輻射物理研究中的基礎科學問題

輻射物理是研究輻射環境模擬、輻射測量與診斷、輻射效應與抗輻射加固技術的科學，涉及核科學與技術、電子科學與技術、材料科學與技術等多個學科的交叉，主要解決材料、電子元器件與系統的抗輻射加固問題，為提升電子材料、元器件、系統的抗輻射能力提供技術支撐。

輻射環境導致航天器中的電子器件性能下降、狀態改變甚至功能失效，輻射損傷包括單粒子效應、總劑量效應、位移損傷效應、充放電效應等。電子器件輻射損傷是影響航天器在軌長期可靠運行的重要因素之一，據統計，由於各種輻射效應引起的航天器故障佔總故障的40%左右，居航天器各類故障原因之首。

發達國家在輻射物理及應用研究方面技術領先，應用於航天等領域的電子元器件抗輻射加固指標齊全，效應機理研究深入，輻射模擬裝置配套完善，試驗和評估方法規範，技術體系完善。

未來航天器類型和數量不斷增加，軌道複雜、功能多樣，要求高性能、長壽命、高可靠、小型化、輕量化、低功耗、低成本，未來器件發展要求高速度、高密度、高可靠、低功耗、低成本，出現了很多新的輻射效應問題，需要研發新的加固技術，這些要求都給輻射物理及應用研究帶來了新的挑戰。

2014年在國家自然科學基金委數理學部主任基金的支持下，召開了「全國輻射物理戰略研討會」 (項目批准號：11345007)，來自國內30餘所大學及科研院所的60餘位專家參與了研討，研討會分析了國內外輻射物理髮展的趨勢、最新理論與實驗技術，梳理出我國輻射物理方向發展需要研究的基礎科學問題。2015年召開了以「空間輻射物理及應用」為主題的第547次香山科學會議，國內產學研用相關領域的30多家單位的50餘位專家參加了會議，參會專家一致認為，為了解決航空航天技術發展對輻射物理研究提出的迫切需求，推進微電子技術的發展，為電子元器件可靠性提供關鍵技術支撐，急需圍繞航天器高性能、長壽命、高可靠要求，重點開展新材料、新工藝、新器件輻射效應機理研究，通過地面模擬試驗、數值模擬，在軌飛行試驗，建立空間與地面輻射損傷等效關係，建立基礎資料庫，研製自主知識產權軟體和試驗標準規範，研發新的抗輻射加固技術，解決我國航天器抗輻射加固的關鍵基礎科學問題。

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輻射物理研究中的基礎科學問題

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一書

是在戰略研討會和香山科學會議的基礎上，結合國家自然科學基金重大項目「納米器件輻射效應機理及模擬試驗關鍵技術」（項目批准號：11690040）、國家自然科學基金重點項目「源區致電離輻射對電子器件中子輻射效應影響機制研究」（項目批准號：11235008）、國家自然科學基金項目「電子器件、電路和系統輻射效應數值模擬技術研討會」（項目批准號：11545009）的成果，圍繞輻射環境研究與模擬、輻射測量技術、輻射效應機理、電子元器件與系統抗輻射加固技術等方面，分析國內外研究現狀及面臨的挑戰，梳理出輻射物理研究中的基礎科學問題，提出我國空間輻射物理及應用研究發展建議。

1. 強脈衝輻射環境模擬源與空間輻射模擬裝置研究中關鍵問題

輻射環境主要有人為輻射環境和天然輻射環境。人為輻射環境主要通過強脈衝輻射模擬裝置產生，涉及脈衝功率及其負載技術，重點是脈衝電子束/離子束、X射線/γ射線、等離子體產生技術等，在強脈衝輻射場產生方面，需要重點研究的基礎科學問題主要包括束流自身極強的空間電荷效應、束流自磁場、外加磁場與等離子體的相互作用理論，獲得大面積均勻電子束的技術，實現電子束的強聚焦從而獲得小焦斑閃光照相X射線源的技術，圖1是利用特殊幾何構型和束流自磁場產生強聚焦X射線的陽極桿箍縮二極體的數值模擬與實驗結果的對比。在Z箍縮物理方面，需要重點研究的科學問題包括等離子體產生、早期行為及其調製，等離子體輻射轉換機理研究、輻射參數調控及優化，提高Z箍縮過程中的能量利用效率，抑制內爆過程中瑞利-泰勒不穩定性，內爆能量輸運動力學問題，驅動源與Z箍縮負載的能量耦合效率問題，等離子體與材料相互作用的物理機制，高磁壓(100GPa~TPa級)及高速飛片（15~50km/s）穩定生成，材料在更高壓強下（>100GPa）及高速飛片（>20km/s）的准等熵壓縮及衝擊載入性能研究等。

圖1 陽極桿箍縮二極體數值模擬與實驗結果對比

開關是脈衝功率裝置的關鍵技術之一，開關導通與關斷的物理機理複雜，有大量的科學問題有待深入研究，如高重複率、高功率開關技術與放電機理，高穩定性大庫侖通流的基礎問題，大功率、低時間抖動、長壽命、高可靠性開關，新型斷路開關，開關的評估方法及可靠性研究等。圖2是高速相機拍攝的等離子體導通開關的放電圖像。

圖2 等離子體導通開關的放電圖像

在超高功率傳輸與匯聚方面，需要深入研究和分析的科學問題包括：高電流密度磁絕緣傳輸線(MITL)電極間隙中等離子體行為，脈衝強磁場、高電流密度環境下材料物理特性，複雜結構下的磁場分布特性，空間電荷層（電子/離子）行為及對功率傳輸的影響。圖3是超高功率密度的磁絕緣傳輸線陰陽極間隙不同時刻的激光干涉圖像。在極端條件下的材料特性方面需要研究的科學問題包括：新型絕緣(材料與結構)與絕緣損傷機理，超高電流密度下金屬材料表面特性，新型電介質材料與固態形成線等。

圖3 超高功率密度的磁絕緣傳輸線陰陽極間隙不同時刻的激光干涉圖像

天然輻射環境又可分為空間輻射環境與大氣輻射環境。空間輻射環境主要包括地球輻射帶、太陽宇宙線、銀河宇宙線等，與太陽活動及地磁活動密切相關，不同軌道航天器工作的輻射環境差異很大。空間輻射環境的地面模擬主要是利用加速器產生的高能射線粒子，用以檢測航天電子元器件的抗輻射效應、生物學效應等，為航天器的安全與可靠運行以及航天員在弱輻射環境下的健康與安全提供重要保障。目前空間輻射地面模擬裝置研究的重點在於重離子同步加速器相關動力學和技術研究，質子同步加速器慢引出束均勻性研究，高能單色伽馬射線源以及中子源相關技術研究等方面。

2. 脈衝輻射測量與診斷技術研究的新技術與新方法

輻射測量是基於射線或粒子與物質的相互作用而對輻射場進行診斷分析，當粒子通過某種物質時，這種物質就吸收其一部分或全部能量而產生電離或激發作用。隨著核科學技術的發展，強流瞬態脈衝輻射場的產生、應用成為新的研究熱點。尤其是加速器、DPF裝置、脈衝反應堆、同步輻射裝置、散裂中子源的設計和運行，在極短的時間內能夠產生大量粒子。顯然，利用脈衝輻射源作為研究和使用工具時，首先應掌握脈衝輻射源及其形成的脈衝輻射場的特性和有關的特徵量。另一方面，如果需要了解脈衝輻射產生的物理機制、物理過程和規律，也需要對脈衝輻射源和輻射場的特徵量進行診斷。於是，脈衝核輻射源及其輻射場特性診斷理論和物理診斷技術也隨之發展，並逐步形成了實驗核物理中的一個新的分支——脈衝輻射測量與診斷技術。因此，發展脈衝輻射測量和診斷技術，對核技術研究、核反應堆設計、大型核科學裝置研製與運行、天體物理研究、材料分析和醫學應用等都具有重要意義。

脈衝輻射的測量有其特殊性，它具有穩態或准穩態輻射源無法比擬的高輻射強度，對於這類強烈的瞬態核反應過程，探測模式也從傳統的脈衝計數方式轉為電流工作模式。脈衝輻射測量與診斷技術朝著超快、超強、超高粒子分辨和大動態範圍方向發展。

在脈衝輻射測量與診斷中，脈衝束包含的粒子數目隨時間變化的測量、高精度射線能譜的測量是研究的重點。研究實現脈衝計數型測量和脈衝電流型測量的有機銜接也是具有重要應用價值和學術意義課題，它需要研究超快脈衝測量技術。例如，記錄單個粒子輸出的脈衝電流信號在皮秒至納秒量級，超快、高靈敏(單光子)探測能夠將脈衝計數法和脈衝電流法有機結合，將成為研究的重要方向。脈衝輻射場測量的難度主要體現在複雜混合輻射場指定射線參數的精確測量和射線強度的絕對測量兩個方面，表徵脈衝輻射測量的特徵量有探測器靈敏度、時間響應、最大線性電流、能量響應、粒子鑒別能力、探測統計性，探測系統的群探測兼容性、抗輻射干擾能力和抗電磁干擾能力、工作條件依賴性與可靠性、性能穩定性、快速反應能力等。

例如，ISO 12789Reference radiationfields — Simulated workplace neutron fields列出了加速器、放射性核素之外的中子參考場，其中反應堆輻射場以法國的脈衝堆Silene為基礎，圖4是Silene輻射場的平面圖。其中，1表示參考點，2和3表示瓶型人體模型吸收體，4表示面劑量計，5表示裸源或鉛屏蔽源，圖5給出了參考點的中子能譜。

脈衝輻射場探測技術包括探測器、探測方法和應用技術等，包括脈衝輻射場的構建、滿足特殊場合探測需求的先進輻射探測技術研究、新型先進輻射探測器的研製和研究、基於輻射效應的測試和診斷、複雜脈衝輻射場的聯合診斷技術等方面的基礎科學問題。

圖4 Silene脈衝堆布局（平面圖）

圖5 對應參考點的中子能譜分布

3. 新材料、新工藝、新器件輻射效應研究中的關鍵問題

深入認識輻射效應的物理機理是有效開展航天系統抗輻射加固研究的前提，在過去幾十年中已經取得了大量的成果，但仍然面臨著部分效應現象的理論研究不夠深入的問題。與此同時，隨著微電子產業的迅猛發展，近年來大量湧現的新材料、新結構、新器件對於輻射效應機理的研究提出了新的挑戰(圖6)。

(a) 平面體硅器件 (b) 三維FinFET (c) U型溝道器件

圖6 新型器件結構示意圖

新型器件多層金屬布線引入的新材料如銅、鎢等，高能粒子與這些材料的核反應使得器件輻射效應敏感性和複雜性顯著提高；為了解決直接隧穿效應導致的高泄漏電流和高功耗等柵結構中存在的問題，引入高介電常數柵介質、金屬柵電極，不僅帶來了金屬柵/高k柵介質結構與集成工藝兼容性的問題，也使得各種輻射效應變得更加複雜。新材料器件輻射效應研究需要重點關注粒子在材料中產生的能級和缺陷的微觀損傷模型、能量沉積和電荷輸運過程等。

當工藝節點持續縮減，傳統的平面型場效應晶體管不再適用，因此研發了多種新型的多柵晶體管結構。需要研究新型器件的輻射效應損傷建模，在半導體微縮理論、准三維臨界電壓理論、准三維次臨界電流理論以及考慮量子效應的修正基礎上，深入開展輻射效應機制研究，包括器件微觀結構分析，器件中輻射感生缺陷的產生與演化，電荷的輸運與俘獲以及時間空間分布特性等。

航天發展需要存儲器具備大容量存儲、掉電不丟失信息、低功耗、高速、無限次的讀寫。新型非揮發性存儲器具有高速、非揮發、低功耗以及高抗輻射等優異性能，它解決了傳統非揮發信息存儲技術存在的擦寫速度慢、功耗高、可靠性低等問題，應用前景廣泛。需要深入研究新型非揮發性存儲器輻射效應機理、新的測試方法和試驗技術、敏感單元和結構分析方法以及加固設計方法。

應用於航天領域的SoC、SIP等對複雜微系統間的耦合影響嚴重，有許多關鍵問題亟待解決。例如，複雜系統由於片內各模塊之間的連線縮短，系統內各組合模塊間通信關係複雜，在單個模塊中產生的單粒子效應可能通過電荷共享效應、模塊間的耦合效應等因素影響其他模塊，出現異於單個分立器件模塊的單粒子效應新現象。

對於新型器件的輻射效應，可採用多尺度（時間從fs到μs；尺寸從原子量級到m；溫度從100K~2000K）模擬方法進行研究。模擬入射粒子在材料中產生的初級碰撞原子（PKA）的相關信息（種類、數目、能量）；模擬產生的缺陷簇的形成、缺陷的數目及初態分布。研究入射粒子產生的次級產物在材料中形成缺陷的特性；模擬輻照損傷形成的缺陷（間隙、空位、位錯環等）的遷移及退火行為，並分析其變化機理。根據材料宏觀性能隨缺陷濃度的變化關係，結合多尺度模擬的材料微結構演變結果，得到輻照損傷對材料宏觀性能的影響。對質子、中子、γ射線輻射後的器件進行深能級缺陷研究，分析各類輻射產生缺陷的分布及其性質，研究缺陷能級包括缺陷能級類型、能級位置以及俘獲截面等譜學參數對半導體材料能帶結構和性能的影響。模擬在不同輻射劑量下，粒子在器件有源區中的能量沉積，揭示粒子在有源區中的輸運規律，探求非電離能量損失(NIEL)與器件參數退化之間的關係，從而實現通過模擬整個損傷過程（包括初級缺陷的產生，退火和移動以及穩定缺陷的形成和分布）來預測器件宏觀性能的變化，為正確預估質子、中子、γ射線輻射效應提供評估手段。

航天器抗輻射加固研究、設計、評價離不開地面模擬，空間輻射損傷地面模擬是通過地面輻照試驗和模擬，實現與空間相同或相似損傷的表徵，通過對輻射損傷在地面進行量化分析，對掌握損傷機理、採取加固措施、評價抗輻射性能、選用合適的材料和器件具有十分重要的意義。地面模擬試驗環境與空間輻射環境有較大差異，重點需要研究不同源、不同注量率/劑量率、不同能量粒子、不同時間尺度輻射損傷的等效性問題。