[发明专利]一种基于SRAM的中子能谱探测器及测量中子能谱的反演算法

说明书

本发明涉及辐射探测技术领域，尤指一种基于静态随机存取存储器芯片（以下称为SRAM）的中子能谱探测器及测量中子能谱的反演算法；包括硬件设备和反演算法两部分，其中硬件设备是一套基于SRAM的中子能谱探测器；反演算法是通过统计若干不同种类且SEU截面函数已知的SRAM翻转次数，反推出未知中子能谱；采用贝叶斯方法进行中子能谱的反演,易于通过程序实现，实验测量中子能谱时，通过积累一定数量的统计，得到一组芯片随中子能量变化的翻转概率曲线，每块芯片的翻转概率分布代入能谱反演程序，得到中子能谱，能谱反演程序基于C++语言和开源代码库ROOT数据分析程序包进行开发。通过测试验证，本发明的测试方法可以确保结果的准确性和有效性。

技术领域

本发明涉及辐射探测技术领域，尤指一种基于SRAM的中子能谱探测器及测量中子能谱的反演算法。

背景技术

中子能谱测量对核物理的研究很有意义，通过测量出射中子的能谱、截面、角分布等，或反应产物的各种参量随入射中子能量变化的规律，获得有关核结构和核反应机制的信息及有实际应用价值的核参量。例如，测量产生中子核反应的能谱，可以得到核能级的资料。测量非弹性散射中子能谱，则可以直接获得核激发能级的数据。在中子应用领域，中子能谱测量也很重要，例如，设计和实验核反应堆和核武器，需要知道裂变元素的裂变中子能谱，以及动力装置内的中子谱。推广中子源应用时，也涉及需要知道中子源的中子能谱和实验装置内的中子能谱。

在目前的实验中，常用的探测方法有飞行时间法、反冲质子法、核反应探测法、阈探测器法四种。基于研究需求，本发明旨在提供另外一种获得中子能谱的方法，即通过反演算法推导得到中子能谱的方法，在核物理、高能物理和粒子天体物理研究中，能谱反演是一种被广泛应用的数据分析方法。在本发明中，研究的是一种基于SRAM的中子能谱探测器及测量中子能谱的反演算法。

SRAM是随机存取存储器的一种，其单粒子翻转效应(以下称为SEU)是由中子与半导体器件中的B或者Si元素作用产生的次级α粒子引起的。较高能量的α粒子在半导体PN结区会造成较大的电离电流，从而造成这部分寄存器状态变化。由于半导体内占大量比例的Si元素同中子反应阈值较高(3MeV)，同时高能量α粒子的SEU效应更显著。所以高能区中子会对SEU起主要作用，而低能及热中子的SEU效应可以忽略。这就决定了基于SRAM的中子能谱探测器具备3MeV到更高能区的中子测量能力，且基本不受散射的热中子、γ等本底的影响。

如图1中常见的SRAM芯片翻转截面随中子能量变化曲线图所示，图中①、②和③中曲线分别代表不同规格的芯片，这类芯片在中子达到某个能量后开始有一定的SEU概率，这种概率不断上升并在一定能量后饱和。描述这个过程的主要参数有：

翻转阈值：指芯片产生SEU效应时中子的最低能量；

饱和翻转截面：中子达到一定能量后芯片的SEU截面不会继续增加，此时的截面成为饱和截面；

饱和阈值：指芯片达到饱和截面时的中子能量。

这些参数随不同芯片会有不同。其中饱和翻转截面与芯片可以测量的中子通量相关。如图2不同工艺芯片的翻转截面图所示，图中给出了不同工艺芯片的bit翻转截面，常见的SRAM饱和截面在10^-16到10^-13/cm²bit。一个8MB容量的SRAM在10⁸/cm²/s的束流强度下会产生60-6000Hz翻转。一般的电子学读写速度有足够的时间处理这类翻转事件，同时选择容量大小不同的SRAM还可以调整其翻转频率从而针对不同强度的中子源进行测量。

更具体得知，从一个芯片开始出现SEU到芯片达到饱和翻转截面，是这个芯片对中子能谱灵敏区间。翻转阈值和饱和阈值关系到芯片可以测量的中子能区范围。一般的SRAM芯片翻转阈值和饱和阈值在3MeV到100MeV之间。所以，为了能够得到具体的中子能谱，应当选择适当的器件，通过组合不同的SRAM，可以测量这个区间的中子能谱。

发明内容