发达国家在辐射物理及应用研究方面技术领先，应用于航天等领域的电子元器件抗辐射加固指标齐全，效应机理研究深入，辐射模拟装置配套完善，试验和评估方法规范，技术体系完善。

未来航天器类型和数量不断增加，轨道复杂、功能多样，要求高性能、长寿命、高可靠、小型化、轻量化、低功耗、低成本，未来器件发展要求高速度、高密度、高可靠、低功耗、低成本，出现了很多新的辐射效应问题，需要研发新的加固技术，这些要求都给辐射物理及应用研究带来了新的挑战。

2014年在国家自然科学基金委数理学部主任基金的支持下，召开了“全国辐射物理战略研讨会” (项目批准号：11345007)，来自国内30余所大学及科研院所的60余位专家参与了研讨，研讨会分析了国内外辐射物理发展的趋势、最新理论与实验技术，梳理出我国辐射物理方向发展需要研究的基础科学问题。2015年召开了以“空间辐射物理及应用”为主题的第547次香山科学会议，国内产学研用相关领域的30多家单位的50余位专家参加了会议，参会专家一致认为，为了解决航空航天技术发展对辐射物理研究提出的迫切需求，推进微电子技术的发展，为电子元器件可靠性提供关键技术支撑，急需围绕航天器高性能、长寿命、高可靠要求，重点开展新材料、新工艺、新器件辐射效应机理研究，通过地面模拟试验、数值仿真，在轨飞行试验，建立空间与地面辐射损伤等效关系，建立基础数据库，研制自主知识产权软件和试验标准规范，研发新的抗辐射加固技术，解决我国航天器抗辐射加固的关键基础科学问题。

《辐射物理研究中的基础科学问题》一书是在战略研讨会和香山科学会议的基础上，结合国家自然科学基金重大项目“纳米器件辐射效应机理及模拟试验关键技术”（项目批准号：11690040）、国家自然科学基金重点项目“源区致电离辐射对电子器件中子辐射效应影响机制研究”（项目批准号：11235008）、国家自然科学基金项目“电子器件、电路和系统辐射效应数值模拟技术研讨会”（项目批准号：11545009）的成果，围绕辐射环境研究与模拟、辐射测量技术、辐射效应机理、电子元器件与系统抗辐射加固技术等方面，分析国内外研究现状及面临的挑战，梳理出辐射物理研究中的基础科学问题，提出我国空间辐射物理及应用研究发展建议。

1.  强脉冲辐射环境模拟源与空间辐射模拟装置研究中关键问题

辐射环境主要有人为辐射环境和天然辐射环境。人为辐射环境主要通过强脉冲辐射模拟装置产生，涉及脉冲功率及其负载技术，重点是脉冲电子束/离子束、X射线/γ射线、等离子体产生技术等，在强脉冲辐射场产生方面，需要重点研究的基础科学问题主要包括束流自身极强的空间电荷效应、束流自磁场、外加磁场与等离子体的相互作用理论，获得大面积均匀电子束的技术，实现电子束的强聚焦从而获得小焦斑闪光照相X射线源的技术，图1是利用特殊几何构型和束流自磁场产生强聚焦X射线的阳极杆箍缩二极管的数值模拟与实验结果的对比。在Z箍缩物理方面，需要重点研究的科学问题包括等离子体产生、早期行为及其调制，等离子体辐射转换机理研究、辐射参数调控及优化，提高Z箍缩过程中的能量利用效率，抑制内爆过程中瑞利-泰勒不稳定性，内爆能量输运动力学问题，驱动源与Z箍缩负载的能量耦合效率问题，等离子体与材料相互作用的物理机制，高磁压(100GPa~TPa级)及高速飞片（15~50km/s）稳定生成，材料在更高压强下（>100GPa）及高速飞片（>20km/s）的准等熵压缩及冲击加载性能研究等。

图1 阳极杆箍缩二极管数值模拟与实验结果对比

开关是脉冲功率装置的关键技术之一，开关导通与关断的物理机理复杂，有大量的科学问题有待深入研究，如高重复率、高功率开关技术与放电机理，高稳定性大库仑通流的基础问题，大功率、低时间抖动、长寿命、高可靠性开关，新型断路开关，开关的评估方法及可靠性研究等。图2是高速相机拍摄的等离子体导通开关的放电图像。

图2 等离子体导通开关的放电图像

在超高功率传输与汇聚方面，需要深入研究和分析的科学问题包括：高电流密度磁绝缘传输线(MITL)电极间隙中等离子体行为，脉冲强磁场、高电流密度环境下材料物理特性，复杂结构下的磁场分布特性，空间电荷层（电子/离子）行为及对功率传输的影响。图3是超高功率密度的磁绝缘传输线阴阳极间隙不同时刻的激光干涉图像。在极端条件下的材料特性方面需要研究的科学问题包括：新型绝缘(材料与结构)与绝缘损伤机理，超高电流密度下金属材料表面特性，新型电介质材料与固态形成线等。

图3 超高功率密度的磁绝缘传输线阴阳极间隙不同时刻的激光干涉图像

天然辐射环境又可分为空间辐射环境与大气辐射环境。空间辐射环境主要包括地球辐射带、太阳宇宙线、银河宇宙线等，与太阳活动及地磁活动密切相关，不同轨道航天器工作的辐射环境差异很大。空间辐射环境的地面模拟主要是利用加速器产生的高能射线粒子，用以检测航天电子元器件的抗辐射效应、生物学效应等，为航天器的安全与可靠运行以及航天员在弱辐射环境下的健康与安全提供重要保障。目前空间辐射地面模拟装置研究的重点在于重离子同步加速器相关动力学和技术研究，质子同步加速器慢引出束均匀性研究，高能单色伽马射线源以及中子源相关技术研究等方面。

2.  脉冲辐射测量与诊断技术研究的新技术与新方法

辐射测量是基于射线或粒子与物质的相互作用而对辐射场进行诊断分析，当粒子通过某种物质时，这种物质就吸收其一部分或全部能量而产生电离或激发作用。随着核科学技术的发展，强流瞬态脉冲辐射场的产生、应用成为新的研究热点。尤其是加速器、DPF装置、脉冲反应堆、同步辐射装置、散裂中子源的设计和运行，在极短的时间内能够产生大量粒子。显然，利用脉冲辐射源作为研究和使用工具时，首先应掌握脉冲辐射源及其形成的脉冲辐射场的特性和有关的特征量。另一方面，如果需要了解脉冲辐射产生的物理机制、物理过程和规律，也需要对脉冲辐射源和辐射场的特征量进行诊断。于是，脉冲核辐射源及其辐射场特性诊断理论和物理诊断技术也随之发展，并逐步形成了实验核物理中的一个新的分支——脉冲辐射测量与诊断技术。因此，发展脉冲辐射测量和诊断技术，对核技术研究、核反应堆设计、大型核科学装置研制与运行、天体物理研究、材料分析和医学应用等都具有重要意义。

脉冲辐射的测量有其特殊性，它具有稳态或准稳态辐射源无法比拟的高辐射强度，对于这类强烈的瞬态核反应过程，探测模式也从传统的脉冲计数方式转为电流工作模式。脉冲辐射测量与诊断技术朝着超快、超强、超高粒子分辨和大动态范围方向发展。

在脉冲辐射测量与诊断中，脉冲束包含的粒子数目随时间变化的测量、高精度射线能谱的测量是研究的重点。研究实现脉冲计数型测量和脉冲电流型测量的有机衔接也是具有重要应用价值和学术意义课题，它需要研究超快脉冲测量技术。例如，记录单个粒子输出的脉冲电流信号在皮秒至纳秒量级，超快、高灵敏(单光子)探测能够将脉冲计数法和脉冲电流法有机结合，将成为研究的重要方向。脉冲辐射场测量的难度主要体现在复杂混合辐射场指定射线参数的精确测量和射线强度的绝对测量两个方面，表征脉冲辐射测量的特征量有探测器灵敏度、时间响应、最大线性电流、能量响应、粒子鉴别能力、探测统计性，探测系统的群探测兼容性、抗辐射干扰能力和抗电磁干扰能力、工作条件依赖性与可靠性、性能稳定性、快速反应能力等。

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参考场，其中反应堆辐射场以法国的脉冲堆Silene为基础，图4是Silene辐射场的平面图。其中，1表示参考点，2和3表示瓶型人体模型吸收体，4表示面剂量计，5表示裸源或铅屏蔽源，图5给出了参考点的中子能谱。

脉冲辐射场探测技术包括探测器、探测方法和应用技术等，包括脉冲辐射场的构建、满足特殊场合探测需求的先进辐射探测技术研究、新型先进辐射探测器的研制和研究、基于辐射效应的测试和诊断、复杂脉冲辐射场的联合诊断技术等方面的基础科学问题。

图4  Silene脉冲堆布局（平面图）

图5  对应参考点的中子能谱分布

3.  新材料、新工艺、新器件辐射效应研究中的关键问题

深入认识辐射效应的物理机理是有效开展航天系统抗辐射加固研究的前提，在过去几十年中已经取得了大量的成果，但仍然面临着部分效应现象的理论研究不够深入的问题。与此同时，随着微电子产业的迅猛发展，近年来大量涌现的新材料、新结构、新器件对于辐射效应机理的研究提出了新的挑战(图6)。

(a)      平面体硅器件              (b) 三维FinFET          (c) U型沟道器件 

图6  新型器件结构示意图

新型器件多层金属布线引入的新材料如铜、钨等，高能粒子与这些材料的核反应使得器件辐射效应敏感性和复杂性显著提高；为了解决直接隧穿效应导致的高泄漏电流和高功耗等栅结构中存在的问题，引入高介电常数栅介质、金属栅电极，不仅带来了金属栅/高k栅介质结构与集成工艺兼容性的问题，也使得各种辐射效应变得更加复杂。新材料器件辐射效应研究需要重点关注粒子在材料中产生的能级和缺陷的微观损伤模型、能量沉积和电荷输运过程等。

当工艺节点持续缩减，传统的平面型场效应晶体管不再适用，因此研发了多种新型的多栅晶体管结构。需要研究新型器件的辐射效应损伤建模，在半导体微缩理论、准三维临界电压理论、准三维次临界电流理论以及考虑量子效应的修正基础上，深入开展辐射效应机制研究，包括器件微观结构分析，器件中辐射感生缺陷的产生与演化，电荷的输运与俘获以及时间空间分布特性等。

航天发展需要存储器具备大容量存储、掉电不丢失信息、低功耗、高速、无限次的读写。新型非挥发性存储器具有高速、非挥发、低功耗以及高抗辐射等优异性能，它解决了传统非挥发信息存储技术存在的擦写速度慢、功耗高、可靠性低等问题，应用前景广泛。需要深入研究新型非挥发性存储器辐射效应机理、新的测试方法和试验技术、敏感单元和结构分析方法以及加固设计方法。

应用于航天领域的SoC、SIP等对复杂微系统间的耦合影响严重，有许多关键问题亟待解决。例如，复杂系统由于片内各模块之间的连线缩短，系统内各组合模块间通信关系复杂，在单个模块中产生的单粒子效应可能通过电荷共享效应、模块间的耦合效应等因素影响其他模块，出现异于单个分立器件模块的单粒子效应新现象。

对于新型器件的辐射效应，可采用多尺度（时间从fs到μs；尺寸从原子量级到m；温度从100K~2000K）模拟方法进行研究。模拟入射粒子在材料中产生的初级碰撞原子（PKA）的相关信息（种类、数目、能量）；模拟产生的缺陷簇的形成、缺陷的数目及初态分布。研究入射粒子产生的次级产物在材料中形成缺陷的特性；模拟辐照损伤形成的缺陷（间隙、空位、位错环等）的迁移及退火行为，并分析其变化机理。根据材料宏观性能随缺陷浓度的变化关系，结合多尺度模拟的材料微结构演变结果，得到辐照损伤对材料宏观性能的影响。对质子、中子、γ射线辐射后的器件进行深能级缺陷研究，分析各类辐射产生缺陷的分布及其性质，研究缺陷能级包括缺陷能级类型、能级位置以及俘获截面等谱学参数对半导体材料能带结构和性能的影响。模拟在不同辐射剂量下，粒子在器件有源区中的能量沉积，揭示粒子在有源区中的输运规律，探求非电离能量损失(NIEL)与器件参数退化之间的关系，从而实现通过模拟整个损伤过程（包括初级缺陷的产生，退火和移动以及稳定缺陷的形成和分布）来预测器件宏观性能的变化，为正确预估质子、中子、γ射线辐射效应提供评估手段。

航天器抗辐射加固研究、设计、评价离不开地面模拟，空间辐射损伤地面模拟是通过地面辐照试验和仿真，实现与空间相同或相似损伤的表征，通过对辐射损伤在地面进行量化分析，对掌握损伤机理、采取加固措施、评价抗辐射性能、选用合适的材料和器件具有十分重要的意义。地面模拟试验环境与空间辐射环境有较大差异，重点需要研究不同源、不同注量率/剂量率、不同能量粒子、不同时间尺度辐射损伤的等效性问题。

本文摘编自陈伟、杨海亮、邱爱慈、欧阳晓平、夏佳文、王立、曾超、谢彦召编著《辐射物理研究中的基础科学问题》一书，有删节。

辐射物理研究中的基础科学问题

陈伟 等  编著

ISBN 9787030575838

责任编辑：宋无汗

（本期编辑：王芳）

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