北京正负电子对撞机次级束模拟质子单粒子效应分析

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1、第33卷第2期原子能科学技术Vol.33,No.21999年3月AtomicEnergyScienceandTechnologyMar.1999北京正负电子对撞机次级束模拟质子单粒子效应分析贺朝会　李国政(西北核技术研究所,西安,710024)刘恩科(西安交通大学微电子工程系,710049)首次从利用高能电子打靶产生的质子进行半导体器件的单粒子效应(SEE)实验研究的角度分析了北京正负电子对撞机(BEPC)次级束中的质子的能量范围和产额,计算了3种途径下高能电子打靶产生的质子的能量范围,估算了反应截面。研究表明:选取重核做靶可以不同程度地提高2dY-3-1-1-1质子产生截面,质子的微分产额

2、()可达1.66×10s·sr·eV。可以用BEPC次级束dEd8-82)中的质子做翻转截面比较大(R=10cm的半导体器件的单粒子效应实验研究。关键词质子　单粒子效应　半导体器件　北京正负电子对撞机中图法分类号O572.214P422.1卫星在轨道运行期间一直处在带电粒子构成的空间辐射环境中,带电粒子造成的单粒子效应(SEE)是影响卫星可靠性和寿命的主要因素之一。空间辐射环境中的带电粒子主要由高能质子、A、重核粒子等组成,它们都能引起单粒子效应。在空间辐射环境中,质子,尤其是高能质子占有相当大的比例。因此,研究高能质子的单粒子效应尤为重要。用于研究质子单粒子效应的实验室模拟设备主要是高能质

3、子加速器。国外有几十MeV至5GeV的质子加速器,而我国能量最高的质子加速器为中国科学院高能物理研究所的35MeV质子直线加速器,远不能满足需要。所以,开发高能质子源十分迫切。北京正负电子对撞机(BEPC)试验束的次级束中包含质子,其中能量约为100MeV的质子占有很大比例。因此,用BEPC次级束中的质子束作为辐照源对半导体器件进行质子单粒子效应辐照实验可能是可行的。1BEPC次级束用做质子单粒子效应研究的初步分析[1]BEPC试验束是从其注入器(电子直线加速器)引出高能电子束(初级束),通过打靶产生次级束。试验束的主要指标如下:初级束能量111GeV,流强50～600mA,脉冲宽度2.5n

4、s,贺朝会:男,31岁,抗辐射加固专业,在读博士生,助理研究员收稿日期:1997209209　收到修改稿日期:1997211210176原子能科学技术　　第33卷+重复频率1215Hz。靶材料为碳钨复合靶(钨118mm,碳24mm)。次级束的粒子种类为P、+-1e、p,粒子动量范围为0.4003～1.668eV·s·m。根据粒子的动量谱可知质子能量范围大++-1约为35～125MeV。由次级束中P、e、p的相对比例可得,在动量约1.434eV·s·m(Ep+[1]≈95MeV)时,p的产额约为P的417倍。根据产额估算公式2dRYP=Iõnõdõõ$pPõ$8dpPd8可得P介子产额。其中:

5、I=600mA×2.5ns×12.5Hz=18.8nA,23QNA6.02×1023-3n==Q=2.265×=1.14×10cm,MA12d=24mm,2dR-263-1-1-1=5.996×10cm·sr·eV·s,dpPd8-2-1$pP=6.671×10eV·s·m,$8=10msr。22dYPdR7-2-1-1则:=I·n·d·=1.92×10s·sr·eV·m。那么,能量约为100MeV的dpPd8dpPd82dYp7-2-1-1质子的微分产额≈9.02×10s·sr·eV·m。dppd82一般存贮器的窗口面积约为0.25cm。当器件距靶10cm时,$8=2.5msr,当取$p=

6、-2-14-1461671×10eV·s·m时,注入存贮器的质子为1.505×10s,质子注量率Up≈6.02×10-1-2s·cm,和太阳宇宙线中的质子通量密度相当。-7-122实验数据表明:一般存贮器的质子单粒子翻转截面R=10～10cm,单粒子翻转率4-1-2-72n=R·Up。在Up≈6.02×10s·cm条件下,翻转截面为10cm的存贮器要观察到100个翻转需4161h。可见,对于质子单粒子翻转截面比较大的存贮器,BEPC提供的束流可勉强用以进行质子单粒子效应实验,但束流强度太低。在BEPC试验束参数不变的情况下,提高电子打靶产生质子的反应截面才能提高质子注量率。2　高能电子打靶产

7、生质子途径高能电子打靶产生质子主要有3种途径:高能电子通过C光子产生质子的反应、高能电子与质子的弹性散射、高能电子与质子的非弹性散射。211　通过C光子的反应高能电子通过C光子产生质子的反应主要有2种过程:1)虚光子过程——入射高能电子与靶材料中的核子通过虚光子交换形成共振态,共振态衰变产生质子;2)实光子过程——入射高能电子在靶材料的原子核附近通过韧致辐射放出高能光子,高能光子与核子作用形成共振态,共振态衰