Mức độ ảnh hưởng của các hạt tích điện và của bức xạ điện từ được xác định bằng liều hấp thụ. Một hiệu ứng ảnh hưởng rất lớn đến hệ điện tử là hiệu ứng làm thay đổi vị trí của nguyên tử trong mạng tinh thể dẫn đến hư hại mạng tinh thể của linh kiện bán dẫn. Hiệu ứng này chủ yếu là do sự tương tác (tán xạ) của neutron với các nguyên tử trong tinh thể như Silic. Vì thế việc đánh giá thông lượng neutron trên các bản mạch là vô cùng quan trọng.
Các hư hỏng được tạo thành khi neutron va chạm với hạt nhân nguyên tử Si và truyền cho hạt nhân này một năng lượng lớn hơn năng lượng ngưỡng khoảng ER = 20eV, làm bật một nguyên tử Si ra khỏi tinh thể. Với hiệu ứng này thì một chỗ khuyết và một khoảng trống được tạo ra (Frenkel pair). Nếu năng lượng được truyền cho nguyên tử này đủ lớn thì nó có thể làm cho các nguyên tử Silic khác bị bật ra, và hiệu ứng thác lũ được hình thành, đến lúc kết thúc quá trình thác lũ này thì mật độ chỗ khuyết và lỗ trống được tạo ra rất cao. Hiện tượng tái hợp có thể xảy ra nếu khoảng cách giữa khoảng trống và nguyên tử silic này bé hơn hằng số cấu trúc tinh thể. Các lỗ trống và các vị trí khuyết mà không được tái hợp thì sẽ di chuyển trong tinh thể và có thể gây ra phản ứng với các tạp chất trong tinh thể. Các hiệu ứng này sẽ làm thay đổi các thông số của thiết bị [16].
Mức độ hư hại của tinh thể phụ thuộc vào năng lượng của neutron. Đại lượng đặc trưng cho sự phụ thuộc này gọi là tiết diện làm hư hỏng tinh thể D (Displacement damage cross-section). Đại lượng này tương đương với mức độ mất năng lượng không phải do ion hóa NIEL (Non Ionizing Energy Loss). Vì thế có một sự tỉ lệ giữa D và mức độ hư hại tinh thể. Đơn vị của D là [MeVmb] trong khi đó đơn vị của NIEL là [keVcm2.g]. Đối với Silicon A=28.086 g/mol thì mối quan hệ giữa D và NIEL là 100MeVmb = 2.144keVcm2/g. Các giá trị của D và NIEL phụ thuộc vào kiểu hạt và năng lượng của chúng. Với neutron có năng lượng 1 MeV thì giá trị là của D là: Dn(1MeV) = 95MeVmb. Để tiện lợi cho việc kiểm chứng và so sánh với thực nghiệm thì người ta đưa ra một hằng số độ cứng k (hardness factor) để chuẩn hóa các năng lượng khác trở về tương đương với neutron có năng lượng 1 MeV, k=D(E)/Dn(1MeV). K còn gọi là hệ số của neutron (neutron weight) [11]. Sự phụ thuộc của k vào năng lượng neutron được đưa ra trong đồ thị ở hình 3.9.
Hình 3.9 Sự phụ thuộc của D(E)/Dn(95MeVmb) vào năng lượng [16] (Displacement damage function)
Vì thế kết quả tính toán cho thông lượng neutron chính là thông lượng của neutron có năng lượng 1 MeV. Việc sử dụng sự tương đương này để đơn giản hóa việc kiểm tra bằng thực nghiệm.
Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của neutron lên các bảng mạch này được thực hiện ở Đại học Tổng hợp Tokyo[15] còn thấy rằng mức độ ảnh hưởng của neutron lên bảng mạch còn phụ thuộc vào góc chiếu xạ. Khi neutron bay đến theo phương vuông góc với bảng mạch thì mức độ ảnh hưởng ít hơn là khi neutron bay đến theo từ phía biên. Hình 3.10 minh họa các góc chiếu neutron và kết quả tổng số các sự kiện hư hại không có khả năng phục hồi khi chiếu neutron lên chíp FPGA một liều tương đương với 90 phút.
Hình 3.10 Chiếu xạ neutron theo các phương khác nhau lên FPGA và tổng số sự kiện hư hại không có khả năng phục hồi quan sát được[15].
Vì thế trong quá trình tính toán chúng ta phải tính đến phương của neutron lên hệ bảng mạch. Và được tính như sau:
2 2 2 ) sin( 1 _ y x p p p w mom (3.2)
Trong đó: θ là góc giữa phương bay của neutron và mặt phẳng chứa bảng
mạch (góc giửa phương bay và trục z). Góc ở đây được quy ước khác với góc khi chiếu xạ ở trên. Cụ thể là góc 0o và 180o ở trên tương đương với góc θ =
900 ở đây (vuông góc với bảng mạch) và góc 900 ở trên tương đương với góc 0o và 180o (song song với trục z). p, px và py là momen động lượng toàn phần và momen động lượng theo phương x và y.
Vì thế thông lượng neutron được tính bằng công thức:
year s t w mom k i * * _ (3.3) Trong đó:
- i là thông lượng neutron ở lớp thứ i, có đơn vị neutron/cm2/năm. - t là thời gian mô phỏng tương đương với thời gian thực, đơn vị giây - year = 365*24*3600 (s)
- s là tổng diện tích tất cả các bảng mạch tạo thành lớp thứ i
Kết quả thực nghiệm[3] cũng đã thiết lập giá trị thông lượng neutron tương đương với neutron năng lượnng 1MeV để thí nghiệm có thể hoạt động bền vững là 1011 neutron/cm2/năm.
Sử dụng dữ liệu mô phỏng với thời gian tương đương thời gian thực t=100μs cho vùng gần detector và 10μs cho vùng xa detector và tính toán thông lượng neutron theo công thức 3.3 ta thu được thông lượng neutron như ở hình 3.11. Hình 3.11a là thông lượng neutron trên hệ các bảng mạch do ảnh hưởng từ xa, do các hạt của chùm tia bị lệch trong khoảng trong khoảng 4m<|z|<28m và hình 3.11b là thông lượng neutron do ảnh hưởng gần với
|z|≤4m. Ta thấy rằng ảnh hưởng từ vùng xa đến hệ bảng mạch là không đáng kể, rất bé so với ảnh hưởng từ vùng gần detector. Vì thế nên thông lượng neutron tổng cộng trên hệ bảng mạch không quá khác so với thông lượng neutron do ảnh hưởng từ vùng |z|<4m. như ở trong hình 3.12.
(a) (b)
Hình 3.11 Thông lượng neutron trên các bảng mạch; 3.11a, ảnh hưởng từ vùng xa và 3.10b, ảnh hưởng từ vùng gần.
Hình 3.12 Tổng thông lượng neutron trên bảng mạch điện của detector CDC Với |z|<28m.
Ta thấy rằng thông lượng neutron trên hệ bảng mạch chủ yếu do hiệu ứng Bhabha và hiệu ứng Coulomb từ chùm năng lượng thấp gây ra. Thông
lượng neutron cực đại 2.2*1011 neutron/cm2/năm ở các bảng mạch của lớp trong cùng và giảm dần theo bán kính, trong khi đó giá trị cực đại để mà nó vẫn có thể hoạt động bền vững suốt thời gian làm thí nghiệm là 1011
Chương 4 – XÁC ĐỊNH CÁC VỊ TRÍ SINH NEUTRON VÀ THIẾT KẾ CHE CHẮN
Từ các kết quả tính toán ở trong chương 3 ta thấy rằng tốc độ đếm phông và tổng liều hấp thụ trong một năm thấp hơn so với giới hạn. Nhưng thông lượng neutron thì cao hơn rất nhiều so với giới hạn chịu đựng của bảng mạch. Để cho thí nghiệm có thể hoạt động tốt và kéo dài như dự kiến (khoảng hơn 10 năm) thì việc che chắn để giảm thông lượng neutron là một điều hết sức quan trọng.