CN104764421A - 一种重离子加速器单粒子试验降能片厚度快速确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种重离子加速器单粒子试验降能片厚度快速确定方法，步骤如下：根据加速器重离子类型和初始能量，确定重离子在硅中的初始射程；根据加速器重离子类型和要求的重离子LET值，确定对应的重离子在硅中的射程；根据重离子初始射程和与要求重离子LET值对应的重离子在硅中的射程，确定当降能片材料为硅时，屏蔽材料的厚度；确定硅材料厚度与降能片厚度的厚度转换系数；将硅材料的厚度转化为降能片的厚度。本发明快速确定降能片的厚度，节省了成本，提高了效率。

Description

一种重离子加速器单粒子试验降能片厚度快速确定方法

技术领域

本发明涉及一种重离子加速器单粒子试验降能片厚度快速确定方法，属于航天单粒子效应技术领域。

背景技术

随着卫星对地观测分辨率等级要求越来越高，信息处理量越来越大，应对此要求，卫星上采用了大规模逻辑器件，如FPGA、DSP等。这些大规模逻辑器件受到空间高能粒子的影响产生单粒子翻转(SEU)、单粒子锁定(SEL)等单粒子效应，会影响航天器正常可靠运行，必须以器件单粒子效应参数为输入，进行单粒子效应防护设计。

器件单粒子效应参数测试、器件单粒子效应防护效果验证，均需在重离子加速器上进行试验，而且对重离子的线性能量传输系数(Linear EnergyTransfer，LET)有要求。进行单粒子试验时，特别是在单粒子防护设计效果验证时，重离子的LET值需达到技术规范或技术合同要求的数值。重离子的LET值与靶材料有关，由于目前绝大部分器件以硅材料为基底，因此单粒子试验中，重离子LET值指的是在硅材料中的LET值。

一般情况下，重离子回旋加速器得到的重离子的类型和初始能量是确定的，由此得到的重离子初始LET值也是一个确定值；大部分情况下，此初始LET值不满足技术要求，需要在加速器重离子出口和待测器件之间加入一定厚度的降能片，降低重离子的能量，从而使得穿过降能片的重离子LET值满足要求。

降能片有两个参数需要确定：一个是降能片的材料，另一个是降能片的厚度。降能片的材料可根据实际情况进行选择，一般情况下，选择轻原子序数的金属材料。

传统方法在确定降能片厚度时，一般是以重离子类型、重离子能量、降能片材料类型、降能片厚度为输入参数，采用粒子输运分析的方法，仿真分析重离子穿过降能片后的能量，再根据此能量分析重离子在硅材料中的LET值；分析、尝试不同的降能片厚度，直至重离子LET值满足要求。

传统方法解决这一问题，需要针对降能片的厚度进行大量尝试，仿真分析工作具有一定的盲目性，工作量大，效率低，时间长。

发明内容

本发明技术解决问题是：针对现有技术的不足，提出了一种用于重离子加速器单粒子效应试验的降能片快速确定方法，本发明可将降能片等效为硅材料，以要求的重离子LET值为目标，根据不同类型重离子在硅材料中的LET值和射程R与能量E的关系表格，快速确定降能片的厚度。

本发明的解决方案是：

一种重离子加速器单粒子试验降能片厚度快速确定方法，包括步骤如下：

(1)根据加速器重离子类型和初始能量E₀，确定重离子在硅中的初始射程R₀；

(2)根据加速器重离子类型和要求的重离子LET值，确定对应的重离子在硅中的射程R；

(3)根据步骤(1)中重离子初始射程R₀和与步骤(2)中要求重离子LET值对应的重离子在硅中的射程R，确定当降能片材料为硅时，屏蔽材料的厚度d_Si；计算公式为：

d_Si＝R₀-R

其中，d_Si为降能片材料为硅时降能片的厚度，R₀是重离子在硅材料中的初始射程，R是与要求的重离子LET值对应的重离子在硅中的射程；

(4)确定硅材料厚度d_Si与降能片厚度d的厚度转换系数k；

计算方式如下：

$k=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Si}}\frac{Z_{\mathrm{Si}}}{A_{\mathrm{Si}}}}{\mathrm{\ρ}\frac{Z}{A}}$

其中，k是硅材料与降能片材料的厚度转换系数，ρ_Si是硅材料的密度，Z_Si是硅材料的原子序数，A_Si是硅材料的原子量，ρ是降能片所采用材料的密度，Z是降能片所采用材料的原子序数，A是降能片所采用材料的原子量；

(5)将硅材料的厚度d_Si转化为降能片的厚度d；

转化公式为：

d＝k·d_Si

其中，d是降能片的厚度，d_Si是硅材料的厚度，k是硅材料与降能片所采用的材料的厚度转换系数。

本发明与现有方法相比的有益效果是：

(1)本发明不需要通过复杂的粒子输运理论和大量的仿真计算来计算降能片厚度，本发明通过采用解析的方式进行，而且不需要大量的尝试工作，仅需简单的解析计算即可快速确定降能片厚度，时间短，效率高，大大节省了成本。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的工作原理和工作过程作说明和解释。

如图1所示，本发明一种重离子加速器单粒子试验降能片厚度快速确定方法，包括步骤如下：

(1)根据加速器重离子类型和初始能量E₀，确定重离子在硅中的初始射程R₀；

一定类型的重离子、其能量E以及初始能量E₀、在硅中的射程R以及初始射程R₀、在硅中的LET值存在对应关系，可通过SRIM软件得到。以镍离子(Ni-58)为例，采用SRIM可以得到下面的结果。

表1镍离子的能量E、射程R以及LET值的对应关系

镍离子能量E(MeV)	LET值(MeV·cm2/mg)	射程R(μm)
			350	25.6	57.4
375	25.0	61.7
			400	24.3	66.0
450	23.1	75.1
			500	22.0	84.7
550	20.9	94.8
			600	20.0	105.3
650	19.2	116.3
			700	18.4	127.8
800	17.0	152.1
			900	15.9	178.3
1000	14.9	206.3
			1500	11.6	371.8
2000	9.5	577.6
			2500	8.2	822.3
3000	7.2	1100.0
			3500	6.4	1420.0
4000	5.9	1770.0
			4500	5.4	2160.0
5000	5.0	2570.0
			5500	4.7	3020.0
6000	4.4	3500.0
			6500	4.1	4010.0
7000	3.9	4540.0
			8000	3.6	5690.0
9000	3.3	6950.0
			10000	3.1	8300.0

例如重离子加速器得到的镍离子的初始能量为4000MeV，从上表数据可以看到，此时重离子在硅中的LET值为5.9MeV·cm²/mg，在硅中的射程R₀为1770μm。

4000MeV的镍离子初始LET值为5.9MeV·cm²/mg，当要求的重离子LET值不是这一数值时，如要求的重离子LET值为15MeV·cm²/mg，必须采用一定的措施降低镍离子能量从而提高LET值。(2)根据加速器重离子类型和要求的重离子LET值，确定对应的重离子在硅中的射程R；

采用表1的数据，获得与要求的重离子LET值相对应的重离子在硅中的射程R。

例如要求的镍离子LET值为15MeV·cm²/mg，从表1可以看到镍离子能量为900MeV时，对应的LET值为15.9MeV·cm²/mg，对应的射程为178.3μm，镍离子1000MeV时，对应的LET值为14.9MeV·cm²/mg，对应的射程为206.3μm，对这两个数据进行线性插值，可以得到LET值为15MeV·cm²/mg时，对应的镍离子射程为203.5μm。

由此得到了要求的重离子LET值为15MeV·cm²/mg时，对应的重离子射程R为203.5μm。

(3)根据步骤(1)中重离子初始射程R₀和与步骤(2)中要求重离子LET值对应的重离子在硅中的射程R，确定当降能片材料为硅时，屏蔽材料的厚度d_Si；计算公式为：

d_Si＝R₀-R

其中，d_Si为降能片材料为硅时降能片的厚度，R₀是重离子在硅材料中的初始射程，R是与要求的重离子LET值对应的重离子在硅中的射程；

根据步骤(1)和步骤(2)的结果，可以得到降能片材料为硅时，厚度为：

d_Si＝1770-203.5＝1566.5(μm)

(4)确定硅材料厚度d_Si与降能片厚度d的厚度转换系数k；

计算方式如下：

$k=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Si}}\frac{Z_{\mathrm{Si}}}{A_{\mathrm{Si}}}}{\mathrm{\ρ}\frac{Z}{A}}$

其中，k是硅材料与降能片材料的厚度转换系数，ρ_Si是硅材料的密度，Z_Si是硅材料的原子序数，A_Si是硅材料的原子量，ρ是降能片所采用材料的密度，Z是降能片所采用材料的原子序数，A是降能片所采用材料的原子量；

以铝材料作为降能片为例，铝的密度为2.7g/cm³，铝的原子序数为13，铝的原子量为27，则硅材料与铝材料的厚度转换系数为：

$k=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Si}}\frac{Z_{\mathrm{Si}}}{A_{\mathrm{Si}}}}{\mathrm{\ρ}\frac{Z}{A}}=\frac{2.33\×\frac{14}{28}}{2.7\×\frac{13}{27}}=0.90$

(5)将硅材料的厚度d_Si转化为降能片的厚度d；

转化公式为：

d＝k·d_Si

其中，d是降能片的厚度，d_Si是硅材料的厚度，k是硅材料与降能片所采用的材料的厚度转换系数。

以铝材料做降能片为例，第4步得到的硅材料与铝材料的厚度转换系数k为0.9，根据厚度转换系数，可将第3步得到降能片材料为硅时的厚度d_Si转换为降能片为铝材料时的厚度d：

d＝k·d_Si＝0.9×1566.5＝1409.9(μm)

由此得到了当选择铝作为降能片材料时，所需厚度为1409.9μm。这表明需要在加速器重离子出口和器件之间加入厚度为1409.9μm的铝制降能片，才可以在器件处获得15MeV·cm²/mg的重离子LET值，从而满足要求。

本发明未公开的部分为本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种重离子加速器单粒子试验降能片厚度快速确定方法，其特征在于包括步骤如下：

(1)根据加速器重离子类型和初始能量E₀，确定重离子在硅中的初始射程R₀；

(2)根据加速器重离子类型和要求的重离子LET值，确定对应的重离子在硅中的射程R；

(3)根据步骤(1)中重离子初始射程R₀和与步骤(2)中要求重离子LET值对应的重离子在硅中的射程R，确定当降能片材料为硅时，屏蔽材料的厚度d_Si；计算公式为：

d_Si＝R₀-R

其中，d_Si为降能片材料为硅时降能片的厚度，R₀是重离子在硅材料中的初始射程，R是与要求的重离子LET值对应的重离子在硅中的射程；

(4)确定硅材料厚度d_Si与降能片厚度d的厚度转换系数k；

计算方式如下：

$k=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{Si}}\frac{Z_{\mathrm{Si}}}{A_{\mathrm{Si}}}}{\mathrm{\ρ}\frac{Z}{A}}$

其中，k是硅材料与降能片材料的厚度转换系数，ρ_Si是硅材料的密度，Z_Si是硅材料的原子序数，A_Si是硅材料的原子量，ρ是降能片所采用材料的密度，Z是降能片所采用材料的原子序数，A是降能片所采用材料的原子量；

(5)将硅材料的厚度d_Si转化为降能片的厚度d；

转化公式为：

d＝k·d_Si

其中，d是降能片的厚度，d_Si是硅材料的厚度，k是硅材料与降能片所采用的材料的厚度转换系数。