定性研究等都具有重要意义。
在辐射防护领域，中子单粒子效应的研究也至关重要。
了解中子对生物组织的作用机制，评估中子辐射的生物效应，对于核能设施的辐射安全、核事故应急处理等方面都具有重要意义。
质子和中子的结构和相互作用首先，我们来看质子的结构。
质子由三个更基本的粒子组成，即夸克。
夸克是一种基本粒子，它们有六种不同的“味道”，分别是上夸克、下夸克、奇夸克、反奇夸克、顶夸克和底夸克。
质子由两个上夸克和一个下夸克组成。
夸克之间通过强相互作用力相互束缚在一起，内部的相互作用力使得夸克不能单独存在。
除了夸克以外，质子还由周围的粒子组成的光长控制其运动。
中子的结构与质子类似，也由三个夸克组成。
不同的是，中子由两个下夸克和一个上夸克组成。
同样地，夸克之间通过强相互作用力相互束缚在一起，而中子周围还有粒子组成的光层。
接下来，我们来讨论质子和中子之间的相互作用。
质子和中子之间的相互作用主要是通过强相互作用力进行的。
强相互作用力是一种非常强大的力，可以保持夸克之间的束缚关系。
夸克之间通过交换介子和胶子粒子来传递强相互作用力。
介子是一种由夸克和反夸克组成的复合粒子，胶子则是传递强相互作用的介质粒子。
此外，质子和中子还受到电磁力的相互作用。
质子带有正电荷，因此会受到其它带电粒子的电磁力作用。
而中子是电中性的，所以在电磁力的作用下不会发生相互作用。
这也是为什么质子和中子在电磁场中有不同的行为。
最后，还有一种名为弱相互作用的力在质子和中子之间起着重要作用。
弱相互作用是一种相对较弱的力，它不仅在质子和中子之间起作用，还与其它粒子的转换和衰变过程相关。
弱相互作用主要通过交换弱相互作用粒子来传递力量。
综上所述，质子和中子作为构成原子核的基本粒子，它们的结构和相互作用是非常复杂和多样的。
它们由夸克组成，通过强相互作用力相互束缚在一起。
同时，质子和中子还受到电磁力和弱相互作用的相互作用影响。
这些相互作用力的存在使得原子核的稳定性成为可能。
深入了解质子和中子的结构和相互作用有助于我们对原子核物理的理解，也为原子核研究和应用提供了基础。
物理学中的质子与中子相互作用分析在物理学中，质子和中子是构成原子核的两种基本粒子。
它们之间的相互作用对于理解核反应、核聚变以及核能的产生和释放等核物理过程至关重要。
本文将对质子与中子相互作用进行分析。
1. 质子和中子的基本性质质子和中子都是核子，质子的电荷为正电荷，质子和中子的质量相近。
质子的质量约为1.67262192 × 10^-27 千克，中子的质量约为1.674927471 × 10^-27 千克。
这两种粒子的质量差异很小，但对核反应和核能释放起到了至关重要的作用。
2. 核力和强相互作用质子和中子之间的相互作用主要是通过核力实现的，核力也被称为强相互作用。
核力是一种很强的作用力，主要作用于质子和中子之间以及中子和中子之间。
核力的范围很短，只在相互作用的粒子之间起作用。
质子和中子之间的核力非常重要，它使核子能够聚集在一起形成稳定的原子核。
3. 核的结构和质子-中子比例在原子核中，质子和中子以不同的比例存在。
质子数决定原子的化学性质和元素的特性，而中子数对于原子核的稳定性和重量起到重要作用。
对于大多数原子核来说，质子和中子的数量差异很小，但对于较大的原子核，中子的数量通常比质子多。
4. 同位素和中子俘获同位素是质子数相同、中子数不同的原子核。
质子和中子相互作用的一个重要例子是中子俘获。
中子俘获是指中子被原子核吸收并形成新的原子核的过程。
在这个过程中，中子的能量被释放，同时质子和中子的数量可能有所改变。
中子俘获是核反应和核聚变的重要机制之一。
5. 核子波函数和核模型质子和中子之间的相互作用可以通过核子波函数来描述。
核子波函数是描述质子和中子在原子核中的相对位置和运动的数学表达式。
核模型是对原子核内部结构的理论描述，通常采用壳模型、液滴模型或块状模型等。
这些模型试图解释原子核的稳定性、形状、能级结构等现象，其中质子和中子之间的相互作用起到了至关重要的作用。
总之，质子和中子之间的相互作用是核物理学研究的重要内容。
铁电存储器中高能质子引发的单粒子功能中断效应实验研究佚名【摘要】利用中国原子能科学研究院的中高能质子实验平台,针对两款商用铁电存储器开展了中高能质子单粒子效应实验研究,发现其中一款器件在质子辐照下发生了单粒子翻转和单粒子功能中断.本文主要针对单粒子功能中断效应展开了后续实验研究.首先通过改变质子能量对器件进行辐照,发现单粒子功能中断截面随质子能量的提高而增加.为进一步研究器件发生单粒子功能中断的机理,利用激光微束平台开展了辅助实验,对铁电存储器的单粒子功能中断效应的敏感区域进行了定位,最后发现铁电存储器单粒子功能中断是由器件外围电路发生的微锁定导致的.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2018(067)023【总页数】7页(P226-232)【关键词】铁电存储器;中高能质子;单粒子功能中断效应【正文语种】中文1 引言1.1 铁电存储器的抗辐照背景铁电存储器(ferroelectric random access memory,FRAM)作为新型半导体存储器中的一种,与传统的随机存储器(random access memory,RAM)不同之处在于断电后能继续保持数据.它与市场上的静态随机存储器(static random access memory,SRAM)可以实现替换,可以说是SRAM和FLASH存储器最好工艺的结合[1].相较于Flash,FRAM具有更高的读写次数,更快的读写速度以及超低的功耗[2].FRAM具有高达10万亿次的读写循环,是标准电可擦可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memory,EEPROM)的100万倍,写入速度为EEPROM的76倍,而功耗却只有EEPROM的3%.FRAM的工艺由铁电薄膜技术与互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工艺结合而成,采用具有自发极化特性的钙钛矿材料作为存储介质[3−6],使得存储单元不受辐射环境中产生电荷波动的影响,从而具有优良的抗辐照性能[7,8].所有的这些优点使得FRAM自诞生之日起就在航天航空应用领域成为热门.在国内,FRAM重离子单粒子效应的相关研究已经开展.辜科等[9,10]对1 M的FRAM进行了不同种类重离子的实验研究,得到了该器件发生单粒子翻转(single event upset,SEU)的线性能量传递(linear energy transfer,LET)阈值和单粒子翻转截面以及发生单粒子闩锁的LET值并利用TCAD工具对存储单元的翻转进行了仿真;Zhang等[11]对一款4 M商用FRAM进行了重离子辐照,发现了至少六种单粒子效应,并确定是由外围电路的异常造成的.在复杂的空间辐射环境中,质子分布广泛并占据很大的比例,如宇宙射线中80%为高能质子,太阳风中95%是质子,极光辐射和范·艾伦辐射带的内带中也存在着大量质子[12].因此,对质子源引发的单粒子效应进行实验研究具有重要的意义.由于之前国内并无中高能质子加速器,所以目前国内对于FRAM质子单粒子效应方面的研究仍处于空白.直到近年来中国原子能科学研究院的中高能质子加速器成功出束,这方面的工作才得以开展.1.2 国外的工作2008年NASA在印第安纳大学对型号同为FM22L16的商用FRAM进行了地面质子辐照测试,发现了两种单粒子效应:单粒子翻转(SEU)和单粒子功能中断(singleevent function interrupt,SEFI),并得到了图1所示的SEU翻转截面随质子能量变化的趋势[13],但是并未对SEFI现象进行深入分析.2010年2月,NASA在首颗快速、经济可承受科学技术卫星(fast and af f ordable science and technology satellite,FASTSAT)上搭载一款商用FRAM进行在轨测试(辐照环境主要是质子),在一年的在轨测试时间内并未发现有单个或多个字节的翻转[14].作为新型非易失性存储器,FRAM在质子辐照下发生的单粒子效应也与传统SRAM有所不同:SRAM在相同能量质子辐照下会产生SEU[15,16],而FRAM则会产生SEU和SEFI.对比NASA的地面质子辐照测试,发现实验现象一致,但NASA对于FRAM的SEFI的研究并未深入.在实验中我们发现,SEFI出现的频率较高(如图4所示),甚至器件的失效是由SEFI引起的.所以SEFI对FRAM在质子辐照环境下正常工作状态造成的影响不可忽视,本文使用100 MeV以下的质子束流对FRAM的SEFI进行了实验.图1 不同质子能量下FRAM SEU翻转截面[13]Fig.1 .SEU cross section of FRAM verses dif f erent proton energy[13].2 实验2.1 实验器件及设备本实验选用两款产自Cypress公司的商用FRAM,型号为FM28V100和FM22L16,它们的特征尺寸分别为90 nm和130 nm,容量为1 M和4 M,后者的存储单元工艺结构为2T2C,前者未知.实验平台采用中国原子能科学研究院自主研发的100 MeV质子回旋加速器,如图2所示.它可以产生100 MeV以下的质子束流,利用降能片来实现能量的降低,通过法拉第筒进行注量率的测量,二次电子监督器对注量进行束流监督.通过束流诊断,确定中子质子比小于千分之一,束流的空间均匀性大于75%.这样的质子束流可以认为是稳定可靠的,并且能够满足本实验的要求.实验中选择90,70,50和30 MeV的质子能量,实际注量率为6.9×106p/(cm2·s).由于FRAM 的累计失效剂量高达280 K·rad(Si)以上[17,18],辐照过程中每只器件所接受的质子总剂量远远小于失效累计剂量的80%,可以忽略总剂量效应对本实验的影响.图2 中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器Fig.2 .100 MeV proton cyclotron of China institute of atomic energy.2.2 测试系统实验所用的测试系统如图3所示,测试板由ARM(advanced RISC machine)模块,FPGA(f i eld-programmable gate array)模块及电源模块组成.ARM模块接收上位机发送的配置信息及测试命令,并将这些命令解析后发送给FPGA模块,FPGA 模块输出存储器的控制时序,通过I/O接口将操作命令及控制时序信息传递给器件,对器件进行存取操作.器件读出的信息通过I/O口反馈给FPGA模块,FPGA模块分析比较器件是否发生了效应并记录这些数据,依次传递给ARM模块和上位机,使其显示并存储这些信息.图3 FRAM测试系统示意图Fig.3 .Illustration of FRAM testing system.在上述能量点下,根据器件的数据位数,分别向FRAM中填入棋盘式数据格式55或5555,然后在质子束流辐照的过程中对器件进行动态和静态的测试.动态测试通过测试系统在质子辐照过程中实时地从FRAM中读出数据,并和之前写入的棋盘式数据进行比较来判断是否发生了数据错误.静态测试在质子辐照过程中不进行读出操作,辐照结束后才开始读出数据判断是否发生了单粒子效应(single event ef f ect,SEE).2.3 实验结果与分析在上述参数的束流辐照下,FM28V100型FRAM未观察到任何单粒子效应,但是FM22L16型FRAM在辐照过程中发生了一些单粒子效应:当质子束流打开时,测试系统立刻监测到大量的瞬态错误,这些错误每隔几个周期会短暂消失,接着又重新出现(如图4所示),束流停止后器件中留下极少甚至是没有留下错误.将这个过程中发生的SEE详细地分为4种,如表1所列.动态测试中当质子注量累计较低时,器件发生软SEFI,SEU和多位翻转 (multiple-bit-upset,MBU)效应,而随着注量累计增加,器件发生了硬SEFI效应,无法读出器件的SEU和MBU信息,此时断电操作不能使器件恢复正常,视为器件发生了失效.在静态测试过程中,累计注量低时未检测到SEE,累计注量高时,发现了硬SEFI效应.在两个月后对器件进行加电测试,所有发生硬SEFI的FRAM功能恢复正常,此时可以读出器件的SEU与MBU信息.图4 FRAM在质子辐照过程中的SEFI现象Fig.4 .SEFI phenomenon of FRAM using proton irradiation.功能中断截面计算公式为其中δ为功能中断截面;n为功能中断发生时测试系统回读的错误个数;Φ为质子的注量.根据上述公式计算出功能中断截面并进行比较,发现由SEFI造成的错误截面随着质子能量的增加而增加,如图5所示(由于多只器件的失效,未能准确给出30 MeV能量下的截面数据).表1 FRAM在质子辐照过程出现中的SEETable 1 .SEE happened using proton irradiation for FRAM.效应表现Soft SEFI DUT(device under test)在测试周期中检测到大量的瞬态错误,束流停止后也消失Hard SEFI DUT在测试周期中检测到大量的瞬态错误,束流停止后不会消失SEU DUT中留下单个字节的错误,可通过重写恢复MBU DUT中留下多个字节的错误,并且错误地址连续,可通过重写恢复图5 FRAM的SEFI截面随质子能量的变化Fig.5 .FRAM SEFI cross section verses dif f erent proton energy.2.4 SEFI效应机理探索该实验中,器件SEFI效应在质子辐照环境下出现的频率较高,并且硬SEFI导致FRAM失效.SEFI对FRAM造成的影响不可忽视.为了更进一步地探索FRAM中的SEFI敏感区,使用西北核技术研究所的脉冲激光单粒子模拟装置对FM22L16存储器进行实验,使用波长为1064 nm的激光脉冲,对器件的版图从背部进行全面扫描[19].如图6所示,从版图左下角每隔25µm入射一个激光脉冲,每秒入射两个脉冲,激光的能量为5 nJ,一直到版图的右上角结束.在激光扫描的过程中对FRAM预先写入数据再进行动态的回读测试,并同时观察测试过程中是否会出现错误,一旦有SEFI 效应发生,立刻停止激光扫描,并记录下该点坐标,然后继续测试.结果发现激光脉冲在器件的整个外围电路中扫描(图6中A,B区域)均能够引起SEU 效应,存储阵列C区内的激光脉冲不能引发任何单粒子效应,能够引发SEFI效应的区域只有在外围电路中的某一块区域,如图6中B区红点所示.需要指出的是,脉冲激光的直径远远小于图中红点的直径,红点表示SEFI敏感区所在的范围,并非单一点.另外当激光能量小于5 nJ时,可被监测的敏感点个数减少,而激光能量大于5 nJ时,可被监测的敏感点个数增加.在FRAM的电源输出端串联一个100 Ω的分压电阻,利用高频示波器监测波形,结果发现在使用激光微束造成器件SEE时,伴随着每次SEFI的发生,器件的电源输出端都能捕捉到一个微电流的产生(如图7所示),并且在该SEFI过程中的所有出错地址均是连续的.显然FRAM的外围电路才是其SEE敏感区,而红点所在区域是器件SEFI敏感区.FRAM的外围电路基于传统的CMOS工艺加工而成,而集成电路中CMOS工艺易受辐射环境的影响[20−22],特别是缓存器和寄存器,受到辐射环境的影响会导致短暂的读写错误,甚至是功能中断[23].图8(a)所示是一个简化的可控硅电路原理图,Vdd和Vss通过寄生电阻分别与PNP和NPN双极管的基极相连,寄生电阻的存在使其通常保持在关闭的状态,但是当任何一个双极管基极的偏置增加时,电路中流动的电流会增大.一旦双极管的电流增益大于1,电路中的电流再生,直到两个双极管饱和,此时由于流过可控硅结构的电流过大,实际上改变了硅的有效掺杂状态,使其阻值变低[24].图6 FM22L16 FRAM中的SEFI敏感区域Fig.6 .SEFI Sensitivity area ofFM22L16 FRAM.图7 伴随SEFI效应产生的电流波Fig.7 .Electric wave of FRAM accompanied with SEFI.图8 (a)电子电路中寄生的可控硅结构;(b)简化的可控硅原理图Fig.8 .(a)Silicon controlled rectif i er parasitic in digital circuits;(b)simplif i ed silicon controlled rectif i er .在本实验的辐射环境中,质子带一个单位的正电荷,由于其原子质量很轻,所以在物质中的穿透能力较强.当能量低于3 MeV的质子入射到电子器件中时,会通过直接电离的方式在硅中沉积出电子-空穴对,改变电子器件的逻辑或工作状态,这在纳米级尺寸的器件中表现较为突出[16].而本实验选择的中高能质子穿透器件时,库仑力对质子的阻碍能力减弱,此时质子主要与材料物质发生核反应生成重离子和其他次级粒子,重离子带有更多单位的正电荷,并且原子质量较重,穿透能力较弱,会在相对较短的路径中通过直接电离的方式,产生电子-空穴对.而对激光脉冲而言,激光入射器件时,光子被材料吸收,沿着其入射方向电离出电子-空穴对[25],这与低能质子及重离子的直接电离过程十分相似.辐照环境产生的载流子的积累会使得CMOS工艺中的可控硅结构打开,图8(b)所示为电子电路中的可控硅结构示意图,电子空穴对在衬底中被Vss至Vcc的内部电场所收集,电流流过内部寄生衬底电阻时,基极的偏置增大,电路中流动的电流会增大.如果偏置足够高,可控硅结构被触发进入电流再生模式,器件发生单粒子锁定,测试系统对器件失去控制,直到给器件断电,并重新加电才能恢复正常[26,27].在本实验中SEFI发生时,测试系统并未对器件失去控制,因此可以认为可控硅结构中未达到电流增益状态,而是发生了微锁定现象,此时寄生可控硅结构中有电流流过,PMOS管和NMOS管的开关作用失效.FRAM的数据读取和写入过程的顺利执行是有外围电路中的寄存器参与的,这些寄存器中有命令寄存器和地址寄存器,用来响应电路外部传入的命令代码和地址信号.在外围电路的寄存器发生微锁定时,产生了如图7所示的微小电流,其持续的时间为激光或质子在材料中产生的电子-空穴能够维持可控硅结构的寄生二极管中基极正向偏置的时间.在这个时间内,寄存器无法响应,FRAM的读出功能失效,测试系统回读出大量的错误,当这个时间结束后,电流消失,寄存器恢复正常,测试系统读出正确的数据,上一个周期中读出的错误消失,直到下一次微锁定发生时这种情况再次出现,如图4所示.随着质子能量的增高,通过核反应产生的次级重离子种类和能量也增加,在硅衬底中电离出的电子-空穴对随之增加,外围寄存器发生微锁定效应的时间越长,测试系统回读的错误数越多,导致FRAM的功能中断截面随着质子能量的增加而增加.在NASA对Intel生产的微处理器理器(microprocessor)、协处理器(coprocessor)、集成外围(integrated peripheral)的辐照效应研究中,发现其中某一个部分发生SEU均会导致其他两个部分随之发生SEE,推测这是由于各部分的总线连接造成的[28].因此认为,外围电路中发生的微锁定电流,通过总线的连接可以在器件的输出端被观测到,如图7所示.3 结论本文对两款商用FRAM开展了质子单粒子实验研究,通过比较两款器件在质子辐照下的表现,发现特征尺寸对FRAM的SEE敏感性的影响与传统SRAM不同,虽然FM28V100的特征尺寸比FM22L16小,但FM28V100在90 MeV以下的质子能量辐照下未发生SEE,反而是特征尺寸较大的FM22L16出现了SEE.这是因为FM28V100的容量比FM22L16小,外围电路面积也比后者小,导致SEE敏感单元(如寄存器)在版图布局中的比例小,在相同的质子辐照环境下未发生SEE.利用不同能量的质子束流对FRAM进行辐照,FM22L16型FRAM在30—90 MeV的质子能量下均能检测到SEFI效应,并且器件SEFI截面随着质子能量的增加而增加.通过激光微束的辅助实验,发现器件发生SEU效应的敏感区分布在整个外围电路中,而器件发生SEFI的敏感区只分布在外围电路中的某一块区域.本文认为外围电路中参与读写过程的寄存器在辐照环境下发生了微锁定,使其在读取数据的过程中失效,导致数据读取失败.与单粒子锁定现象不同,微锁定产生的电流未超过FRAM的正常工作电流(15 mA),可以自主恢复.这个电流持续的时间决定了FRAM的功能中断截面的大小.最后利用高频示波器在激光脉冲辐照器件时,对FRAM的输出电流进行同步采样,发现伴随着SEFI效应的发生,输出端会俘获到一段瞬态电流,为器件发生SEFI效应机理提供了支撑.参考文献【相关文献】[1]Dahl B A,Cruz-Colon J,Baumann R C,Rodriguez J A,Zhou C,Rodriguez-Latorre J,Khan S,San T,Trinh T 2015 IEEE Radiation Ef f ects Data Workshop(REDW)Boston,MA,USA,July 13–17,2015 p1[2]Zhou Y C,Tang M H 2009 Materials Review 23 1(in Chinese)[周益春,唐明华 2009材料导报23 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万方数据 万方数据 万方数据航天器环境工程２００７年第２４卷２５４ｃｍ，工作区域为１５．２ｃｍ×２５．４ｃｍ。
如果试验安装板大于２５．４ｃｍ×２５．４ｃｍ，则板不能旋转，但也能使用。
一般试验最多可安装２０个器件。
束流密度范围一般是Ｉｏｚ～１０ｃｍ。
·ｓ～，注量一般是１０３～１０”ｃｍ｜２，所以试验时间为１０～１０３ｓ。
束斑直径西２～３０ｍｍ。
样品板安装机构照片如图１。
图１ＢｓＥｕＴＦ设各样品板安装机构图Ｆｉ９１Ｍｏｕｎｄ“ｇｓａｍｐＩｅｓｔｏｔｌｌｅ鲫ｐｌｅｈｏＩｄｅｒｉｎｔｈｅＢｓＥｕ耶Ｆａｃｎ崎（２）ＬＢＬ（ＬａｗｒｅｌｌｃｅＢｅｒｋｅｌｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ）的回旋加速重离子单粒子效应辐照设备ＬＢＬ的２．２４ｍ回旋加速设备把回旋加速器与ＥｃＲ离子源组合起来。
ＥｃＲ离子源提供荷质比相近的混合离子；回旋加速器本身作为质量分析器分离各种离子，从而实现不同离子的切换，使被辐照器件在几分钟内改变ＬＥＴ值。
束流强度改变主要通过在ＥＣＲ源出口加各种散射板获得，变化范围达９个数量级。
辐照束斑可调范围毋１～１０ｃｍ。
提供重离子的ＬＥＴ值范围０．０ｌ～９８Ｍ“，·ｃｍ２／ｍｇ，质子能量变化范围１～５５Ｍｅｖ。
Ａｅｍｓｐａｃｅ公司在该设备终端建立了一个专门做ＳＥＥ试验的靶室。
（３）ＴＡＭＩＪ（ＴｅｘａｓＡ＆ＭＵＩｌｉｖｅｒｓ时）回旋加速器重离子单粒子效应试验设备ＴＡＭｕ的ＳＥＥ试验设备提供重离子的ＬＥＴ值范围是０．０ｌ～９３．４Ｍｅｖ·ｃｍ２／ｍｇ。
离子切换时间一般小于ｌｈ。
通过磁散焦、薄膜散射磁扫描技术，器件得到很均匀的辐照，束流调节范围达几个数量级。
设备配备较精密的束性能测试系统。
辐照过程可实现程序化全自动控制。
设备提供各种计算机接口，并且提供用户单粒子效应监测软件包。
３．１．２高能质子辐照试验设备最近，高能质子在复杂器件中产生的单粒子翻转和锁定日益引起研究关注。
微电子器件重离子推导质子单粒子效应截面不同计算方法比较研究张付强; 韩金华; 沈东军; 郭刚【期刊名称】《《真空与低温》》【年(卷),期】2019(025)006【总页数】5页(P387-391)【关键词】空间错误率预估; 重离子单粒子效应; 质子单粒子效应【作者】张付强; 韩金华; 沈东军; 郭刚【作者单位】中国原子能科学研究院核物理研究所国防科技工业抗辐照应用技术创新中心北京 102413【正文语种】中文【中图分类】V520.6; O4830 引言宇宙辐射导致的单粒子效应（SEE）是微电子器件可靠性研究方向中的重要课题之一[1-2]。
航天器搭载的各类微电子器件通常需要先在地面进行单粒子效应考核实验，再将考核实验结果结合空间轨道的辐射环境计算得到在轨错误率，以此作为依据，评判器件在实际应用中的可靠性。
航天器在轨运行面临的宇宙辐射环境主要由超新星爆炸产生的重离子，太阳活动产生的质子，地球捕获带重离子、质子组成，因此目前以NASA及ESA为代表的发达国家及地区宇航组织指出，宇航用微电子器件单粒子效应考核需要评估器件在重离子和质子两种辐照条件下的响应。
重离子单粒子效应的主要机理在于重离子入射后，其能量直接沉积于微电子器件的敏感区中，诱发电子空穴对的产生，使微电子器件的正常工作状态发生改变，通常器件的重离子单粒子效应采用σ-LET（Linear Energy Transfer）曲线进行描述，其中σ表示器件的单粒子效应截面，LET表示重离子在材料单位长度上沉积的能量。
不同于重离子，质子单粒子效应的主要机理在于质子入射到器件后，与器件中的各种材料发生核反应产生次级粒子，而次级粒子在器件敏感区中进行能量沉积产生电子空穴对，导致器件正常工作状态的改变。
质子单粒子效应截面采用σ-E曲线进行描述，其中σ为器件质子单粒子效应截面，E为质子的能量。
可以认为重离子单粒子效应的机理属于质子单粒子效应机理的一个子集，由此为利用器件的重离子单粒子效应截面推算质子单粒子效应截面提供了理论基础。
微纳级SRAM器件单粒子效应理论模拟研究随着国家航天事业的发展和战略需求的增加，半导体器件的抗辐射性能问题受到了广泛的研究，而单粒子效应作为影响宇航器件可靠性的关键因素已引起了越来越多关注。
当今主流工艺的半导体器件均为微纳级尺寸，其对单粒子效应的敏感性也随之增加。
而传统的单粒子效应抗辐射可靠性工程中的多种因素在一定程度上受到了质疑且需要进一步考察，尤其是经典模型中微纳级器件由于集成度原因带来的新问题(比如：边缘效应变得严重等)，以及粒子特性和器件特性与单粒子效应相互依赖关系。
本文基于理论模拟的研究和微纳级器件的新特点，对微纳级SRAM器件单粒子效应的微观机理及其多种影响因素展开了深入而系统的研究。
主要的研究内容与成果如下：(1)构建了适用于不同特征尺寸SRAM器件单粒子效应评估的多功能程序MUFPSA (Multi-Functional Package for SEEs Analysis)。
基于Monte Carlo模拟的开源软件GEANT4，给出了对粒子特性、器件特性、作用过程等可变参量的单粒子效应分析工具。
其主要功能特点在于结合了经典RPP模型、粒子入射器件几何单元后电荷扩散与收集模型、器件几何结构灵活性与多变性、SRAM阵列单元多样性和单粒子多位翻转的探测与图形记录等。
运用MUFPSA程序可实现对航天元器件抗辐照特性部分功能的预评估以及对测试结果的分析和理论指导。
(2)量化了微纳级SRAM器件中灵敏单元尺寸对单粒子翻转效应的影响与其边缘效应引起的能量沉积差异性。
研究了灵敏单元尺寸与单粒子翻转效应预估模型的关系，计算并分析了粒子入射后的电荷产生、漂移和扩散等过程，探讨了由漏斗效应衍生出的‘漏斗长度’是否应当作为一个关键的修正参数引入经典模型。
另外，对沿器件横纵方向上尺寸变量下的边缘效应引起的能量沉积信息差异性进行了定量研究与定性分析。
研究结果表明，a）宇航半导体器件的在轨翻转率计算对器件灵敏区体积尺寸参数具有较为强烈的依赖性。
