单粒子效应辐照实验50～500 MeV准单能中子源模拟研究

陈启明,郭 刚,韩金华,赵树勇,马 旭,张 峥,刘建成

(中国原子能科学研究院 国家原子能机构抗辐照应用技术创新中心,北京 102413)

银河宇宙射线和太阳宇宙射线与地球大气中的氮氧相互作用产生大量中子,中子入射航空电子系统会引发电子器件发生单粒子效应,进而导致器件出现逻辑状态改变、功能故障等现象,威胁航电系统的运行可靠性[1]。地面核电站、乏燃料后处理厂等核工业场景中的中子辐射会对视频监测系统、电子控制系统、作业机器人等的运行可靠性造成影响。随着半导体技术的进步,器件特征尺寸越来越小、集成度越来越高,辐射敏感性日益增强,中子单粒子效应也越来越受到广泛重视。为评估器件抗中子单粒子效应的能力,开展地面加速器中子辐照实验是国内外最常用的手段[2]。通过高能质子轰击重金属靶发生散裂反应产生白光中子,可以模拟大气中子能谱。基于白光中子源的辐照实验适应于对航电系统抗中子单粒子效应能力的宏观整体评价,如中国散裂中子源41°束线建设目标就是模拟大气中子[3]。通过高能质子轰击轻金属靶发生核反应产生单能和准单能中子,能谱具有较好的单色性。基于单能和准单能中子源开展辐照实验可获得器件中子单粒子效应截面随能量的变化曲线,不仅可用来预估器件在不同中子辐射环境中的单粒子错误率,同时也是研究中子单粒子效应规律和机理的重要手段。

不同能量中子引发器件单粒子效应的截面会存在差异,开展中子单粒子效应实验研究需要利用多种不同能量的中子束。几MeV至20 MeV能区内的单能中子主要通过不同的轻离子诱发的二体核反应产生,一般常用于中子单粒子效应实验的是高压倍加器D-T反应产生的14 MeV中子[4]。在20 MeV以上能区,一般采用的是7Li(p,n)7Be和9Be(p,n)9B反应[5],且由于更高的入射能量会引发多体散裂过程,因而不仅能获得准单能中子,其能谱包含单能峰部分,同时还存在低能尾部连续谱。这些尾部中子也能引发单粒子效应,影响中子单粒子效应截面测量的准确性。尽管如此,由于加速器准单能中子源的单能峰中子有较高的占比,可达40%甚至更高,通过尾部中子修正方法将低能连续中子导致的单粒子效应予以修正[6-7],可得到准确的中子单粒子效应截面。

国内尚未对中子单粒子效应截面随能量的变化关系开展系统性的实验研究,主要原因是国内适用于开展中子单粒子效应实验的中子源装置较少,尤其是长期缺乏20 MeV以上具备多能点引出的准单能中子源。根据国际标准IEC62396-2[8],建议选择的中子能量至少包含4个能点,前3个是14、50和100 MeV,第4个能点最开始选择150 MeV,2004年则建议选择200 MeV甚至更高[9]。14 MeV中子采用高压倍加器D-T中子源,50 MeV以上则必须采用准单能中子源,实际建设准单能中子源时并不严格要求中子能量等于这4个能点,只需在这3个能点附近就能满足中子单粒子效应截面曲线测量要求,如瑞典斯维德伯格实验室(TSL)的准单能中子源[10]。中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器,通过质子打锂靶可产生准单能中子,具备提供50 MeV和100 MeV准单能中子的条件,而200 MeV及更高能量准单能中子则需要依托更高能量的质子加速器。因此,本文将开展50～500 MeV准单能中子模拟研究,基于核反应理论计算50～500 MeV质子与7Li核反应在0°出射方向中子的产额及其单能峰产额,基于MCNP程序计算50～500 MeV质子与Li金属核反应次级中子产额和不同出射方向的中子能谱,分析影响准单能中子产额的各项因素以及中子单色性随出射角度的变化关系。研究结果将为中子单粒子效应实验用准单能中子靶、束线和实验终端的设计,以及中子单粒子效应实验的开展提供理论指导。

1 准单能中子单能峰模拟

20 MeV以上的准单能中子源主要由7Li(p,n)7Be和9Be(p,n)9B反应提供。由于7Li丰度高(7Li,92.58%;6Li,7.42%),Li金属又具有较好的导热性质,且方便做成自支撑靶,因此Li金属成为准单能中子源靶材料的首选。Be有剧毒,靶制备不易,且相比于7Li(p,n)7Be,9Be(p,n)9B反应的中子强度低约5倍。因此,国内外最常用的中子准单能源均采用质子轰击Li靶产生。7Li(p,n)7Be反应能为-1.646 MeV,中子产生的阈能为1.881 MeV。入射质子能量在1.9～2.4 MeV时,7Li(p,n)7Be反应只生成基态7Be,即7Li(p,n0)7Be,产生中子为单能中子且截面(300～500 mb)很大。质子能量超过2.4 MeV,产生的7Be可激发至其第1激发态(0.43 MeV),即7Li(p,n0)7Be和7Li(p,n1)7Be同时发生,质子5 MeV以下n1占比不到10%,仍可看作单能中子。当质子能量超过3.68 MeV,打开7Li(p,n3He)4He反应道,是一个三体反应,产生的中子为能量低于单能峰的连续谱。质子超过7.06 MeV,可激发7Be至其第2个激发态(4.55 MeV),更高质子能量甚至激发7Be至第3、4激发态。质子能量再增加,则更多的反应道打开,如7Li(p,2n)6Be。总之,7Li(p,n0)7Be和7Li(p,n1)7Be产生的n0和n1构成p→7Li反应产生的准单能中子谱的单能峰,而其他反应道产生的中子构成能量低于单能峰的连续谱中子。

7Li(p,n)7Be反应在0°方向上n0,1中子的截面最大,开展中子单粒子效应实验要求准单能中子单色性越高越好,因此选取0°角中子出射方向作为中子辐照源。图1所示为不同能量质子入射在0°方向上7Li(p,n0,1)7Be反应的截面,可以看到截面是先增大后趋于平缓。

图1 0°方向7Li(p,n0,1)7Be反应截面[11-12]

0°方向出射的单能峰中子注量率Φ可采用式(1)计算:

Φθ=0(n0,1)=σθ=0(n0,1)Φpρ7Lid7Li

(1)

其中:σθ=0(n0,1)为0°方向7Li(p,n0,1)7Be反应截面;Φp为入射质子流强;ρ7Li为7Li靶的原子密度;d7Li为7Li靶厚度。

图1为0°方向7Li(p,n0,1)7Be反应截面[11-12],对于50～500 MeV入射质子,截面基本在35 mb/sr附近。对于100 MeV、1 μA的质子束流,轰击10 mm厚7Li靶,在0°方向上,中子(n0,1)产额为34.9×10-3b×(1×10-6A/1.602 2×10-19A)×0.046 331 b-1·cm-1×1 cm=1.01×1010,在距离靶5 m位置处中子注量率为1.29×104cm-2·s-1。其他能量质子入射,中子注量率列于表1。

表1 50～500 MeV质子入射7Li靶的单能峰中子注量率

2 准单能中子产额和能谱模拟

准单能中子单能峰来自7Li(p,n0,1)7Be反应,然而Li靶制作时均采用天然锂金属,因此在进行准单能中子产额和能谱模拟时,采用的是质子与天然锂相互作用,即Li(p,n)反应。由于高能质子入射Li靶有多个反应道,反应产物种类较多,各产物在不同能量下的反应截面和角分布差异巨大,且实验截面数据不全,理论计算存在很大困难,而基于随机抽样的蒙特卡罗方法能有效地模拟粒子在物质中的输运过程。因此,针对50～500 MeV的Li(p,n)反应的准单能中子产额和能谱采用蒙特卡罗方法进行模拟计算。在开展中子能谱模拟前,先确定Li靶厚度。质子打Li靶产生准单能中子,Li靶越薄,中子的单色性越好,但是产额也越低,而中子单粒子效应辐照实验要求中子单色性越高越好,同时中子产额也要求越高越好,在设计Li靶厚度时必须综合考虑单色性和产额两个方面。此外,国际上用于中子单粒子效应实验研究用准单能中子源,其Li靶厚度也主要在1～3 MeV(质子能损)[13]。因此,选择质子在Li靶中能损为1、2、3 MeV时计算Li靶厚度,并选择在质子能损2 MeV的Li靶作能谱细化计算,具有代表性和实际参考价值。

图2为采用SRIM程序[14]计算不同能量质子在Li靶中能损为1、2、3 MeV时分别所对应的Li靶厚度。50～500 MeV质子在Li靶中的能损约为2 MeV时,Li靶厚度分别为4、6、10、13、15、17 mm。

图2 不同能量质子在Li靶中能损为1、2、3 MeV时的Li靶厚度

采用基于蒙特卡罗方法的MCNP6.1.1b程序进行模拟,MCNP是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开发,用于计算三维复杂几何结构中的中子、光子、电子或耦合中子、光子、电子输运问题的通用软件包[15]。质子能量分别为50、100、200、300、400、500 MeV,Li靶厚度分别为4、6、10、13、15、17 mm时,模拟得到不同出射方向的中子能谱如图3所示。

a——50 MeV质子轰击4 mm厚Li靶;b——100 MeV质子轰击6 mm厚Li靶;c——200 MeV质子轰击10 mm厚Li靶;d——300 MeV质子轰击13 mm厚Li靶;e——400 MeV质子轰击15 mm厚Li靶;f——500 MeV质子轰击17 mm厚Li靶

由图3可知,50、100、200、300、400、500 MeV质子入射Li靶,产生的中子能谱是连续谱,能量范围分别覆盖0～50、0～100、0～200、0～300、0～400、0～500 MeV,其中单能峰最高点分别出现在46、95、192、294、392、490 MeV,与SRIM计算结果存在一定差距,主要原因是SRIM计算采用连续慢化假设,入射粒子与靶核相互作用采用两体碰撞描述,能量损失来自弹性能量损失,而在两次两体碰撞之间认为入射离子与材料中的电子作用,连续均匀地损失能量。MCNP程序模拟则是采用核数据文件ENDF/B-Ⅶ以及la150n和la150h,没有核数据的能区则采用核理论模型CEM03.03,包含了核内级联、预平衡、蒸发、裂变等核反应过程和产物的描述。这两种方法均存在理论假设,获得的计算结果的准确性还需进一步实验验证。

由图3还可知,质子能量在50～500 MeV范围,不同出射方向的中子能谱存在较大差异,在0°～5°方向高能部分中子占比最高,随着出射角度越远离0°方向,中子能谱越软,高能部分降低,低能部分升高,单色性越来越差。主要原因是Li(p,n)反应由直接相互作用过程和复合核作用过程组成,直接相互作用主要是敲出反应机制,其产生中子具有前冲性,中子能量较高,而复合核作用过程主要是蒸发模型产生的蒸发中子,其具有各向同性,中子能量成分以低能中子为主,因此在0°方向中子的单色性最好。采用准单能中子源开展中子单粒子效应,束线必须选择在中子出射的0°及其附近方向。

不同能量质子轰击Li靶的中子产额及分布模拟所采用的参数和结果汇总列于表2。质子轰击Li靶,穿过Li靶后的剩余质子以及产生的带电粒子会被Li靶后方的清扫磁铁偏转至束流垃圾桶,产生的中子经过准直后进入样品辐照区。考虑到高能中子的强穿透性,一般准直屏蔽装置厚度可达几米,因此,计算中子注量率选取距离Li靶5 m处作为典型位置。模拟计算结果表明,当入射质子能量50～500 MeV,质子流强1 μA,Li靶厚4～17 mm(对应约2 MeV质子能损)时,在距靶5 m处的0°出射方向上产生的准单能中子注量率可达104～105cm-2·s-1,单能峰占比约在50%。对于当前质子加速器,质子流强可达几百μA,因此可用于中子单粒子效应实验研究的单能峰中子注量率在106～107cm-2·s-1,而一般CMOS工艺的SRAM器件中子单粒子翻转截面多在10-13～10-14cm2·bit-1范围[16],预计1 h可出现几十甚至几百个效应,能满足器件抗中子单粒子性能研究和验证的辐照实验需求。

表2 不同能量质子轰击Li靶的中子产额及分布模拟结果

3 结论

准单能中子源是研究中子单粒子效应的重要中子源。基于核反应理论,研究了50～500 MeV质子与锂相互作用的中子产额及中子单能峰产额,并基于SRIM程序计算了质子在1～3 MeV能损时Li靶厚度随质子能量的变化趋势。选取质子能损约为2 MeV时的Li靶厚度,采用MCNP模拟计算了50～500 MeV质子与Li靶核反应次级中子产额和不同出射方向的中子能谱,入射质子能量为50～500 MeV,质子流强为1 μA,靶厚选2 MeV左右质子能损时,在距靶5 m处的0°出射方向上产生的准单能中子注量率可达104～105cm-2·s-1,单能峰占比大于50%。研究结果可为中子单粒子效应模拟实验源建设和中子单粒子效应实验研究提供重要指导。