CN104143038B - 敏感器件总剂量效应失效率的测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种敏感器件总剂量效应失效率的测算方法，该测算方法包括提供多份待检测的器件样品；对各器件样品分别进行失效剂量检测；将各器件样品的失效剂量输入尺度因子计算模块进行计算，并得到对数正态分布尺度因子数值；将对数正态分布尺度因子数值输入形状因子计算模块进行计算，并得到对数正态分布形状因子数值；预测敏感器件累积的电离辐射总剂量；将对数正态分布尺度因子数值、对数正态分布形状因子数值和敏感器件累积的电离辐射总剂量输入失效率计算模块进行计算，并得到总剂量效应失效率。采用本发明的测算方法，有助于进行航天器电子系统的可靠性分析和优化设计的指导，进一步降低航天工程的设计和实施成本。

Description

敏感器件总剂量效应失效率的测算方法

技术领域

本发明涉及一种敏感器件总剂量效应失效率的测算方法，尤其涉及一种针对设置在正在运行的航天器舱内的敏感器件进行总剂量效应失效率测算的方法。

背景技术

目前，航天器内的电子系统及其所用器件在外太空运行时，长期受空间电离辐射的影响，这会引起器件特别是航天器内一些对辐射敏感的器件电参数发生变化，这一过程被称为敏感器件的总剂量效应。

目前用于评价敏感器件抵抗空间电离辐射环境总剂量效应能力的传统方法是通过对多个器件样品分别进行失效剂量检测，再根据各器件样品的失效剂量计算出对数正态分布尺度因子数值，以此体现和评价敏感器件的抵抗空间电离辐射环境总剂量效应能力；但是该种方法只是考核评价敏感器件的抗总剂量效应水平，但是没有将其与敏感器件总剂量效应失效率进行联系；因此，无法获得当前正在随航天器运行的敏感器件的失效率情况；因此无法对于敏感器件由总剂量效应导致的故障失效率进行直接的判断，也不便于进行航天器电子系统的可靠性分析和优化设计的指导。

因此，针对以上不足，本发明急需提供一种新的敏感器件总剂量效应失效率的测算方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种敏感器件总剂量效应失效率的测算方法，该测算方法通过对检测得到的对数正态分布尺度因子数值、对数正态分布形状因子数值及电离辐射总剂量进行总剂量效应失效率计算，从而实现获得敏感器件在任务末期的总剂量效应失效率的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种敏感器件总剂量效应失效率的测算方法，包括以下步骤：

S1、提供多份待检测的器件样品；

S2、对各器件样品分别进行失效剂量检测；

S3、将各器件样品的失效剂量输入尺度因子计算模块进行计算，并得到对数正态分布尺度因子数值；

S4、将对数正态分布尺度因子数值输入形状因子计算模块进行计算，并得到对数正态分布形状因子数值；

S5、预测敏感器件累积的电离辐射总剂量；

S6、将对数正态分布尺度因子数值、对数正态分布形状因子数值和敏感器件累积的电离辐射总剂量输入失效率计算模块进行计算，并得到总剂量效应失效率。

进一步地，还包括如下步骤：

将总剂量效应失效率与参考总剂量效应失效率进行比较，以此分析判断敏感器件的可靠性。

进一步地，所述尺度因子计算模块内设置有基于以下数学公式建立的数学计算模型：

式中：μ为对数正态分布尺度因子；

n为器件样品数量；

R_FAIL-TID-i为第i个器件样品的失效剂量。

进一步地，所述形状因子计算模块内设置有基于以下数学公式建立的数学计算模型：

式中：σ为对数正态分布形状因子。

进一步地，所述失效率计算模块内设置有基于以下数学公式建立的数学计算模型：

式中：

λ_TID为总剂量效应失效率；

T为卫星设计寿命；

R_specTID为敏感器件累积的电离辐射总剂量；

Φ为标准正态分布的分布函数。

进一步地，所述步骤S2中还包括以下步骤：

通过模拟辐射源对各器件样品依次进行辐射；

在辐射过程中通过剂量测定仪器实时监测并记录器件样品的电离辐射总剂量，直至器件样品失效；

在剂量测定仪器实时监测过程中若器件样品发生跳变，则剂量测定仪器记录器件样品跳变点的辐照时间，并计算出器件样品在跳变点时的失效剂量。

进一步地，所述步骤S5中还包括以下步骤：

根据航天器的运行参数建立航天器空间环境模型；

利用模拟辐射源辐射并诱发航天器空间环境模型中的模拟航天器发生总剂量效应；

利用模拟检测模块检测所述模拟航天器内所累积的电离辐射总剂量。

一种敏感器件总剂量效应失效率的测算方法，包括以下步骤：

S101、预测敏感器件累积的电离辐射总剂量；

S102、提供多份待检测的器件样品；

S103、对各器件样品分别进行失效剂量检测；

S104、将各器件样品的失效剂量输入尺度因子计算模块进行计算，并得到对数正态分布尺度因子数值；

S105、将对数正态分布尺度因子数值输入形状因子计算模块进行计算，并得到对数正态分布形状因子数值；

S106、将对数正态分布尺度因子数值、对数正态分布形状因子数值和敏感器件累积的电离辐射总剂量输入失效率计算模块进行计算，并得到总剂量效应失效率。

本发明与现有技术相比具有以下的优点：

采用本发明的测算方法，通过对检测得到的对数正态分布尺度因子数值、对数正态分布形状因子数值及电离辐射总剂量进行总剂量效应失效率计算，从而获得敏感器件在任务末期的总剂量效应失效率；并依此判断航天器内敏感器件在任务周期内因总剂量效应而发生故障的失效率；有助于进行航天器电子系统的可靠性分析和优化设计的指导，进一步降低航天工程的设计和实施成本。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一的方法步骤图（框图）；

图2是本发明实施例二的方法步骤图（框图）。

具体实施方式

实施例一：

参见图1所示，本实施例中的一种敏感器件总剂量效应失效率的测算方法，包括以下步骤：

1、提供多份待检测的器件样品；本发明中最少提供5份器件样品；本实施例具体提供了11份器件样品以供检测，以使所检测得到的器件尺度因数和形状因数更加趋于准确；当然待检测的器件样品越多则得到的器件尺度因数和形状因数就越趋于准确，可以根据实际实验环境和实验条件选取器件样品的数量。所述的器件样品的规格、型号等参数均与已发射的敏感器件相同，也就是说来自同一工艺、同一批次和同一封装的器件，以此保证对敏感器件的总剂量效应失效率测算的准确性。所述的器件样品和敏感器件均是指航天器的电子系统中所用的器件，而且是对电离辐射的总剂量效应敏感的器件，例如航天器内的CPU等。

2、通过失效剂量检测装置对各器件样品分别进行失效剂量检测；具体过程如下：

通过失效剂量检测装置中的模拟辐射源对各器件样品依次进行辐射；

在辐射过程中通过失效剂量检测装置中的剂量测定仪器实时监测并记录器件样品的电离辐射总剂量，直至器件样品失效；

在剂量测定仪器实时监测过程中若器件样品发生跳变，则剂量测定仪器记录器件样品跳变点的辐照时间，并计算出器件样品在跳变点时累积的电离辐射总剂量，该累积的电离辐射总剂量为失效剂量，所述跳变点即为器件样品失效的时间点。

本实施例中所述的失效剂量是指单个器件样品在失效时所累积的电离辐射总剂量。所述模拟辐射源应是钴60γ源的均匀场，试验前应依据实际情况采用剂量测定仪器先确定器件样品所在位置的辐射场强度，以保证符合试验等级和均匀性要求。本实施例中所述的失效剂量检测装置其具体结构，以及利用失效剂量检测装置对各器件样品分别进行失效剂量检测的过程均属于本领域的现有技术，此处不再过多赘述。

3、将各器件样品的失效剂量输入尺度因子计算模块进行对数正态分布尺度因子计算，并得到对数正态分布尺度因子数值；

所述尺度因子计算模块内设置有基于以下数学公式建立的数学计算模型：

式中：μ为对数正态分布尺度因子，用于表示多个器件样品在地面模拟试验的累积平均失效剂量；

n为器件样品数量；

R_FAIL-TID-i为第i个器件样品的失效剂量，单位：krad(Si)；尺度因子计算模块将各器件样品的失效剂量分别代入以上数学公式进行计算，并最终得到对数正态分布尺度因子。本实施例中所述的尺度因子计算模块采用具运算能力的单片机、笔记本电脑或台式电脑均可；理论上讲尺度因子计算模块只要具备一般运算能力即可。

4、将对数正态分布尺度因子数值输入形状因子计算模块进行对数正态分布形状因子计算，并得到对数正态分布形状因子数值；

所述形状因子计算模块内设置有基于以下数学公式建立的数学计算模型：

式中：σ为对数正态分布形状因子，用于表示多个器件样品在地面模拟试验的累积失效剂量的标准差；形状因子计算模块将对数正态分布尺度因子代入以上数学公式进行计算，并最终得到对数正态分布形状因子。

本实施例中所述的形状因子计算模块采用具运算能力的单片机、笔记本电脑或台式电脑均可；理论上讲形状因子计算模块只要具备一般运算能力即可。

5、预测在任务末期敏感器件累积的电离辐射总剂量；具体过程如下：

根据正在运行的航天器的轨道参数、任务发射时间及任务周期等具体运行参数建立航天器空间环境模型；

利用模拟辐射源辐射并诱发航天器空间环境模型中的模拟航天器发生总剂量效应；所述模拟辐射源主要包括捕获带电子和太阳质子。

利用能谱分析模块分析模拟辐射源的辐射能谱；本实施例中所述能谱分析模块主要包括用于分析捕获带电子能谱的AE-8模型单元或IGE2006模型单元和用于分析太阳质子能谱的ESP模型单元；本实施例中所述能谱分析模块的具体结构属于现有技术，此处不再过多赘述。

利用模拟检测模块检测所述模拟航天器内在任务末期所累积的电离辐射总剂量，并根据敏感器件的屏蔽层厚度建立电离辐射总剂量与屏蔽厚度关系曲线；所述模拟航天器内在任务末期所累积的电离辐射总剂量即为所要预测的在任务末期敏感器件累积的电离辐射总剂量。本实施例中所述模拟检测模块采用SHIELDOS-2模型单元的设置；

本实施例中所述屏蔽层为包覆在敏感器件上的用于屏蔽电离辐射的铝层，通常厚度在3-6mm之间，本实施例中采用4mm的设置。

本实施例中所述的航天器空间环境模型、模拟检测模块及利用航天器空间环境模型和模拟检测模块预测在任务末期敏感器件累积的电离辐射总剂量的过程均属于本领域的现有技术，此处不再过多赘述。

6、将对数正态分布尺度因子数值、对数正态分布形状因子数值和敏感器件累积的电离辐射总剂量输入失效率计算模块进行总剂量效应失效率计算，并得到敏感器件的总剂量效应失效率。

所述失效率计算模块内设置有基于以下数学公式建立的数学计算模型：

式中：

λ_TID为总剂量效应失效率，单位：h^-1（小时）；

T为卫星设计寿命，单位：h^-1（小时）；

R_specTID为所预测的在任务末期敏感器件累积的电离辐射总剂量，单位：krad(Si)；

Φ为标准正态分布的分布函数；此标准正态分布的分布函数是本领域公知的函数；

失效率计算模块将对数正态分布尺度因子、对数正态分布形状因子以及敏感器件累积的电离辐射总剂量代入以上数学公式进行计算，并最终得到敏感器件的总剂量效应失效率。

7、通过失效率比对模块将总剂量效应失效率与参考总剂量效应失效率进行比较，以此分析判断敏感器件在当前运行中的可靠性；并以此指导并优化器件的设计。本实施例中设定的参考总剂量效应失效率为6.33×10^-9/h；测算出的总剂量效应失效率小于所述参考总剂量效应失效率则表示目前正在运行的航天器内的敏感器件出现故障的机率小，可靠性高；反之，则敏感器件出现故障的机率大，可靠性差。

本发明采用上述测算方法，通过对检测得到的对数正态分布尺度因子数值、对数正态分布形状因子数值及电离辐射总剂量进行总剂量效应失效率计算，从而获得敏感器件在任务末期的总剂量效应失效率；并依此判断航天器内敏感器件在任务周期内因总剂量效应而发生故障的失效率；有助于进行航天器电子系统的可靠性分析和优化设计的指导，进一步降低航天工程的设计和实施成本。

实施例二：

本实施例中的敏感器件总剂量效应失效率的测算方法是在实施例一基础上的改进，实施例一中公开的技术内容不重复描述，实施例一公开的内容也属于本实施例公开的内容。

参见图2所示，本实施例中的一种敏感器件总剂量效应失效率的测算方法，包括以下步骤：

101、预测敏感器件累积的电离辐射总剂量；

102、提供多份待检测的器件样品；

103、对各器件样品分别进行失效剂量检测；

104、将各器件样品的失效剂量输入尺度因子计算模块进行计算，并得到对数正态分布尺度因子数值；

105、将对数正态分布尺度因子数值输入形状因子计算模块进行计算，并得到对数正态分布形状因子数值；

106、将对数正态分布尺度因子数值、对数正态分布形状因子数值和敏感器件累积的电离辐射总剂量输入失效率计算模块进行计算，并得到总剂量效应失效率。

107、将总剂量效应失效率与参考总剂量效应失效率进行比较，以此分析判断敏感器件的可靠性。

由上述步骤可见，本实施例与实施例一的区别仅在于先行预测敏感器件累积的电离辐射总剂量，再顺序进行下面的步骤；也就是说本实施例中所述的步骤101对应实施例一中的步骤5；本实施例中所述的步骤102、103、104、105分别对应实施例一中的步骤1、2、3、4；本实施例中所述的步骤106、107分别对应实施例一中的步骤6、7；因此实施例一中的步骤5所公开的内容也应被视作本实施例步骤101所公开的内容，实施例一中的步骤1、2、3、4所公开的内容也应被视作本实施例步骤102、103、104、105所公开的内容，实施例一中的步骤6、7所公开的内容也应被视作本实施例步骤106、107所公开的内容。

Claims (7)

1.一种敏感器件总剂量效应失效率的测算方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、提供多份待检测的器件样品；

S2、对各器件样品分别进行失效剂量检测；

S3、将各器件样品的失效剂量输入尺度因子计算模块进行计算，并得到对数正态分布尺度因子数值；

所述尺度因子计算模块内设置有基于以下数学公式建立的数学计算模型：

$\mathrm{\μ}=\stackrel{\‾}{ln\left(R_{FAIL-TID}\right)}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}ln\left(\right(R_{FAIL-TID-i}\left)\right)$

式中：μ为对数正态分布尺度因子；

n为器件样品数量；

R_FAIL-TID-i为第i个器件样品的失效剂量；

S4、将对数正态分布尺度因子数值输入形状因子计算模块进行计算，并得到对数正态分布形状因子数值；

S5、预测敏感器件累积的电离辐射总剂量；

S6、将对数正态分布尺度因子数值、对数正态分布形状因子数值和敏感器件累积的电离辐射总剂量输入失效率计算模块进行计算，并得到总剂量效应失效率。

2.根据权利要求1所述的敏感器件总剂量效应失效率的测算方法，其特征在于：还包括如下步骤：

将总剂量效应失效率与参考总剂量效应失效率进行比较，以此分析判断敏感器件的可靠性。

3.根据权利要求2所述的敏感器件总剂量效应失效率的测算方法，其特征在于：所述形状因子计算模块内设置有基于以下数学公式建立的数学计算模型：

$\mathrm{\σ}={\left(\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\[ln\left(R_{FAIL-TID-i}\right)-\mathrm{\μ}\]}^2\right)}^{1/2}$

式中：σ为对数正态分布形状因子。

4.根据权利要求3所述的敏感器件总剂量效应失效率的测算方法，其特征在于：所述失效率计算模块内设置有基于以下数学公式建立的数学计算模型：

${\mathrm{\λ}}_{TID}=-\frac{1}{T}ln\{1-\mathrm{\Φ}\[\frac{ln\left(R_{specTID}\right)-\mathrm{\μ}}{\mathrm{\σ}}\]\}$

式中：

λ_TID为总剂量效应失效率；

T为卫星设计寿命；

R_specTID为敏感器件累积的电离辐射总剂量；

Φ为标准正态分布的分布函数。

5.根据权利要求4所述的敏感器件总剂量效应失效率的测算方法，其特征在于：所述步骤S2中还包括以下步骤：

通过模拟辐射源对各器件样品依次进行辐射；

在辐射过程中通过剂量测定仪器实时监测并记录器件样品的电离辐射总剂量，直至器件样品失效；

在剂量测定仪器实时监测过程中若器件样品发生跳变，则剂量测定仪器记录器件样品跳变点的辐照时间，并计算出器件样品在跳变点时的失效剂量。

6.根据权利要求5所述的敏感器件总剂量效应失效率的测算方法，其特征在于：所述步骤S5中还包括以下步骤：

根据航天器的运行参数建立航天器空间环境模型；

利用模拟辐射源辐射并诱发航天器空间环境模型中的模拟航天器发生总剂量效应；

利用模拟检测模块检测所述模拟航天器内所累积的电离辐射总剂量。

7.一种敏感器件总剂量效应失效率的测算方法，其特征在于：包括以下步骤：

S101、预测敏感器件累积的电离辐射总剂量；

S102、提供多份待检测的器件样品；

S103、对各器件样品分别进行失效剂量检测；

S104、将各器件样品的失效剂量输入尺度因子计算模块进行计算，并得到对数正态分布尺度因子数值；

所述尺度因子计算模块内设置有基于以下数学公式建立的数学计算模型：

$\mathrm{\μ}=\stackrel{\‾}{ln\left(R_{FAIL-TID}\right)}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}ln\left(\right(R_{FAIL-TID-i}\left)\right)$

式中：μ为对数正态分布尺度因子；

n为器件样品数量；

R_FAIL-TID-i为第i个器件样品的失效剂量；

S105、将对数正态分布尺度因子数值输入形状因子计算模块进行计算，并得到对数正态分布形状因子数值；

S106、将对数正态分布尺度因子数值、对数正态分布形状因子数值和敏感器件累积的电离辐射总剂量输入失效率计算模块进行计算，并得到总剂量效应失效率。