放射性同位素锎源252Cf及其应用研究

放射性锎（252Cf）源是一种在20世纪广泛使用的重离子辐射源，时至今日，ESA ESTEC试验中心仍采用这种模拟源来测试评估航天器用电子器件和集成电路的单粒子效应敏感性。放射性锎（252Cf）源具有α衰变和自发裂变两种衰变方式。α衰变寿命为2.63年，α衰变中α粒子的分支比例为96.91%，α衰变中可以发射三种不同能量的粒子，其中5.98 MeV的占0.2%，6.08 MeV的占15.2%，6.12 MeV的占81.6%。这些α粒子在半导体硅材料中的LET值（Si）约为1.6 MeV·cm2/mg，一般来说难以诱发单粒子效应；自发裂变分支比例为3.09%，寿命为85年（其他同位素的自发裂变寿命为1010～1016年）。放射性锎（252Cf）源自发裂变碎片的质量分布与235U和239Pu的热中子裂变相似，有明显的两个峰，一个峰对应的裂变碎片平均质量为106.2 AMU（电荷数z为46），平均动能为102.5 MeV；另一个峰的平均质量为142.2 AMU（电荷数z为58），平均动能为78.7 MeV；绝大部分（95%）裂变碎片的LET值（Si）在41～45 MeV·cm2/mg范围内，59.4%裂变碎片的LET值（Si）在43～44 MeV·cm2/mg范围内。

锎源在放射性衰变后产生的高能裂变碎片，可被利用进行单粒子效应模拟试验。锎源是在实验室条件下进行单粒子效应模拟试验的有效手段，这种源由于使用方便，节省费用，能模拟大部分电子器件和集成电路的单粒子效应等优点，在实验室中得到了广泛应用，NASA、ESA和我国都利用锎源开展了许多单粒子效应测试试验和验证评估工作，为航天器辐射加固保障设计提供了技术保证。锎源的主要特点是，可以部分实现重离子的模拟，试验设备相对简单和易于维护及运行方便，锎源裂变碎片在硅中的射程较短（6～15.5 μm），多用于敏感区较浅的器件的单粒子效应研究和加速器试验前的摸底试验及测试。目前，常见实验室的锎源模拟试验系统主要参数指标为：放射源是252Cf同位素，总活度一般要求在1.0～5.0微居里（μCi）之间，放射源半衰期为2.639年。一般认为，252Cf同位素裂变碎片的LET值在41～45 MeV·cm2/mg范围内，平均LET值为43 MeV·cm2/mg，在硅材料中的射程是6～16.5 μm。锎源裂变碎片的平均LET值（Si）大于100 MeV 56Fe离子的LET值（Si），而56Fe离子是宇宙射线中浓度最强的成分，从这一点来看，252Cf源适于模拟宇宙射线引发的单粒子效应。

实践证明，在单粒子效应测试系统调试和初步模拟试验中，采用锎源裂变碎片开展单粒子效应试验是一种方便简易的手段。如在进行模/数转换器单粒子翻转测试系统调试的过程中，用252Cf源进行单粒子效应初步试验研究中，发现ADC0809在252Cf源裂变碎片的轰击下，具有一定的误码点和误码区。在静态存储器多位翻转中采用252Cf源对器件（HM628128）进行预备试验中，检测到了MBU，全部为两位翻转，其中一个“0→1”和一个“1→0”最容易发生，“00→11”次之，而没有发现“11→00”的。采用锎源，结合对裂变碎片能谱的精确测量和LET值的改变，对某些器件可以实现翻转截面曲线的测量。

利用锎源裂变碎片开展单粒子效应模拟试验时，一般将放射源和待测器件放置在真空装置中，这样可以避免大气对裂变碎片造成的衰减。图4-47为放射性锎（252Cf）源单粒子效应试验装置结构示意图。

图4-47　放射性锎（252Cf）源单粒子效应试验装置结构示意图(www.xing528.com)

1—放射源；2—衰减器；3—IRIS；4—导光管（照明装置）；5—闪烁体测试仪；
6—表面势垒探测仪；7—待测器件（DUT）

放射性锎（252Cf）源单粒子效应试验装置主要由真空室、锎（252Cf）源、衰变器及碎片特性测量仪及待测器件支架等主要部件构成。其中衰变器主要是通过对裂变碎片的衰减而实现其LET值的改变，闪烁体主要实现对裂变碎片强度和能谱的测量和校对，表面势垒探测器（SSD）也实现对裂变碎片能谱的测量及与闪烁体测量结果的校对。在放射性锎（252Cf）源单粒子效应试验装置中，测试器件和表面势垒探测器（SSD）等通过电磁屏蔽和真空耦合的多芯电缆与外部测试设备相连。

放射性锎（252Cf）源放置于真空室中，通过遥控支架，可以改变和精确确定源与样品之间的距离，1.0微居里（μCi）252Cf源表面的中子剂量率小于等于0.5 mrem/h，真空靶室外表面的β和γ总剂量率小于等于0.2 mrem/h，基本上可以安全使用。

虽然利用放射性锎（252Cf）源单粒子效应试验装置可以开展相关单粒子效应试验测试研究工作，但其存在一定的不足之处。第一，由于裂变碎片的射程很短，可能小于器件的灵敏区深度，将会导致模拟试验结果低估了电子器件和集成电路单粒子效应的敏感性；第二，裂变碎片的LET值随穿透深度急剧减小，必须经过仔细分析才能获得正确的结论。而裂变碎片包括许多不同类型和较宽能谱的离子，其模拟试验测试数据的分析比加速器试验结果的分析要复杂得多；第三，为了仔细分析裂变碎片模拟试验测试数据，必须精确测定裂变碎片的能谱、LET谱和射程谱，试验测试过程变得比较繁杂。