预测质子单粒子效应截面的BGR方法改进及其应用与流程

预测质子单粒子效应截面的bgr方法改进及其应用
技术领域
1.本发明属于空间粒子技术领域，具体涉及了一种预测质子单粒子效应截面的bgr方法改进及其应用。


背景技术：

2.质子是空间辐射环境中的主要成分，其引发微电子器件产生的单粒子效应(single event effects,see)是造成航天器发生在轨故障乃至灾难性后果的重要因素之一。中子是大气辐射环境中的主要辐射粒子之一，是航空器、地表高可靠行业和临近空间飞行器的电子设备发生单粒子效应的主因，并带来相应的安全风险。因此，质子、中子单粒子效应的研究具有十分重要的意义。
3.相关技术中，单粒子效应截面定义为：
[0004][0005]
其中，n
see
为发生的单粒子效应数目，m为器件包含单元数目，φ是入射粒子注量(单位为cm-2
)。重离子通过直接电离引发单粒子效应，重离子在硅材料中的线性能量传输(linear energy transfer,let)通过重离子在硅中的电离能力表征。质子和中子一般通过与硅的核反应产生的产物的电离间接地引发单粒子效应，其see截面一般是入射能量的函数。
[0006]
国外基于重离子、质子和中子see的机制建立了bgr(burst generation rate)方法，可基于重离子see截面预测质子和中子see截面，即
[0007][0008]
其中，e为入射粒子能量，c为器件敏感体积(sensitive volume,sv)的电荷收集效率，t
sv
是sv的厚度；bgr(e,er)为硅核数密度n
si
与p/n si核反应产生的能量大于er的反冲核的截面的乘积。但该方法中电荷收集效率c的取值存在模糊性，预测结果不准确，效果差。


技术实现要素：

[0009]
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种预测结果准确，效果好的质子单粒子效应截面的bgr方法改进及其应用。
[0010]
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：预测质子单粒子效应截面的bgr方法改进，包括以下步骤：
[0011]
(1)进行电子器件的重离子see实验，确定器件的重离子see截面wellbull函数σ
hi
(l)；
[0012]
(2)模拟质子与薄硅层核反应，计算p si核反应产物能谱及bgr函数；
[0013]
(3)结合计算的bgr函数和重离子see截面曲线，利用改进的bgr方法，得到预测质子单粒子效应截面。
[0014]
进一步地，所述步骤(1)中，开展电子器件的重离子单粒子效应实验，获得不同let值时的重离子see截面；拟合电子器件的重离子see截面数据得到weibull函数σ
hi
(l)，其中l代表重离子的let值。
[0015]
进一步地，所述步骤(1)中，重离子see截面的weibull函数σ
hi
(l)为：
[0016][0017]
其中，l代表重离子的let值，σ
hi∞
为饱和截面，l
th
为器件let阈值，w为宽度参数，s为形状因子。
[0018]
进一步地，所述步骤(2)中，采用geant4模拟粒子与物质相互作用的蒙特卡罗程序，模拟大量质子与薄硅层核反应。
[0019]
进一步地，所述步骤(2)中，当n
in
个能量为e的质子入射厚度为h的薄硅层时，p si核反应产物能谱为：
[0020][0021]
其中，er为反冲核的能量，δn为能量在小区间内的反冲核个数，n
si
为硅核数密度，h为薄硅层的厚度。
[0022]
进一步地，所述步骤(2)中，所述bgr函数为：
[0023][0024]
其中，n
si
、er定义见(4)式，bgr(e,er)为硅核数密度n
si
与p si核反应产生的能量大于er的反冲核的截面的乘积；计算bgr函数时，反冲核的大部分能量沉积在敏感体积之外的情况不应被考虑在内；对bgr函数的计算加一限制，只考虑反冲核能量小于ρ
si
t
sv
lm(e)的情况，其中lm(e)是能量为e的质子与硅核反应产生的反冲核的最大let值。
[0025]
进一步地，全部能量范围内的反冲核贡献的质子see截面为：
[0026][0027]
其中，t
rv
为核反应体积(reactionvolume,rv)的厚度，n
si
、er定义见(4)式。
[0028]
进一步地，所述步骤(3)中，预测的质子的单粒子效应截面σ(e)为：
[0029][0030]
其中，t
rv
为假定的核反应体积厚度，er定义见(4)式，bgr(e,er)的定义见(5)式；其中其l与er关系式为：
[0031]er
＝t
sv
ρ
si
l(8)
[0032]
其中，ρ
si
为硅的密度，t
sv
是器件敏感体积的厚度，l定义见(3)式。
[0033]
本发明提供了一种预测质子单粒子效应截面的bgr方法改进的应用，也可以用于预测中子单粒子效应截面。
[0034]
采用本发明的技术方案带来的有益效果是，一种预测质子单粒子效应截面的bgr
方法改进及其应用，进行电子器件的重离子see实验，确定器件的重离子see截面，拟合出重离子see截面曲线函数；模拟质子与薄硅层核反应，统计p si核反应产物能谱，计算出bgr函数；结合计算的bgr函数和重离子see截面曲线，根据推导的质子和重离子see截面的关系式，得到质子的单粒子效应截面。本发明改进的bgr方法，对bgr函数计算进行相应的限制，仅考虑反冲核能量小于ρ
si
t
sv
lm(e)的情况，可改变了预测结果的趋势；引入核反应体积厚度参数t
rv
，计算中t
rv
可小于t
sv
也可大于t
sv
，相对原始的bgr方法扩大了预测结果的范围；最终得到的预测结果在数值与趋势上均与实验结果相符合，可有效预测质子单粒子效应截面，相对原始的bgr方法有很大程度的进步；本发明改进的bgr方法还可用于预测中子单粒子效应截面。
附图说明
[0035]
图1是本发明实施例一预测质子单粒子效应截面的bgr方法改进的流程图；
[0036]
图2是本发明实施例二预测质子单粒子效应截面改进的bgr方法对4款sram器件质子seu截面预测在t
sv
的取值为0.3μm时的bgr函数；
[0037]
图3是本发明实施例二预测质子单粒子效应截面改进的bgr方法对4款sram器件质子seu截面预测在t
sv
的取值为0.5μm时的bgr函数；
[0038]
图4是本发明实施例二预测质子单粒子效应截面改进的bgr方法预测sram a器件质子seu截面与实验结果、原始bgr方法的比较；
[0039]
图5是本发明实施例二的预测质子单粒子效应截面改进的bgr方法预测sram b器件质子seu截面与实验结果、原始bgr方法的比较；
[0040]
图6是本发明实施例二的预测质子单粒子效应截面改进的bgr方法预测sram c器件质子seu截面与实验结果、原始bgr方法的比较；
[0041]
图7是本发明实施例二的预测质子单粒子效应截面改进的bgr方法预测sram d器件质子seu截面与实验结果、原始bgr方法的比较。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0043]
实施例一
[0044]
参照附图1，本发明实施例一提供了一种预测质子单粒子效应截面的bgr方法改进，包括以下步骤：
[0045]
(1)进行电子器件的重离子see实验，确定器件的重离子see截面，拟合出重离子see截面weibull函数σ
hi
(l)；
[0046]
(2)模拟质子与薄硅层核反应，计算p si核反应产物能谱及bgr函数；
[0047]
(3)结合计算的bgr函数和重离子see截面曲线，利用改进的bgr方法，得到预测的质子的单粒子效应截面。
[0048]
优选地，所述步骤(1)中，开展电子器件的重离子单粒子效应实验，获得不同let值时的重离子see截面；拟合电子器件的重离子see截面数据得到weibull函数σ
hi
(l)，其中l代表重离子的let值。
[0049]
优选地，所述步骤(1)中，重离子see截面的weibull函数为：
[0050][0051]
其中，l代表let，σ
hi∞
为饱和截面，l
th
为器件let阈值，w为宽度参数，s为形状因子。
[0052]
优选地，所述步骤(2)中，采用geant4模拟粒子与物质相互作用的蒙特卡罗程序，模拟大量质子与薄硅层核反应。
[0053]
优选地，所述步骤(2)中，当n
in
个能量为e的质子入射厚度为h的薄硅层时，p si核反应产物能谱为：
[0054][0055]
其中，er为反冲核的能量，δn为能量在小区间内的反冲核个数，n
si
为硅核数密度，h为薄硅层的厚度。
[0056]
优选地，所述步骤(2)中，所述bgr函数为：
[0057][0058]
其中，n
si
、er定义见(4)式，bgr(e,er)为硅核数密度n
si
与p si核反应产生的能量大于er的反冲核的截面的乘积；计算bgr函数时，反冲核的大部分能量沉积在敏感体积之外的情况不应被考虑在内；对bgr函数的计算加一限制，只考虑反冲核能量小于ρ
si
t
sv
lm(e)的情况，其中lm(e)是能量为e的质子与硅核反应产生的反冲核的最大let值。
[0059]
本发明实施例假定在电子器件内存在厚度为t
rv
的核反应体积(reaction volume,rv)，所有质子see事件均由在rv内的核反应产生的反冲核实现。同时假定所述的反冲核在敏感体积sv内沉积了全部能量，因此一个能量为er的反冲核在sv内沉积的能量与一个let值为的重离子垂直入射sv在其中沉积的能量是相同的。
[0060]
当能量为e、注量为φ的质子辐照一个面积为a、包含m个单元的器件时，在rv内核反应产生的能量在小区间内的反冲核数目为所述反冲核可视作let值为le、注量为的重离子垂直入射器件，根据公式(1)，所述反冲核它们贡献的see截面为可知，全部能量范围内的反冲核贡献的质子see截面为：
[0061][0062]
其中，t
rv
为核反应体积(reaction volume,rv)的厚度，n
si
、er定义见(4)式。
[0063]
优选地，所述步骤(3)中，根据(6)式得到预测的质子单粒子效应截面σ(e)为：
[0064][0065]
其中，t
rv
为假定的核反应体积厚度，er定义见(4)式，bgr(e,er)定义见(5)式。
[0066]
优选地，l与er关系式为：
[0067]er
＝t
sv
ρ
si
l(8)
[0068]
其中，ρ
si
为硅的密度，t
sv
是器件敏感体积的厚度，l定义见(3)式。
[0069]
本发明实施例提供了一种预测质子单粒子效应截面的bgr方法改进的应用，还可用于预测中子单粒子效应截面。
[0070]
实施例二
[0071]
采用本发明实施例一改进的bgr方法预测4款sram器件质子单粒子效应截面。
[0072]
所述4款sram器件的基本参数和重离子粒子翻转(singleeventupset,seu)截面的weibull拟合参数如表1所示。
[0073]
表14款sram器件的基本参数及其重离子seu截面的weibull拟合参数
[0074][0075]
其中σ
hi∞
的单位为cm2/bit，l
th
和w的单位为mev
·
cm2/mg
[0076]
本发明实施例中，t
sv
的取值为0.3μm、0.5μm，采用上述公式得到的bgr函数。参照附图2、3，表明本发明实施例方法的bgr函数与t
sv
的取值相关，不同t
sv
的取值，bgr函数曲线变化不同。
[0077]
本发明实施例在不同t
sv
的取值时对4款器件的质子seu截面进行了预测以及现有方法c、t
sv
不同取值时的预测与实验结果进行了比较。
[0078]
参照附图4～7，本发明实施例的方法预测的质子seu截面数据与实验结果相吻合，预测效果好；而采用原始bgr方法预测的质子seu截面在趋势上与实验相差较大，尤其是在高能处的变化趋势与实际试验趋势相反，在数值上也会出现较大的差距，预测效果较差。可见，改进后的bgr方法无论是在预测的数值上还是在趋势上都比原始的bgr方法有很大的进步。
[0079]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。