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造器件、用器件,器件该抗多少LET值的单粒子?
发布日期:2018-05-23 09:55:52

1、空间型号任务的要求

国内外诸多航天型号任务对器件抗单粒子均有如下类似规定:(1) LET阈值大于105,器件对单粒子“免疫”,随便用!(2)针对SEL、SEB、SEGR等毁坏型单粒子效应,若LET阈值>75,可直接使用;若37<LET阈值≤75,充分评估风险,采取有效的防护措施后,可以使用;若LET阈值<37,原则上不建议使用。若必须使用,应采取严格的防护设计,充分验证设计效果和评估可能的风险,确保不对任务造成影响。(3)对于SEU、SET等单粒子软错误,LET阈值应>15,LET阈值≤15不建议使用。针对可能的单粒子软错误,应采取适当的检错纠错设计并验证其有效性,确保不对任务造成影响。您知道这其中的道理吗?

2、冲击星用器件的银河宇宙线LET“瀑布”

1GEO轨道在太阳活动低年的银河宇宙线粒子LET积分谱(>LET值的所有粒子强度)。可以看到,随着LET值的增大,粒子强度呈现九级瀑布式分布。

LET>105,在整个瀑布最下端(第一级),此处粒子强度相对上游急剧减少两个量级,基本绝迹了,具有该指标的器件自然对单粒子免疫,属于极品,当然了价格也是没商量的。

LET75,在第二级瀑布末端,此处粒子强度相对上游减少一个多量级。

LET37处,在第三级瀑布末端,此处粒子强度相对上游急剧减少四个量级。

有些型号任务也规定LET268、以及15的指标,它们分别在第四、第二和第三级瀑布的末端,粒子强度较上游均较少近一个量级。

可以看到,LET1之上还有三级瀑布,此处粒子较最上游(LET=0.01)也有两个量级的减少。

因此,将LET阈值选在下游LET“瀑布的末端,在LET增大少许的情况下粒子强度呈现一到四个量级的下降,可使器件发生单粒子效应的风险呈现相应幅度的下降,具有较优的性价比。

早几年,各别型号任务未对器件抗单粒子效应提出具体的定量指标及明确的防护设计要求,以至于各别星载设备选用了LET阈值小于1的器件且缺少严密的系统级防护设计,在轨应用时由于较频繁的单粒子效应导致了故障。

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1 GEO轨道太阳活动低年银河宇宙线LET“瀑布

 

近地空间的银河宇宙线LET谱之所以呈现图1所示的分布,是由这些粒子的能谱分布及LET特征决定的。

2左是不同银河宇宙线粒子的能谱分布,为峰值在0.5GeV/n附近的马鞍形分布;右是银河宇宙线中原子序数1∽92的离子在0.5GeV/n的强度分布,整体上越重的粒子强度越小,少数离子如8O14Si26Fe28Ni等较邻近的离子强度偏高。

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2 GEO轨道太阳活动低年银河宇宙线能谱(左)及不同粒子强度(右)

 

3是不同种类离子的LET值随能量的变化关系,离子越重LET越高,在2∽6MeV/n之间达到峰值,更高能量的离子LET反而下降。图3中还示出了典型离子的射程随能量的变化,在2MeV/n以下射程小于30mm、难以穿透芯片钝化层而导致单粒子效应, 0.5∽1GeV/n的强度峰值附近离子具有数百mm乃至近m量级的射程,能量更高的离子射程达数m

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3 离子LET及射程特性

 

正是图2-3所示的银河宇宙线离子的强度、能量及LET值特性,导致了如图4所示的多级瀑布LET谱分布。如,强度占主要份额的1H2He导致了最上游的前三级LET≤1瀑布8O等导致了LET≤8的第六级瀑布14Si等导致了LET≤15的第五级瀑布26Fe等导致了LET≤26的第四级瀑布28Ni35Br等导致了LET≤37的第三级瀑布65Tb等导致了LET≤75的第二级瀑布83Bi92U等导致了LET≤105的第一级瀑布

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4 银河宇宙线LET“瀑布的构成

 

3、不同轨道的银河宇宙线LET“瀑布”

器件在地球空间不同轨道使用时,发生单粒子效应的风险,或者说遭遇的银河宇宙线LET谱差异大吗?众说纷纭。小抗用图说话,见图5的地球空间不同轨道银河宇宙线LET“瀑布,还特意画上38km月球轨道LET谱。

1)月球轨道、GEOIGSO(倾斜地球同步轨道)的LET谱一样!不要再说月球探测卫星遭遇的单粒子效应风险更高了!其他深空星际探测的LET谱也无二样!大家都在银河系呀。

2MEO轨道与高轨GEOLET谱几乎一样,放大了看前者比后者弱两倍左右而已,单粒子风险稍有下降。

3)随着轨道的降低,地球磁场的保护作用开始显现,1500km800km500km等低高度极轨道(短时穿越地球两极时磁场保护作用较弱)的LET谱一样!LET谱的九级瀑布式构成与中高轨道完全保持一致,粒子强度较中高轨道有约半个量级的下降。宇宙线诱发大倾角LEO单粒子效应的风险较中高轨改善半个量级左右。

4)对于低倾角LEO,如我国的天宫空间站400km&420轨道、500km&230轨道,均处于中低纬度,地磁场的保护作用更加明显,倾角越低效果越明显!粒子强度较更高轨道降低若干数量级,尤其是中下游的中高LET“瀑布段粒子强度衰减显著、甚至部分下游瀑布段粒子消失。宇宙线诱发低倾角LEO单粒子效应的风险显著降低!

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5 地球空间不同轨道银河宇宙线LET“瀑布

 

4、不同屏蔽厚度下的银河宇宙线LET“瀑布”

大伙都知道,针对空间辐射诱发的总剂量效应,加厚机箱厚度是简单有效的防护手段,此招数应付单粒子效应行吗?小抗,上图6不同厚度铝屏蔽下GEO银河宇宙线LET谱。

1)针对舱外的银河宇宙线粒子,一定厚度的卫星蒙皮及机箱阻挡了其中的较低能量粒子,星内或机箱内LET谱较星外温和得多。

2)但是,在常见的1∽10mm屏蔽厚度内,宇宙线粒子强度衰减幅度不明显,甚至直到20mm强度衰减较1mm屏蔽两到三倍而已。即应对进入到卫星舱内的高能量、长穿透力的银河宇宙线粒子,屏蔽材料的阻挡效益极其有限!

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6 不同厚度铝屏蔽下GEO银河宇宙线LET“瀑布

 

5、不同太阳活动下的宇宙线LET“瀑布”

太阳活动状况对银河宇宙线有影响,发生太阳质子事件时高强度的太阳宇宙线粒子会在短时间内猛烈轰击航天器,那么不同太阳活动下宇宙线LET“瀑布会有怎么样的变化呢?同样地,小抗奉上图7不同太阳活动下的GEO宇宙线LET“瀑布图。

1)在太阳活动的低年相对高年,太阳风对银河宇宙线的阻挡相对较弱,对应的银河宇宙线强度高2倍左右。

2)发生太阳质子事件,如198910月的强质子事件,最坏一天的太阳宇宙线LET谱强度比太阳活动低年的银河宇宙线LET谱强度激增5∽6个量级!最坏5分钟的太阳宇宙线LET谱强度又比最坏一天强近一个量级。天啊!针对如此暴躁的太阳宇宙线,如何选器件,如何进行单机设计呀?!

3)卫星建造通常针对背景银河宇宙线诱发的单粒子效应进行成本可控的工程设计,并针对可能在短时间爆发的极端恶劣太阳质子事件进行在轨主动防护,如主动关机、采取安全工作模式等。

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7 不同太阳活动下GEO宇宙线LET“瀑布

 

6、低轨道卫星遭受的单粒子效应一定比高轨道卫星弱吗?

嗯,难道不是这样吗?!近十年,Xilinx的基于SRAMFPGA在空间大量使用,其中的Virtex-FPGA2005年左右在不同空间轨道得以应用均观测到SEU的发生,地面试验测得其发生SEULET阈值约为1。曾有中高轨甚至月球轨道卫星设计师抱怨,自己的卫星由于轨道高遭遇的宇宙线粒子多而发生了较严重的SEU。真是这样的吗?

对于LET阈值较低(比如<15)的器件,宇宙线及地球辐射带的高能质子的直接电离作用(LET≤0.2,见图4)难以诱发单粒子效应;但是这些高能质子通过与器件材料(如14Si)发生核反应,产生原子序数14及其以下的重离子具有≤15LET值,可诱发器件发生单粒子效应。即对于低LET阈值器件,必需考虑空间的高能质子核反应诱发的单粒子效应。

小抗,上图8,考虑空间宇宙线重离子以及辐射带和宇宙线质子的综合作用的不同高度地球轨道Virtex- FPGA 发生的SEU分析结果。

1)银河宇宙线重离子导致的SEU如前所示,的确是中高轨较低轨严重,但不超过半个量级!

2)银河宇宙线质子核反应诱发的SEU较重离子弱,随轨道高度变化趋势与重离子相同。

3)大量的内辐射带质子导致的SEU远远强于银河宇宙线重离子作用,是Virtex- FPGA SEU的绝对主要贡献!其SEU频次分布与图中内嵌的内辐射带质子强度分布一致。

4500km以上的LEO轨道,由辐射带质子诱发的SEU均比中高轨道及月球轨道银河宇宙线重离子作用严重!

5)现代小特征尺寸工艺的大规模集成电路,无论是否为宇航级,通常发生SEULET阈值均较低(≤5),必须通过系统设计减缓SEU导致的故障影响!

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8 分析的不同高度地球轨道Virtex-FPGA SEU情况

 

7、抗辐射仿真软件可为宇航器件研制和选用提供仿真支持

上述的所有分析都出自中科院空间中心开发的专业仿真软件“空间环境效应分析系统”(Space Environment Effects Analysis Package, SEEAP,如图9所示),它能够分析仿真指定轨道与飞行时段的空间任务遭遇的多种辐射粒子、等离子体、原子氧等各类空间环境,预测评估卫星用器件、材料、部件遭遇的辐射效应(单粒子、总剂量、位移损伤)、充电效应、原子氧腐蚀效应等的风险程度,辅助工程师进行辐射屏蔽、材料选择等设计,可为宇航器件的研制与选用提供重要支持。中科院空间中心开发的多款抗辐射仿真软件的详情见http://mp.weixin.qq.com/mp/homepage?__biz=MzU5NTQ1NjgxMg==&hid=9&sn=8ced10d2abdbfd46e5e80d866334e82e&scene=18#wechat_redirect

中科院空间中心可为用户单位提供抗辐射的仿真分析、仿真软件转让、仿真软件定制开发。

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9 “空间环境效应分析系统仿真软件

 

8、脉冲激光可为宇航器件研制及选用提供及时充分可靠的试验支持

造器件,用器件,均需要抗单粒子!均需要进行及时、充分、可靠的试验!脉冲激光装置可配合重离子加速器,为大家提供及时、充分、可靠的试验!

1)采用脉冲激光装置对器件进行快速评估试验,给出有一定不确定范围的单粒子效应阈值。

2)对于造器件的:

2.1)针对单粒子效应阈值低的器件,利用脉冲激光装置进一步扫描定位出其薄弱部位,设计师据此分析诊断原因和优化设计;对于再次流片的样品再次利用脉冲激光进行(1)的快速评估试验。

2.2)对于单粒子效应阈值较高的器件,采用重离子加速器进行确认试验。

3)对于用器件的:

3.1)确定或直接舍弃单粒子锁定、烧毁等阈值明显低的器件。

3.2)对于单粒子效应阈值较高的器件,采用重离子加速器进行确认试验。

3.3)针对必须使用的对单粒子锁定、烧毁等较敏感的器件,采取电路系统防护、工作电压降额等设计,利用脉冲激光装置试验验证防护设计的有效性。

3.4)针对单粒子翻转敏感的器件,综合采用脉冲激光试验与故障软件仿真相结合的方式,高效率地全面暴露单粒子翻转造成的故障影响及充分验证防护设计的有效性。

利用脉冲激光装置试验单粒子效应的典型应用见https://mp.weixin.qq.com/s/9XZvn85nXbU-4vDCdYCYDw