论文标题：Interactions of Low-Energy Muons with Silicon: Numerical Simulation of Negative Muon Capture and Prospects for Soft Errors

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-4362/5/1/7

期刊名：Journal of Nuclear Engineering

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/jne

在大气辐射环境中，μ介子是宇宙射线与大气相互作用产生的最丰富的带电粒子。尽管长期以来μ介子被认为对微电子器件的影响较小，但随着半导体工艺不断向纳米尺度演进，器件临界电荷持续降低，低能μ介子对电路可靠性的潜在威胁正引起学术界和工业界的高度关注。

近日，法国艾克斯-马赛大学微电子与纳米技术研究所的Jean-Luc Autran教授和法国雷恩大学Daniela Munteanu研究员在Journal of Nuclear Engineering期刊上发表了题为《低能μ介子与硅的相互作用：负μ介子俘获的数值模拟及其对软错误的前景》的最新研究成果。该研究利用Geant4和SRIM数值模拟工具，系统研究了能量低于10 MeV的低能μ介子在硅材料中的相互作用机制，特别聚焦于负μ介子被硅原子捕获后的核反应过程。

研究过程与结果

研究团队构建了厚度为100 μm的硅靶材模型，模拟了10⁶个能量为1 MeV的负μ介子垂直入射后的物理过程。研究表明，低能μ介子在硅中的能量损失主要分为两个能量区间：高于2 keV时以直接电离为主，低于2 keV时负μ介子可被硅原子捕获形成μ介子原子，随后通过级联跃迁到达基态，最终与原子核发生弱相互作用而被捕获。

图中展示了负μ介子捕获后在硅中产生的次级粒子能量分布，包括μ介子级联过程中发射的俄歇电子和特征X射线，以及原子核蒸发阶段释放的γ光子。这些次级粒子的种类和能量分布对理解单粒子效应的物理机制至关重要。

模拟结果显示，在自然硅中，负μ介子被原子捕获后，约34.8%发生衰变，65.2%被原子核捕获。核捕获反应中，79.2%发射中子，22.7%发射轻带电粒子（质子、氘核、氚核、α粒子等），17.9%同时发射中子和带电粒子。产生的次级碎片涵盖从锂到铝的多种元素，其中铝核占57.9%，质子占13.1%，镁核占11.8%，α粒子占5.0%。

研究进一步分析了这些次级粒子的线性能量转移（LET）和射程分布。结果表明，铝、镁、钠等重碎片的LET值可达10 MeV·cm²/mg量级，射程在纳米至微米范围，能够在器件敏感区内沉积大量电荷。值得关注的是，μ介子捕获过程中发射的大量俄歇电子能量集中在100 keV以下，其电离能力对于低临界电荷的先进工艺节点不容忽视。

研究总结

本研究定量揭示了负μ介子捕获反应对微电子器件单粒子效应的潜在贡献。平均每次捕获事件可释放约1.92 MeV能量，在硅中产生约85 fC的电荷沉积，这一数值已超过先进SRAM存储单元的临界电荷阈值。研究结果解释了此前实验中观察到的负μ介子引发的软错误率显著高于正μ介子的现象，也为理解多单元翻转的物理机制提供了新视角。

研究团队指出，尽管在海平面环境下高能中子仍是引发软错误的主导因素，但随着工艺节点持续微缩，负μ介子捕获产生的次级粒子，尤其是俄歇电子的贡献值得进一步评估。未来研究需结合器件级仿真，量化不同机制对电路软错误率的综合影响，为宇航电子和地面高可靠系统的抗辐射设计提供更精准的理论依据。

Journal of Nuclear Engineering期刊介绍：https://www.mdpi.com/journal/jne

主编：Dan Gabriel Cacuci，University of South Carolina， USA

期刊创刊于2020年, 最新Impact Factor 1.2，CiteScore 2.6，是一本国际开放获取期刊，发表同行评审的论文。期刊涵盖了与核和辐射过程的科学和应用相关的原创研究、想法和进展。发文类型包括original research papers, reviews, communications, brief reports, opinions, technical notes, editorials等。

截至目前，Journal of Nuclear Engineering期刊已被Scopus, ESCI (Web of Science), EBSCO等数据库收录。