高能宇宙射线与大气相互作用产生大量次级中子，在半导体器件中引起中子单粒子效应，可导致电子系统产生软错误或者硬损伤，影响飞机或者临近空间飞行器飞行的可靠性和安全性。《中子单粒子效应》主要介绍大气中子辐射环境及建模、中子辐射模拟装置和中子辐射环境测量技术、中子单粒子效应机理与数值模拟方法，以及实验方法和数据处理方法，并给出单能中子源、散裂中子源、核反应堆、高山等典型环境的中子单粒子效应实验结果。

该书汇集了团队十多年创新性研究成果，是我国第一部系统介绍中子单粒子效应理论、试验和仿真的学术专著

第1章绪论
　　辐射效应是辐射与物质相互作用产生的物理、生物等现象。电子器件在辐射环境中因为辐射作用产生辐射效应，会导致材料、器件乃至系统等性能下降或失效。辐射效应和抗辐射加固技术研究领域主要考虑核爆辐射、空间天然辐射、激光和高功率微波等辐射环境。空间辐射效应主要有电离总剂量效应、位移损伤效应、单粒子效应、充放电效应。据统计，辐射效应造成的航天器在轨故障约占总故障的45%，如图1.1所示[1-4]，其中单粒子效应占近86%。抗辐射加固技术是提高器件、系统在辐射环境中的抗辐射性能，确保完成规定任务的技术，涉及辐射环境、辐射测量、辐射效应机理、抗辐射加固、实验与评估等内容，属于核科学、电子科学、材料科学等的交叉学科，是航天器在轨长期可靠运行的关键技术，一直是世界航天大国研究的重点和热点[5-6]。
　　1.1空间辐射环境
　　辐射环境包括人为辐射环境和天然辐射环境。人为辐射环境主要包括核爆炸、激光、微波等辐射环境，以及用于科研的实验室辐射环境，如加速器、反应堆、放射源等。天然辐射环境包括大气层外空间辐射环境、大气层中子等。
　　空间辐射环境主要包括银河宇宙射线（galaxy cosmic ray，GCR）、太阳宇宙射线（solar cosmic ray，SCR）和范艾伦辐射带。图1.2给出空间辐射环境示意图。银河宇宙射线是来自银河深处的高能带电粒子，其中85%是质子，14%是.粒子，重离子占1%，粒子能量范围一般为102MeV～109GeV，通量密度一般为几个粒子每平方厘米秒（cm.2 s.1）。太阳宇宙射线是在太阳耀斑爆发期间发射的大量高能质子、电子、重离子、.粒子，其中绝大部分是质子，因此又被称为太阳质子事件。范艾伦辐射带是1985年美国学者范艾伦首先发现的，是存在于地球周围，被地磁场稳定捕获的带电粒子区域，又称为地磁俘获辐射带，主要成分是电子和质子，分为内带和外带。内带是距离地球昀近的捕获带电粒子区域，主要由捕获质子（能量为0.1～400MeV）和捕获电子（能量为0.04～7MeV）组成，还存在少量的重离子。内带在赤道上空100～10000km的高度处，强度昀大的中心位置距地球3000km左右。范艾伦辐射带内的粒子注量率随归一化海拔的变化如图1.3所示。外带的赤道高度为13000～60000km，中心位置在20000～25000km，主要是一个捕获电子带，由0.1～10MeV电子和少量质子组成。南美洲东侧的南大西洋地磁异常区，其磁场强度比邻近区域弱很多，是负磁异常区，导致空间高能带电粒子分布发生改变，尤其是内带高度明显降低，导致低轨卫星辐射损伤严重[7-8]。
　　由于地球周围存在浓密大气层，初级宇宙射线中可以到达地球海平面的不到总量的1%，能量极高的宇宙射线与大气层中的O原子和N原子相互作用引起级联簇射反应，产生的高能次级粒子有介子、介子、光子、电子和由介子、介子衰变产生的中子（n）与质子（p）等，能量覆盖了从兆电子伏到千兆电子伏的范围。这些次级粒子中约有92%的中子、4%的介子、2%的质子、2%的介子和少量重离子。中子能量范围从电子伏量级到1010eV量级，注量率为几百个中子每平方厘米秒。银河宇宙射线诱发的大气中子通量峰值约为20km，太阳质子诱发的大气中子通量峰值约为60km。对于超强的太阳质子事件，其诱发的大气中子通量约为银河宇宙射线的上千倍[11-13]。高能宇宙射线与大气作用产生的次级粒子构成大气辐射环境。其中，大气中子是导致临近空间、航空和地面电子系统产生辐射效应的主要因素。
　　影响大气中子辐射环境的因素主要有三个方面[14-15]：①大气气压，大气密度影响中子通量；②地球磁场，地球磁场改变了太阳宇宙射线的路径，在地球赤道上空影响较弱，在极地附近影响强烈；③太阳耀斑，太阳耀斑产生大量高能粒子，导致地球磁场减弱，使得更多的高能带电粒子进入地球大气层，影响大气中子辐射环境。图1.4为Gordon等[16]在纽约IBM研究中心楼顶测得的大气中子能谱。
　　大气中子辐射环境也可以采用大气模型、宇宙射线模型、地磁截止刚度模型、核反应模型等，模拟宇宙射线与地球磁场、大气相互作用过程，计算大气中子辐射环境参数[14，17-18]，如图1.5所示。
　　1.2典型辐射效应
　　空间辐射与电子器件相互作用，产生电离和位移损伤，包括电离总剂量效应、位移损伤效应、单粒子效应、充放电效应等空间辐射效应。这些效应可以分为硬损伤和软错误。硬损伤指不可恢复的永久损伤，软错误是可纠正或恢复的错误。表1.1和表1.2分别给出了典型电子器件的空间辐射效应及其在不同环境中的严重程度[19-20]。
　　电离辐射效应是指辐射与物质相互作用产生的电子-空穴对在器件内输运导致的性能损伤现象。累积效应是辐射损伤随辐照剂量的累积而变化的现象。位移损伤是器件材料原子被粒子碰撞而离开原来位置导致辐射损伤的现象。充放电效应是空间高能电子穿透卫星表面，在卫星内材料或悬浮导体中积累电荷产生空间静电放电，导致卫星上电子设备工作异常的现象。当单个粒子穿过器件敏感区域时，电离产生的电子-空穴对被电场收集形成脉冲电流，导致器件辐射损伤的现象，称为单粒子效应。

目录
丛书序
前言
第1章　绪论　1　
1.1　空间辐射环境　1　
1.2　典型辐射效应　5　
1.3　单粒子效应　8　
1.4　本书主要内容　11
参考文献　11
第2章　大气中子辐射环境　14　
2.1　大气中子来源简介　14　
2.2　大气中子辐射环境模型　16　
2.2.1　初级宇宙射线模型　17　
2.2.2　地磁截止刚度模型　20　
2.2.3　大气分层模型　23　
2.2.4　粒子输运模拟　24　
2.3　大气中子辐射环境模拟软件　27　
2.3.1　软件简介　27　
2.3.2　软件基本功能　29　
2.4　典型大气中子辐射环境计算结果　30　
2.5　小结　34
参考文献　34
第3章　中子辐射模拟装置　36　
3.1　单能中子源　38　
3.1.1　产生单能中子的核反应　38　
3.1.2　中子发生器　39　
3.1.3　静电加速器　42　
3.1.4　可变能量中子源　46　
3.2　准单能中子源　46　
3.2.1　7Li（p，n）中子源典型布局及参数　47　
3.2.2　准单能中子源举例　49　
3.2.3　国内的准单能中子源　54　
3.3　白光中子源　55　
3.3.1　白光中子源简介　55　
3.3.2　中国散裂中子源反角白光中子源　56　
3.3.3　国外三个典型的白光中子源　61　
3.4　反应堆中子源　65　
3.4.1　西安脉冲反应堆主要特点　65　
3.4.2　西安脉冲反应堆中子参数测试　67　
3.5　小结　70
参考文献　70
第4章　中子辐射环境测量技术　73　
4.1　中子测量技术简介　73　
4.1.1　大气中子探测技术　73　
4.1.2　快中子能谱测量　77　
4.2　大气中子辐射探测器　78　
4.2.1　双层闪烁探测器　78　
4.2.2　Bonner球探测器　90　
4.2.3　粒子甄别与能谱采集　95　
4.3　标定方法　104　
4.3.1　双层闪烁探测器　105　
4.3.2　Bonner球探测器　109　
4.4　双层闪烁探测器中子、质子能谱解谱方法　111　
4.4.1　探测器能量响应　111　
4.4.2　解谱原理　111　
4.4.3　解谱算法　112　
4.4.4　能谱反演　115　
4.5　小结　117
参考文献　117
第5章　中子单粒子效应机理与数值模拟　121　
5.1　中子单粒子效应物理过程　121　
5.1.1　电荷沉积　121　
5.1.2　电荷收集　122　
5.1.3　电路响应　123　
5.2　中子单粒子效应粒子输运模型　124　
5.2.1　器件几何模型　125　
5.2.2　截面计算模型　126　
5.2.3　物理处理列表　127　
5.3　典型存储器中子单粒子效应模拟　128　
5.3.1　大气中子单粒子效应模拟　128　
5.3.2　裂变中子单粒子效应模拟　136　
5.4　小结　138
参考文献　138
第6章　中子单粒子效应测量及数据处理方法　140　
6.1　中子单粒子效应测量和判别　140　
6.1.1　中子单粒子效应测量　140　
6.1.2　中子单粒子效应判别　141　
6.2　MCU提取方法　142　
6.2.1　基于时间或空间的提取方法　142　
6.2.2　基于统计学的提取方法　144　
6.3　实验结果不确定度分析　148　
6.3.1　不确定度的基本概念　148　
6.3.2　实验不确定度的来源　149　
6.3.3　实验不确定度的评定　150　
6.4　不同中子源的单粒子效应实验方法　153　
6.4.1　（准）单能中子实验方法　153　
6.4.2　散裂中子实验方法　154　
6.4.3　大气中子实验方法　155　
6.4.4　器件单粒子效应率计算　156　
6.5　单粒子效应测量系统　156　
6.5.1　基本要求　156　
6.5.2　典型测量系统　158　
6.6　小结　162
参考文献　162
第7章　中子单粒子效应实验　165　
7.1　单能中子单粒子效应实验　165　
7.1.1　SRAM单能中子实验　166　
7.1.2　数字信号处理器单能中子实验　168　
7.2　散裂中子单粒子效应实验　170　
7.2.1　实验基本情况　171　
7.2.2　影响因素分析　174　
7.2.3　实验结果讨论　180　
7.2.4　中国散裂中子源与大气中子的等效性　181　
7.3　反应堆中子单粒子效应实验　183　
7.3.1　典型实验结果　183　
7.3.2　影响因素分析　186　
7.3.3　反应堆实验结果讨论　187　
7.4　地面和高山大气中子单粒子效应实验　188　
7.4.1　羊八井高山实验　188　
7.4.2　欧洲高原实验　191　
7.5　航空飞行中子单粒子效应实验　192　
7.5.1　Samsung SRAM芯片抗单粒子翻转能力测试　193　
7.5.2　NEC SRAM存储芯片抗单粒子翻转能力测试　193　
7.5.3　IMS1601 SRAM芯片航空飞行抗单粒子翻转能力测试　194　
7.6　小结　195
参考文献　195
附录　198