CN115186565A - 基于多粒子源模拟计算pka能谱的方法 - Google Patents

基于多粒子源模拟计算pka能谱的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115186565A
CN115186565A CN202210759690.3A CN202210759690A CN115186565A CN 115186565 A CN115186565 A CN 115186565A CN 202210759690 A CN202210759690 A CN 202210759690A CN 115186565 A CN115186565 A CN 115186565A
Authority
CN
China
Prior art keywords
particle
particle source
energy
particles
protons
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210759690.3A
Other languages
English (en)
Inventor
李兴冀
应涛
刘中利
杨剑群
崔秀海
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN202210759690.3A priority Critical patent/CN115186565A/zh
Publication of CN115186565A publication Critical patent/CN115186565A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/25—Design optimisation, verification or simulation using particle-based methods
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/08—Probabilistic or stochastic CAD
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/02—Reliability analysis or reliability optimisation; Failure analysis, e.g. worst case scenario performance, failure mode and effects analysis [FMEA]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/04—Ageing analysis or optimisation against ageing

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

本发明提供了一种基于多粒子源模拟计算PKA能谱的方法，属于卫星空间环境分析技术领域。方法包括：S1、基于蒙特卡罗方法，构建半导体探测器模型；S2、设置粒子源，所述粒子源包括多种形式，至少其中一种形式的所述粒子源包括两种及以上类型的高能粒子；S3、根据所述半导体探测器模型的硅片厚度进行真实空间环境模拟，计算在相同入射结构和相同模型下，由不同形式的所述粒子源辐照所引起的初级碰撞原子能谱变化趋势。本发明通过使用多种形式的粒子源入射，并通过比较不同粒子源下PKA能谱变化趋势，选择更符合器件任务环境的粒子源，能够更好地模拟空间综合辐射环境因素的影响，进而提高模拟计算结果对空间综合辐射环境效应的代表性。

Description

基于多粒子源模拟计算PKA能谱的方法
技术领域
本发明涉及卫星空间环境分析技术领域，特别涉及一种基于多粒子源模拟计算PKA能谱的方法。
背景技术
随着科技的发展，我国的航天事业发展取得了长足的进步，各式各样的航天器已经与我们的生活和安全息息相关。航天器用电子元器件在轨服役过程中必然会遭受宇宙空间环境的各种影响，这些影响因素包括粒子辐射、温度等。对于电子元器件，粒子辐射是最致命的环境因素，早期发射的航天器曾多次因辐射损伤而失效。空间粒子辐射会使电子元器件出现性能衰减，进而导致卫星的工作寿命缩短，从而造成巨大损失。不同类型的空间带电粒子同时作用于航天器用关键材料和电子元器件，将导致空间综合环境效应，尤其是电离/位移效应。
针对长寿命、高可靠性的航天器设计需求，电子元器件中对辐射敏感的材料在轨期间性能退化情况一直是设计者非常关心的问题，目前，获得电子元器件在轨性能退化数据的途径主要是空间辐射环境效应地面模拟试验的方法。不同类型的材料对电离损伤和位移损伤的敏感性不同，绝缘体材料主要对电离损伤敏感，半导体材料主要对位移损伤敏感。此外，有些空间粒子主要导致电离损伤、有些空间粒子主要导致位移损伤，有些空间粒子既能产生电离损伤又可以产生位移损伤。当发生位移损伤时，会影响材料内部的少子寿命及迁移率，致使电子元器件的性能会发生明显的退化。现有的模拟方法，多采用单一粒子源入射物质来分析电子元器件在轨任务过程中粒子与其的相互作用，不能还原空间中的辐射环境。
发明内容
针对以上现有技术中的问题，本发明提供了一种基于多粒子源模拟计算PKA能谱的方法。
为实现上述目的，本发明具体通过以下技术实现：
本发明提供了一种基于多粒子源模拟计算PKA能谱的方法，包括以下步骤：
S1、基于蒙特卡罗方法，构建半导体探测器模型；
S2、设置粒子源，所述粒子源包括多种形式，至少其中一种形式的所述粒子源包括两种及以上类型的高能粒子；
S3、根据所述半导体探测器模型的硅片厚度进行真实空间环境模拟，计算在相同入射结构和相同模型下，由不同形式的所述粒子源辐照所引起的初级碰撞原子(PKA)能谱变化趋势。
进一步地，步骤S2中，所述高能粒子包括质子、电子、中子或γ粒子。
进一步地，步骤S2中，所述粒子源包括下述a)至c)3种形式：
a)质子；
b)质子和电子形成的组合粒子；
c)质子、电子和γ粒子形成的组合粒子。
进一步地，步骤S2中，不同类型的所述高能粒子的能量相同。
进一步地，步骤S2中，当所述粒子源为所述质子时，所述质子的能量为20MeV；
当所述粒子源为所述质子和所述电子形成的组合粒子时，所述质子和所述电子的能量均为20MeV；
当所述粒子源为所述质子、所述电子和所述γ粒子形成的组合粒子时，所述质子、所述电子和所述γ粒子的能量均为20MeV。
进一步地，步骤S3中，进行所述真实空间环境模拟时，所述粒子源从所述硅片的中心入射。
进一步地，步骤S3中，在固定所述高能粒子能量并改变所述粒子源形式的情形下，进行所述真实空间环境模拟。
进一步地，步骤S3的具体操作为：
第一步，采用所述质子作为所述粒子源，进行所述真实空间环境模拟，获取所述质子辐照时的所述初级碰撞原子能谱；
第二步，采用所述质子和所述电子形成的所述组合粒子作为所述粒子源辐照相同入射结构和相同模型，进行所述真实空间环境模拟，获取所述质子和所述电子形成的所述组合粒子辐照时的所述初级碰撞原子能谱；
第三步，采用所述质子、所述电子和所述γ粒子形成的所述组合粒子作为所述粒子源辐照相同入射结构和相同模型，进行所述真实空间环境模拟，获取所述质子、所述电子和所述γ粒子形成的所述组合粒子辐照时的所述初级碰撞原子能谱；
第四步，根据统计到的三种形式粒子源的PKA能谱的数量信息，定性分析固定能量下不同类型的高能粒子所引起的PKA数量变化，得到三种形式的粒子源下PKA能谱变化趋势。
进一步地，上述所述的方法的应用对象包括材料、器件、电子系统及结构。
本发明通过使用包括多种类型的高能粒子组合形式的粒子源入射，并通过比较不同粒子源下PKA能谱变化趋势，有助于选择更符合器件任务环境的粒子源及其PKA能谱信息，能够更好地模拟空间综合辐射环境因素的影响，进而提高模拟计算结果对空间综合辐射环境效应的代表性，对基于电离辐射过程实现半导体位移损伤研究等具有重要的工程价值和科学意义。而且，本发明的方法简单、易于操作、可实现性强，能够大幅度降低空间辐射环境效应地面模拟试验的费用，对材料和器件空间环境效应地面模拟试验和研究以及后续的材料的缺陷演化具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1采用质子作为粒子源辐照时的PKA能谱图；
图2为本发明实施例1采用质子和电子形成的组合粒子作为粒子源辐照时的PKA能谱图；
图3为本发明实施例1采用质子、电子和γ粒子形成的组合粒子作为粒子源辐照时的PKA能谱图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，术语“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
在空间环境中有多种粒子类型，如质子、电子、γ射线(又叫γ粒子)等。采用单一粒子辐照来分析电子元器件在轨任务过程中粒子与其的相互作用，不能还原空间中的辐射环境，模拟计算结果常存在较大误差。本发明通过组合使用多种粒子作为粒子源进行辐照，比较不同粒子源对模拟结果的影响，发现多粒子源是需要考虑的，选取多粒子组合可以更加真实地模拟空间环境的粒子源作为后续研究的基础，对于实现空间环境与材料或电子元器件作用基本理论和评价方法，揭示空间环境下材料或电子元器件性能退化的基本规律与各种空间环境综合效应的物理本质，具有重要的工程价值和科学意义。
本发明方法的应用对象包括材料、器件、电子系统及结构。
本发明实施例提供了一种基于多粒子源模拟计算PKA能谱的方法，包括以下步骤：
S1、基于蒙特卡罗方法，构建半导体探测器模型；
S2、设置粒子源，所述粒子源包括多种形式，至少其中一种形式的所述粒子源包括2种及以上类型的高能粒子；
具体地，所述高能粒子包括质子、电子、中子或γ粒子。
为了尽可能地还原空间中的真实环境，所述粒子源包括下述a)至c)3种形式：
a)质子；
b)质子和电子形成的组合粒子；
c)质子、电子和γ粒子形成的组合粒子。
前述2种及以上类型的高能粒子组合作为粒子源时，不同类型的高能粒子选取的能量相同。示例性地，当粒子源为质子时，质子的能量为20MeV；当粒子源为质子和电子形成的组合粒子时，质子和电子的能量均为20MeV；当粒子源为质子、电子和γ粒子形成的组合粒子时，质子、电子和γ粒子的能量也均为20MeV。
S3、根据半导体探测器的硅片厚度进行真实空间环境模拟，计算在相同入射结构和相同模型下，由不同形式的粒子源辐照所引起的初级碰撞原子能谱变化趋势。
上述所述的初级碰撞原子(Primary Knock-on Atom，PKA)能谱指的是初级碰撞原子的能量分布，能量分布是指不同能量的原子的分布情况。
优选地，步骤S3中，进行真实空间环境模拟时，粒子源从硅片的中心入射。
优选地，步骤S3中，在固定高能粒子能量并改变粒子源形式的情形下，进行真实空间环境模拟，以计算在相同入射结构和相同模型下，由不同形式的粒子源辐照所引起的PKA能谱变化趋势。
以前述包括a)-c)形式的多种粒子源为例，步骤S3的具体操作为：
第一步，采用质子作为粒子源，进行真实空间环境模拟，获取质子辐照时的PKA能谱；
第二步，采用质子和电子形成的组合粒子作为粒子源辐照相同入射结构和相同模型，进行真实空间环境模拟，获取质子和电子形成的组合粒子辐照时的PKA能谱；
第三步，采用质子、电子和γ粒子形成的组合粒子作为粒子源辐照相同入射结构和相同模型，进行真实空间环境模拟，获取质子、电子和γ粒子形成的组合粒子辐照时的PKA能谱；
第四步，根据统计到的三种形式粒子源的PKA能谱的数量信息，定性分析固定能量下不同类型的高能粒子所引起的PKA数量变化，得到三种形式的粒子源下PKA能谱变化趋势。通过提取更合适粒子源的PKA能谱，达到用于后续的缺陷演化处理的数据输入的目的。
可以理解的是，本发明实施例中虽然对第一步、第二步和第三步进行了顺序上的限定，但此顺序限定仅用于描述目的，三个步骤并没有实质上的先后关系。例如，可以先进行第一步，之后进行第三步，再进行第二步；或者先进行第二步，之后进行第一步，再进行第三步；或者将第一步、第二步和第三步同时进行。
优选地，进行真实空间环境模拟时，粒子源中高能粒子类型逐渐增加，具体而言，前述步骤中第一步、第二步和第三步依次进行，以更好地提取不同形式的粒子源所引起的PKA能量分布变化结果。
航天器用关键材料和器件主要受到不同能量的质子、电子及重离子等空间综合辐射环境因素的影响。本发明通过使用包括多种类型的高能粒子组合形式的粒子源入射，并通过比较不同粒子源下PKA能谱变化趋势，有助于选择更符合器件任务环境的粒子源及其PKA能谱信息，能够更好地模拟空间综合辐射环境因素的影响，进而提高模拟计算结果对空间综合辐射环境效应的代表性，对基于电离辐射过程实现半导体位移损伤研究等具有重要的工程价值和科学意义。而且，本发明的方法简单、易于操作、可实现性强，能够大幅度降低空间辐射环境效应地面模拟试验的费用，对材料和器件空间环境效应地面模拟试验和研究以及后续的材料的缺陷演化具有重要意义。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照制造厂商所建议的条件。
实施例1
一种基于多粒子源模拟计算PKA能谱的方法，包括以下步骤：
S1、基于蒙特卡罗方法，构建半导体探测器模型；
S2、设置粒子源，所述粒子源包括下述a)至c)3种形式：
a)能量为20MeV的质子；
b)能量为20MeV的质子和能量为20MeV的电子形成的组合粒子；
c)能量为20MeV的质子、能量为20MeV的电子和能量为20MeV的γ粒子形成的组合粒子；
S3、在固定高能粒子能量并改变粒子源形式(逐渐增加高能粒子类型)的情形下，根据半导体探测器的硅片厚度进行真实空间环境模拟，粒子源从硅片的中心入射，计算在相同入射结构和相同模型下，由不同形式的粒子源辐照所引起的PKA能谱变化趋势；具体如下：
第一步，采用质子作为粒子源，进行真实空间环境模拟，获取质子辐照时的PKA能谱(参见图1)；
第二步，采用质子和电子形成的组合粒子作为粒子源辐照相同入射结构和相同模型，进行真实空间环境模拟，获取质子和电子形成的组合粒子辐照时的PKA能谱(参见图2)；
第三步，采用质子、电子和γ粒子形成的组合粒子作为粒子源辐照相同入射结构和相同模型，进行真实空间环境模拟，获取质子、电子和γ粒子形成的组合粒子辐照时的PKA能谱(参见图3)；
第四步，根据统计到的三种形式粒子源的PKA能谱的数量信息，定性分析固定能量下不同类型的高能粒子所引起的PKA数量变化，得到三种形式的粒子源下PKA能谱变化趋势，达到用于评价后续的缺陷演化处理时输入更合适粒子源的目的。
由图1可知，在质子辐照能量为20MeV时，产生的PKA能量主要在1MeV以内，并且从图中可以看出，其能量可以拓展到3MeV。由图2可知，在使用能量为20MeV的质子和能量为20MeV的电子组合作为粒子源照射硅片时，其PKA能谱分布与单纯由质子作为粒子源的PKA能谱分布相比，有明显区别，但仍然可以发现PKA能量主要在1MeV以内。由图3可知，在使用能量为20MeV的质子、能量为20MeV的电子和能量为20MeV的γ粒子形成的组合粒子作为粒子源照射硅片时，其整体的PKA数量是减少的，但其趋势与图2类似，这主要是因为γ粒子的参与，并不会导致比较明显的初级碰撞原子现象。以上结果说明，使用组合形式的多粒子源能够更加真实地模拟空间环境，使辐射环境效应地面模拟试验的结果更加真实可靠。

Claims (9)

1.一种基于多粒子源模拟计算PKA能谱的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于蒙特卡罗方法，构建半导体探测器模型；
S2、设置粒子源，所述粒子源包括多种形式，至少其中一种形式的所述粒子源包括两种及以上类型的高能粒子；
S3、根据所述半导体探测器模型的硅片厚度进行真实空间环境模拟，计算在相同入射结构和相同模型下，由不同形式的所述粒子源辐照所引起的初级碰撞原子能谱变化趋势。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述高能粒子包括质子、电子、中子或γ粒子。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述粒子源包括下述a)至c)3种形式：
a)质子；
b)质子和电子形成的组合粒子；
c)质子、电子和γ粒子形成的组合粒子。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S2中，不同类型的所述高能粒子的能量相同。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S2中，当所述粒子源为所述质子时，所述质子的能量为20MeV；
当所述粒子源为所述质子和所述电子形成的所述组合粒子时，所述质子和所述电子的能量均为20MeV；
当所述粒子源为所述质子、所述电子和所述γ粒子形成的所述组合粒子时，所述质子、所述电子和所述γ粒子的能量均为20MeV。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S3中，在固定所述高能粒子能量并改变所述粒子源形式的情形下，进行所述真实空间环境模拟。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S3的具体操作为：
第一步，采用所述质子作为所述粒子源，进行所述真实空间环境模拟，获取所述质子辐照时的所述初级碰撞原子能谱；
第二步，采用所述质子和所述电子形成的所述组合粒子作为所述粒子源辐照相同入射结构和相同模型，进行所述真实空间环境模拟，获取所述质子和所述电子形成的所述组合粒子辐照时的所述初级碰撞原子能谱；
第三步，采用所述质子、所述电子和所述γ粒子形成的所述组合粒子作为所述粒子源辐照相同入射结构和相同模型，进行所述真实空间环境模拟，获取所述质子、所述电子和所述γ粒子形成的所述组合粒子辐照时的所述初级碰撞原子能谱；
第四步，根据统计到的第一步至第三步中的所述初级碰撞原子能谱的数量信息，定性分析固定能量下不同类型的所述高能粒子所引起的初级碰撞原子数量变化，得到三种形式的所述粒子源下所述初级碰撞原子能谱变化趋势。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，进行所述真实空间环境模拟时，所述粒子源从所述硅片的中心入射。
9.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述方法的应用对象包括材料、器件、电子系统及结构。
CN202210759690.3A 2022-06-30 2022-06-30 基于多粒子源模拟计算pka能谱的方法 Pending CN115186565A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210759690.3A CN115186565A (zh) 2022-06-30 2022-06-30 基于多粒子源模拟计算pka能谱的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210759690.3A CN115186565A (zh) 2022-06-30 2022-06-30 基于多粒子源模拟计算pka能谱的方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115186565A true CN115186565A (zh) 2022-10-14

Family

ID=83515548

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210759690.3A Pending CN115186565A (zh) 2022-06-30 2022-06-30 基于多粒子源模拟计算pka能谱的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115186565A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Reed et al. Single-event effects ground testing and on-orbit rate prediction methods: the past, present, and future
Duzellier Radiation effects on electronic devices in space
Reed et al. Physical processes and applications of the Monte Carlo radiative energy deposition (MRED) code
CN108008289B (zh) 一种器件质子单粒子效应截面的获取方法
US20050211890A1 (en) Method for evaluating semiconductor device error and system for supporting the same
RU2657327C1 (ru) Способ оценки стойкости элементов цифровой электроники к эффектам сбоев от воздействия единичных частиц
Autran et al. Real-time soft-error rate measurements: A review
Srinivasan et al. Parameter-free, predictive modeling of single event upsets due to protons, neutrons, and pions in terrestrial cosmic rays
CN109657272B (zh) 单粒子效应评估方法和装置
McNulty et al. Proton induced spallation reactions
Abe et al. Neutron-induced soft error analysis in MOSFETs from a 65nm to a 25 nm design rule using multi-scale Monte Carlo simulation method
CN108346565B (zh) 一种基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法
Campajola et al. Applications of accelerators and radiation sources in the field of space research and industry
Fabero et al. SEE sensitivity of a COTS 28-nm SRAM-based FPGA under thermal neutrons and different incident angles
CN108334706B (zh) 双极器件位移损伤引起的性能退化的等效评价方法
Ulrich et al. Primary energy spectra of cosmic rays selected by mass groups in the knee region
Tan et al. Electronic Reliability Analysis under Radiation Environment.
CN115186565A (zh) 基于多粒子源模拟计算pka能谱的方法
Faccio et al. First evaluation of the Single Event Upset (SEU) risk for electronics in the CMS experiment
Peng et al. Terrestrial neutron induced failure rate measurement of SiC MOSFETs using China spallation neutron source
Noah et al. Single event upset studies on the CMS tracker APV25 readout chip
Muhikanci et al. A simulation tool for space applications: Radispice
CN108335979B (zh) 同时产生电离和位移缺陷的辐照粒子能量选择方法
Gao et al. Differences in MBUs induced by high-energy and medium-energy heavy ions in 28 nm FPGAs
Acosta Urdaneta et al. ANEM: A rotating composite target to produce an atmospheric-like neutron beam at the LNL SPES facility

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination