质子、中子引发单粒子效应的区别与等效性研究

Based on the proton/neutron SEE (single event effect) mechanism, a new prediction model of the proton/neutron SEE cross sections will be developed, and the related experimental tests and revision will be performed. With this model, we can predict the complete proton and neutron SEE cross section curves over the 1~300 MeV range, from which the differences and equivalence of protons and neutrons in SEEs can be seen. We will determine what the differences are in the low energy region, and the incipient equivalent energy and to what extent they are equivalent. Further on, we will reveal the physics behind the differences and equivalence at three different levels, i.e., the proton and neutron nuclear reaction cross sections in silicon, the characteristics of species, yields, energies, ranges, and LETs of reaction products, and the LET spectrum of reaction products. Our research is very important for the in-depth understanding of the proton/neutron SEE mechanism, and the research results are of great value for the SEE rate prediction of the microelectronic devices in the spacecrafts, aircrafts and near space vehicles.

本项目将基于质子/中子单粒子效应机制，建立或发展一种新的质子/中子SEE截面预估模型，并对其进行实验验证和相关修正。选取恰当SRAM器件，利用该模型预测其在1~300MeV能区内的质子、中子SEE截面曲线，进而对质子、中子引发单粒子效应的区别和等效性进行系统的研究，明确二者在低能区的具体区别并确定二者在什么能量之上等效以及在多大程度上等效。此外，本项目将从质子、中子与半导体材料Si的核反应截面、核反应产生的次级粒子的（种类、产额、能量、射程、LET等）特点、次级粒子LET谱等三个不同的层次揭示这些区别和等效性产生的物理原因。本项目对于深入理解质子/中子单粒子效应机制具有重要意义，其研究结果对于航天器、航空器和临近空间飞行器中微电子器件的单粒子效应错误率预估具有重要应用价值。

随着航天、航空事业的快速发展，质子、中子单粒子效应（Single Event Effects, SEEs）对其造成的危害日益受到重视。质子、中子均通过与半导体材料的核反应引发单粒子效应，进行相关等效性研究不仅能够加深人们对单粒子效应的理解，也可提供一种单粒子效应的等效研究方法，对于航天、航空等领域的微电子器件SEE错误率预估具有十分重要的意义。本项目根据质子、中子单粒子效应机制建立了一种基于重离子SEE截面预估质子和中子SEE截面的理论预测模型，选取4款不同特征尺寸的SRAM器件进行质子、14MeV中子和白光中子SEU实验等及文献中相关实验数据证实了其可靠性。利用此模型对4款器件的质子、中子SEU截面在1~1000MeV能区内随能量的变化趋势进行了研究，进而对质子和中子引发单粒子效应的等效性进行了研究。对1~1000MeV能区p+Si和n+Si核反应产生的次级粒子的种类、产额、能量、射程、LET等特点及差异进行了系统化研究，据此对质子、中子SEE截面随能量变化的趋势及二者等效关系进行了物理解释。研究发现，质子、中子SEU截面会在30MeV左右达到最高值，之后呈下降趋势，整体上与p、n+Si核反应截面的变化趋势相一致，在达到最高值后并未保持不变，这打破了传统的认知。研究发现，在低能区（20MeV以下），中子SEU截面与质子有较大区别，且中子SEU截面大于质子；在较高能量处（30MeV以上），中子和质子SEU截面较为接近；在更高能量处（~200MeV以上），中子SEU截面略小于质子。总体上，可以认为中子和质子在30MeV以上能区是等效的。另外，本项目提出了一种预测器件在白光中子场中的SEE错误率的方法，经白光中子SEE实验证实其是可靠的，可以用于大气中子SEE错误率评估。