CN101900770B - 一种卫星用器件抗辐射能力的评估方法及其*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卫星用器件抗辐射能力的评估方法，该方法包括步骤：对待测器件进行重离子单粒子效应试验，获取试验数据；利用Weibull函数拟合试验数据，得出尺度参数以及形状参数，推演质子单粒子翻转截面表达式；根据质子单粒子翻转截面表达式以及质子单粒子翻转率计算公式，计算质子单粒子翻转率；根据质子单粒子翻转率，评估待测器件的抗辐射能力。本发明还涉及一种卫星用器件抗辐射能力的评估***。

Description

一种卫星用器件抗辐射能力的评估方法及其***

技术领域

本发明涉及卫星用器件风险评估技术领域，具体涉及一种卫星用器件抗辐射能力的评估方法及其***。 

背景技术

卫星***使用大量半导体集电路，如微处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)、存储器(Memory)、及门电路等，但应用在卫星上的半导体集成电路在空间将遭遇非常恶劣的环境，如辐射环境、热真空环境、微流星/空间碎片环境等。 

空间辐射环境将会引起半导体集成电路电离损伤及(/或)原子位移损伤。原子位移损伤是高能质子入射半导体材料后原子移位，造成晶格缺陷，导致器件性能下降，移位损伤是累积效应，即累积到一定注量也会导致器件失效；电离损伤包括总剂量效应损伤和单粒子效应损伤。总剂量效应损伤主要是由空间的质子或电子入射半导体器件、在器件氧化层和界面态诱生电子-空穴对，导致器件电性能退化。单粒子效应是指单个高能粒子入射半导体器体导致器件存储单位的状态发生变化、或逻辑状态发生变化、或其它如功能中止等现象，单粒子效应包括单粒子翻转(SEU)、单粒子闩锁(SEL)、单粒子功能中止(SEFI)、单粒子烧毁(SEB)等，单粒子效应是瞬态效应，即器件在空间发生单粒子的概率是随机的，单粒子效应主要由空间的重离子及高能质子引起的。 

在地面开展电离损伤及(/或)原子位移损伤等空间环境效应试验来科学有效地评估卫星用器件抗辐射能力，是卫星选用元器件的关键环节，也是卫星高可靠的重要保障。目前，我国已具备了总剂量效应试验，及重离子引起的单粒子效应试验的能力、方法及手段，可通 过上述试验对卫星用器件的抗辐射能力进行评估。但是，由于还不具备质子引起单粒子效应试验的设备能力及手段，因此，通过在地面开展质子单粒子效应试验，计算质子单粒子翻转率来计算空间辐射环境中质子单粒子事件的概率，从而评估卫星用器件的抗辐射能力的方法还无法实现。 

现有技术中虽存在着不通过在地面开展质子单粒子效应试验，而直接基于其他试验数据推算质子单粒子翻转率的经验算法，例如： 

J.Barak等人提出了一种基于重离子单粒子效应试验数据推算质子的经验算法： 

${\mathrm{\σ}}_P(\∞)=2.22\×{10}^{-5}{\mathrm{\σ}}_h/L_{0.25}^2$

σ_p(∞)：为质子单粒子翻转极根截面，σ_h：为重离子单粒子翻转饱和截面； 

Petersen等人提出了一种基于重离子单粒子效应试验数据据推算质子的阈值经验算法，L₀被定义为单粒子翻转饱和截面面的10％处所对应的重离子的LET值： 

A＝L₀+15 

基中：A是质子能量在∞时的单粒子翻转截面，也称极限截面；L₀被定义为单粒子翻转饱和截面面的10％处所对应的重离子的LET值。但是，经验算法会导致数量级的误差。 

发明内容

本发明的目的是提供一种无需在地面开展质子单粒子效应试验，用重离子实验数据推算质子单粒子翻转率来评估卫星用器件的抗辐射能力的方法，以弥补现有技术中存在的不足。 

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

一种卫星用器件抗辐射能力的评估方法，包括步骤： 

S1.对待测器件进行重离子单粒子效应试验，获取试验数据； 

S2.根据所述试验数据，推演质子单粒子翻转截面表达式； 

S3.根据所述质子单粒子翻转截面表达式以及质子单粒子翻转率计算公式，计算所述质子单粒子翻转率； 

S4.根据所述质子单粒子翻转率，评估所述待测器件的抗辐射能力。 

其中，所述步骤S2进一步包括： 

S2.1利用Weibull函数拟合所述试验数据，得出尺度参数以及形状参数； 

S2.2根据所述试验数据以及所述尺度参数、形状参数，推演质子单粒子翻转截面表达式。 

其中，所述质子单粒子翻转率计算公式为： 

$R_p=\underset{E_0}{\overset{E_{\max }}{\∫}}\mathrm{\Φ}\left(E\right)\mathrm{\σ}\left(E\right)\mathrm{dE}$

式中：R_p为质子单粒子翻转率，Φ（E）为质子微分能谱，σ（E）为质子单粒子翻转截面，E为质子能量，E₀为质子单粒子翻转能量阈值，E_max为空间质子最大能量。 

其中，所述试验数据包括：重离子单粒子翻转饱和截面、重离子单粒子有效LET值、重离子单粒子效应阈值。 

一种卫星用器件抗辐射能力的评估***，该***包括：获取单元，用于获取待测器件重离子单粒子翻转试验的试验数据；推演单元，用于根据所述试验数据，推演质子单粒子翻转截面；计算单元，用于根据所述质子单粒子翻转截面以及质子单粒子翻转率计算公式，计算所述质子单粒子翻转率；评估单元，用于根据所述质子单粒子翻转率，评估所述待测器件的抗辐射能力。 

其中，所述推演单元进一步包括：数据处理子单元，利用Weibull函数拟合所述试验数据，得出尺度参数以及形状参数；推演子单元，用于根据所述试验数据以及所述尺度参数、形状参数，推演质子单粒子翻转截面表达式。 

其中，所述质子单粒子翻转率计算公式为： 

$R_p=\underset{E_0}{\overset{E_{\max }}{\∫}}\mathrm{\Φ}\left(E\right)\mathrm{\σ}\left(E\right)\mathrm{dE}$

式中：R_p为质子单粒子翻转率，Φ（E）为质子微分能谱，σ（E）为质子单粒子翻转截面，E为质子能量，E₀为质子单粒子翻转能量阈值，E_max为空间质子最大能量。 

其中，所述试验数据包括：重离子单粒子翻转饱和截面、重离子单粒子有效LET值、重离子单粒子效应阈值。 

使用本发明的方法及***对卫星用器件抗辐射能力进行评估，通过用重离子单粒子翻转试验推演出质子单粒子翻转率，不用开展质子单粒子效应试验实现了全面评估器件在任务器件单粒子效应风险水平，不必处理由质子引起的辐射污染，实现了全面评估器件在任务器件单粒子效应风险水平，使风险评估更科学、更有效。 

附图说明

图1本发明的卫星用器件抗辐射能力的评估方法流程图； 

图2为步骤2的详细流程图； 

图3本发明的卫星用器件抗辐射能力的评估***结构图。 

具体实施方式

本发明提出的卫星用器件抗辐射能力的评估方法及其***，结合附图和实施例说明如下。 

如图1所示，本发明卫星用器件抗辐射能力的评估方法包括步骤： 

S1.对待测器件进行重离子单粒子效应试验，获取包括重离子单粒子翻转饱和截面、重离子单粒子有效LET值、重离子单粒子效应阈值等在内的试验数据； 

S2.根据试验数据，计算质子单粒子翻转截面； 

S3.根据质子单粒子翻转截面以及质子单粒子翻转率计算公式，计算质子单粒子翻转率； 

S4.根据质子单粒子翻转率，评估待测器件的抗辐射能力。 

其中，如图2所示，步骤S2进一步包括： 

S2.1利用Weibull函数拟合试验数据，得出尺度参数及形状参数； 

将完整的重离子单粒子σ-LET曲线利用Weibull函数进行拟合 

σ(L)＝σsat(1-exp{-[(L-L0)/w]^s}).........(1) 

其中：L为有效LET值，单位：MeV-cm²/g； 

σsat为重离子单粒子翻转饱和截面； 

L₀为单粒子效应阈值； 

w为尺度参数，s为形状参数。 

S2.2根据试验数据以及尺度参数w、形状参数s，推演质子单粒子翻转截面表达式； 

$\mathrm{\σ}\left(E\right)={\mathrm{\Σ}}_0[1-e^{\mathrm{\β}\left(E_P\right)}]c{N}_{\mathrm{at}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{nuclear}}\left(E_P\right)......\left(2\right)$

其中： $\mathrm{\β}\left(E_P\right)=-{\left(\frac{L\left(E_{\mathrm{si}}\left(E_p\right)\right)-\mathrm{Lo}}{W}\right)}^S...\left(3\right);$

E_p是质子能量； 

$E_{\mathrm{si}}=\frac{{4A}_{\mathrm{si}}}{{(1+A_{\mathrm{si}})}^2}{E}_p................\left(4\right);$

A_si是硅原子的原子重量28.09； 

$L\left(E\right)=e^{\left(\frac{K_1+K_2+K_3{E}^2}{1+K_{4}E+K_5{E}^2}\right).......\left(5\right);}$

K₁＝-0.15，K₂＝1.04，K₃＝3.100，K₄＝0.003106； 

C为密度，单位g/cm²； 

N_at是单位立方厘米内的硅原子个数； 

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{nuclear}}\left(E_P\right)=\mathrm{\γ}{E}_P^{\mathrm{\α}}10^{-27}..........\left(6\right);$

γ＝758.95，α＝-0.5； 

将w、s带入公式(3)，求解β(E_p)，结合公式(3)、(4)、(5)、(6)推出质子单粒子翻转截面表达式。 

步骤S3中的质子单粒子翻转率计算公式如下： 

$R_p=\underset{E_0}{\overset{E_{\max }}{\∫}}\mathrm{\Φ}\left(E\right)\mathrm{\σ}\left(E\right)\mathrm{dE}........\left(7\right)$

式中：R_p为质子单粒子翻转率(day^-1·bit^-1)，Φ(E)为质子微分能谱(cm^-2·day^-1·MeV^-1)，σ(E)为质子单粒子翻转截面(cm²/bit)，E为质子能量(MeV)，E₀为质子单粒子翻转能量阈值(MeV)根据公式(2)求得，E_max为空间质子最大能量(MeV)。 

其中Φ(E)和E_max可通过查询获得。σ(E)由步骤S2.2得出。 

如图2所示，本发明的卫星用器件抗辐射能力的评估***包括： 

获取单元，用于获取待测器件重离子单粒子翻转试验的试验数据；推演单元，用于根据试验数据，推演质子单粒子翻转截面；计算单元，用于根据质子单粒子翻转截面以及质子单粒子翻转率计算公式，计算质子单粒子翻转率；评估单元，用于根据质子单粒子翻转率，评估待测器件的抗辐射能力。 

其中，推演单元进一步包括：数据处理子单元，利用Weibull函数拟合试验数据，得出尺度参数以及形状参数；推演子单元，用于根据试验数据以及诉述尺度参数、形状参数，推演质子单粒子翻转截面表达式。 

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。 

Claims (6)

1.一种卫星用器件抗辐射能力的评估方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1.对待测器件进行重离子单粒子效应试验，获取试验数据；

S2.根据所述试验数据，推演质子单粒子翻转截面表达式；

S3.根据所述质子单粒子翻转截面表达式以及质子单粒子翻转率计算公式，计算所述质子单粒子翻转率；

S4.根据所述质子单粒子翻转率，评估所述待测器件的抗辐射能力；

所述质子单粒子翻转截面表达式为：

$\mathrm{\σ}\left(E\right)={\mathrm{\Σ}}_0[1-e^{\mathrm{\β}\left(E_P\right)}]c{N}_{\mathrm{at}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{nuclear}}\left(E_P\right)$

其中： $\mathrm{\β}\left(E_P\right)=-{\left(\frac{L\left(E_{\mathrm{si}}\left(E_p\right)\right)-\mathrm{Lo}}{W}\right)}^S;$

E_p是质子能量；

$E_{\mathrm{si}}=\frac{4A_{\mathrm{si}}}{{(1+A_{\mathrm{si}})}^2}{E}_p$

A_si是硅原子的原子重量28.09；

$L\left(E\right)=e^{\left(\frac{K_1+K_2+K_3{E}^2}{1+K_{4}E+K_5{E}^2}\right)}$

K₁=-0.15，K₂=1.04，K₃=3.100，K₄=0.003106；

W为尺度参数，S为形状参数，C为密度，单位g/cm²；

N_at是单位立方厘米内的硅原子个数；

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{nuclear}}\left(E_P\right)=\mathrm{\γ}{E}_P^{\mathrm{\α}}{10}^{-27}$

γ=758.95，α=-0.5；

所述质子单粒子翻转率计算公式为：

$R_p=\underset{E_0}{\overset{E_{\max }}{\∫}}\mathrm{\Φ}\left(E\right)\mathrm{\σ}\left(E\right)\mathrm{dE}$

式中：R_p为质子单粒子翻转率，Φ（E）为质子微分能谱，σ（E）为质子单粒子翻转截面，E为质子能量，E₀为质子单粒子翻转能量阈值，E_max为空间质子最大能量。

2.如权利要求1所述的卫星用器件抗辐射能力的评估方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：

S2.1利用Weibull函数拟合所述试验数据，得出尺度参数以及形状参数；

S2.2根据所述试验数据以及所述尺度参数、形状参数，推演质子单粒子翻转截面表达式。

3.如权利要求1或2所述的卫星用器件抗辐射能力的评估方法，其特征在于，所述试验数据包括：重离子单粒子翻转饱和截面、重离子单粒子有效LET值、重离子单粒子效应阈值。

4.一种卫星用器件抗辐射能力的评估***，其特征在于，该***包括：

获取单元，用于获取待测器件重离子单粒子翻转试验的试验数据；

推演单元，用于根据所述试验数据，推演质子单粒子翻转截面；

计算单元，用于根据所述质子单粒子翻转截面以及质子单粒子翻转率计算公式，计算所述质子单粒子翻转率；

评估单元，用于根据所述质子单粒子翻转率，评估所述待测器件的抗辐射能力；

所述质子单粒子翻转截面表达式为：

$\mathrm{\σ}\left(E\right)={\mathrm{\Σ}}_0[1-e^{\mathrm{\β}\left(E_P\right)}]c{N}_{\mathrm{at}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{nuclear}}\left(E_P\right)$

其中： $\mathrm{\β}\left(E_P\right)=-{\left(\frac{L\left(E_{\mathrm{si}}\left(E_p\right)\right)-\mathrm{Lo}}{W}\right)}^S;$

E_p是质子能量；

$E_{\mathrm{si}}=\frac{4A_{\mathrm{si}}}{{(1+A_{\mathrm{si}})}^2}{E}_p$

A_si是硅原子的原子重量28.09；

$L\left(E\right)=e^{\left(\frac{K_1+K_2+K_3{E}^2}{1+K_{4}E+K_5{E}^2}\right)}$

K₁=-0.15，K₂=1.04，K₃=3.100，K₄=0.003106；

W为尺度参数，S为形状参数，C为密度，单位g/cm²；

N_at是单位立方厘米内的硅原子个数；

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{nuclear}}\left(E_P\right)=\mathrm{\γ}{E}_P^{\mathrm{\α}}{10}^{-27}$

γ=758.95，α=-0.5；

所述质子单粒子翻转率计算公式为：

$R_p=\underset{E_0}{\overset{E_{\max }}{\∫}}\mathrm{\Φ}\left(E\right)\mathrm{\σ}\left(E\right)\mathrm{dE}$

式中：R_p为质子单粒子翻转率，Φ（E）为质子微分能谱，σ（E）为质子单粒子翻转截面，E为质子能量，E₀为质子单粒子翻转能量阈值，E_max为空间质子最大能量。

5.如权利要求4所述的卫星用器件抗辐射能力的评估***，其特征在于，所述推演单元进一步包括：

数据处理子单元，利用Weibull函数拟合所述试验数据，得出尺度参数以及形状参数；

推演子单元，用于根据所述试验数据以及所述尺度参数、形状参数，推演质子单粒子翻转截面表达式。

6.如权利要求4或5所述的卫星用器件抗辐射能力的评估***，其特征在于，所述试验数据包括：重离子单粒子翻转饱和截面、重离子单粒子有效LET值、重离子单粒子效应阈值。

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