CN105676016B - 利用bgr获取中子单粒子效应器件敏感截面的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用BGR获取中子单粒子效应器件敏感截面的方法及装置，包括：采用预定辐射源进行地面模拟实验，获取敏感器件敏感截面的观测值σ_观测，并监测实验中敏感器件的单粒子效应错误个数N_end；将采用BGR方法计算得出的敏感器件敏感截面值σ_BGR与敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行除运算，得到第一辅助因子；将采用Rosetta真实环境试验获得的敏感器件敏感截面值σ_Rosetta与敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行除运算，得到第二辅助因子；根据第一辅助因子、第二辅助因子计算以及单粒子效应错误个数计算修正因子的值；利用修正因子对敏感器件敏感截面的观测值σ_预设进行修正。本发明能够获得真实环境下大气中子单粒子效应敏感器件的敏感截面，为机载电子设备的防护与评价提供重要依据。

Description

利用BGR获取中子单粒子效应器件敏感截面的方法及装置

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种利用BGR获取中子单粒子效应器件敏感截面的方法及装置。

背景技术

自然空间环境中存在1MeV～1000MeV的高能大气中子，带有存储结构复杂微电子器件的机载电子设备在飞行高度为3000～20000米的自然空间环境中必然会遭遇大约每小时每平方厘米300～18000个1MeV～1000MeV的高能大气中子，产生单粒子效应，从而影响电子设备的可靠性。国际上用敏感截面来表征器件在中子环境中的单粒子效应敏感特性。但是，目前国内还没有真实环境下的敏感截面数据，并且飞行试验成本较高。因此，通过地面模拟试验成为有效的评价器件大气中子单粒子效应敏感特性方法之一。

国内，可用于开展地面模拟试验的试验源为14MeV中子辐射源，但是，由于该中子源为单能中子源，而真实环境下中子的能量并不是单能的，因此，利用现有的14MeV中子辐射源进行的模拟试验所得敏感器件的敏感截面与真实环境敏感器件的敏感截面还是存在一定的误差的，并不能直接用于表征敏感器件在真实环境下的敏感特性，进而导致无法准确地对机载电子设备中敏感器件进行安全性分析。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种利用BGR获取中子单粒子效应器件敏感截面的方法及装置，通过修正预定辐射源的试验数据，获得真实环境下大气中子单粒子效应敏感器件的敏感截面，进而实现对机载电子设备在自然空间环境中遭遇高能中子进行针对性防护与评价。

本发明提供了一种利用BGR获取中子单粒子效应器件敏感截面的方法，该方法包括：

采用预定辐射源进行地面模拟实验，获取在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测，并监测所述模拟实验中敏感器件的单粒子效应错误个数N_end；

将采用BGR方法计算得出的敏感器件敏感截面值σ_BGR与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行除运算，得到第一辅助因子；

将采用Rosetta真实环境试验获得的敏感器件敏感截面值σ_Rosetta与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行除运算，得到第二辅助因子；

根据所述第一辅助因子、第二辅助因子以及所述单粒子效应错误个数计算修正因子的值；

根据所述修正因子的值对所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行修正。

优选地，所述将采用BGR方法计算得出的敏感器件敏感截面值σ_BGR与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行除运算，得到第一辅助因子，具体包括：

获取预先设置的所述采用BGR方法计算得出的敏感器件敏感截面值σ_BGR；

计算所述采用BGR方法计算得出的敏感器件敏感截面值σ_BGR与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测的比值，作为第一辅助因子。

优选地，所述将采用Rosetta真实环境试验获得的敏感器件敏感截面值σ_Rosetta与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行除运算，得到第二辅助因子，具体包括：

获取预先设置的所述采用Rosetta真实环境试验获得的敏感器件敏感截面值σ_Rosetta；

计算所述采用Rosetta真实环境试验获得的敏感器件敏感截面值σ_Rosetta与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测的比值，作为第二辅助因子。

优选地，所述根据所述第一辅助因子、第二辅助因子以及所述单粒子效应错误个数计算修正因子的值，具体包括：

根据敏感截面的测量精度计算模型计算精度因子a；

计算所述第一辅助因子和第二辅助因子计算的比值，得到加速因子A_β；

根据所述加速因子A_β、精度因子a以及所述单粒子效应错误个数计算修正因子A，公式如下：

优选地，所述精度因子a为1.96。

优选地，所述根据所述修正因子的值对所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行修正，具体为：

计算所述修正因子与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测的乘积，得到大气中子单粒子效应敏感器件的敏感截面σ₀，公式如下：

σ₀＝σ_观测×A。

相应的，本发明还提出了一种利用BGR获取中子单粒子效应器件敏感截面的装置，所述装置包括：

获取模块，用于采用预定辐射源进行地面模拟实验，获取在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测，并获取监测到的所述模拟实验中敏感器件的单粒子效应错误个数N_end；

第一计算模块，将采用BGR方法计算得出的敏感器件敏感截面值σ_BGR与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行除运算，得到第一辅助因子；

第二计算模块，用于将采用Rosetta真实环境试验获得的敏感器件敏感截面值σ_Rosetta与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行除运算，得到第二辅助因子；

修正因子获取模块，用于根据所述第一辅助因子、第二辅助因子以及所述单粒子效应错误个数计算修正因子的值；

修正模块，用于根据所述修正因子的值对所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行修正。

优选地，所述第一计算模块包括：

第一获取单元，用于获取预先设置的所述采用BGR方法计算得出的敏感器件敏感截面值σ_BGR；

第一计算单元，用于计算所述采用BGR方法计算得出的敏感器件敏感截面值σ_BGR与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测的比值，作为第一辅助因子。

优选地，所述第二计算模块包括：

第二获取单元，用于获取预先设置的所述采用Rosetta真实环境试验获得的敏感器件敏感截面值σ_Rosetta；

第二计算单元，用于计算所述采用Rosetta真实环境试验获得的敏感器件敏感截面值σ_Rosetta与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测的比值，作为第二辅助因子。

优选地，所述修正因子获取模块包括：

第三计算单元，用于根据敏感截面的测量精度计算模型计算精度因子a；

第四计算单元，用于计算所述第一辅助因子和第二辅助因子计算的比值，得到加速因子A_β；

第五计算单元，用于根据所述加速因子A_β、精度因子a以及所述单粒子效应错误个数计算修正因子A，公式如下：

采用本发明提出的利用BGR获取中子单粒子效应器件敏感截面的方法及装置，利用了BGR的方法，对试验所获得的预定辐射源下中子单粒子效应敏感器件的敏感截面进行修正，获得真实环境下大气中子单粒子效应敏感器件的敏感截面，准确的获敏感取器件的故障率，进而实现对机载电子设备在自然空间环境中遭遇高能中子进行针对性防护与评价。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例一提出的一种利用BGR获取中子单粒子效应器件敏感截面的方法流程图；

图2为本发明实施例二提出的一种利用BGR获取中子单粒子效应器件敏感截面的装置模块图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

带有存储结构复杂微电子器件的机载电子设备在飞行高度(3000～20000米)的自然空间环境中必然会遭遇大约每小时每平方厘米300～18000个1MeV～1000MeV的高能大气中子。这些高能中子会穿透机舱蒙皮，打在机载电子设备的核心指令控制单元或关键数据存储单元上，产生软错误与硬故障，导致导航(导航接收机)、雷达探测系统(有源相控阵雷达)、数据网络(AFDX网络交换机)、通信(光纤/总线)、高速计算机系统、航空电子设备、发动机(FADEC)、电传系统、自动驾驶技术、飞行告警、显示屏、其它含有电子器件的飞行系统等出现黑屏、死机、复位、重启、数据丢失、命令丢失等安全性危害。为了建立防护与评价体系，首先需要获得真实环境下大气中子单粒子效应敏感器件的敏感截面。对此，本发明提出了一种利用BGR获取中子单粒子效应器件敏感截面的方法及装置。

图1为本发明实施例一提出的一种利用BGR获取中子单粒子效应器件敏感截面的方法流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：

S101，采用预定辐射源进行地面模拟实验，获取在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测，并监测所述模拟实验中敏感器件的单粒子效应错误个数N_end。

优选地，本发明实施例中采用14MeV中子辐射源作为预定辐射源，在14MeV中子辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测为σ_14MeV。

国内目前用14MeV能量的中子辐射源进行地面模拟试验，以获得敏感截面数据，在本发明实施例中，地面模拟试验通过14MeV中子辐射源进行辐照，获取在14MeV中子辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_14MeV，通过监测设备记录工作电压和功耗电流，回读并与辐照前回读文件比较统计模拟实验中发生的敏感器件的单粒子效应错误个数N_end。

S102，将采用BGR方法计算得出的敏感器件敏感截面值σ_BGR与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行除运算，得到第一辅助因子。

S103，将采用Rosetta真实环境试验获得的敏感器件敏感截面值σ_Rosetta与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行除运算，得到第二辅助因子。

S104，根据所述第一辅助因子、第二辅助因子以及所述单粒子效应错误个数计算修正因子的值。

S105，根据所述修正因子的值对所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行修正，具体为：计算所述修正因子与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测的乘积，得到大气中子单粒子效应敏感器件的敏感截面σ₀，公式如下：

σ₀＝σ_观测×A。

在本发明实施例中，采用14MeV中子辐射源作为预定辐射源，在14MeV中子辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测为σ_14MeV，步骤S102将采用BGR方法计算得出的敏感器件敏感截面值σ_BGR与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行除运算，得到第一辅助因子，具体包括：获取预先设置的所述采用BGR方法计算得出的敏感器件敏感截面值σ_BGR；计算所述采用BGR方法计算得出的敏感器件敏感截面值σ_BGR与所述在14MeV中子辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_14MeV的比值，作为第一辅助因子A₃，具体计算公式为：

σ_14MeV：14MeV中子辐射源获得的敏感器件敏感截面的观测值。单位：cm²/bit。

σ_BGR：利用BGR方法计算得出的敏感器件截面值。单位：cm2/bit。

目前计算中子诱发电子器件的单粒子反应比较常用的是BGR方法，BGR方法首先是由Ziegler和Lanford提出来的。这种方法计算中子诱发的单粒子翻转时，假设所有沉积在敏感体积内的能量，都是由中子和Si原子发生核反应产生的反冲核沉积的。由于反冲核的能量低(<20MeV)，在Si中的射程只有几个um，因此引起单粒子翻转的反冲核几乎所有的能量都沉积在了器件的敏感体积内。中子诱发单粒子翻转不是通过直接电离，而是通过核反应产生的反冲核引起的。因此可以借助重离子的试验数据来研究中子诱发的单粒子翻转，重离子诱发的翻转截面与沉积能量E_d之间的关系通常用Weibull函数描述，它的表达式如下：

其中σ_sat表示饱和翻转截面，E_th表示引起翻转的临界能量，w表示宽度因子，s表示形状因子。Weibull函数也可以写成翻转截面与重离子LET之间的关系，它的表达式如下：

其中，E_d，E_th，W的单位都是MeV/(mg/cm²)，(2-7)式中这些变量的单位都是MeV，这两个式子之间可以相互转换，能量E与LET之间的关系为E＝0.233-LET.t，

t表示敏感体积厚度，单位为um，(2-7)中的形等于(2-8)中的W乘以0.233.t。

BGR方法计算单粒子翻转率的公式如下：

其中C表示吸收系数，对于绝大多数器件C取0.5时计算结果和试验结果符合较好。Eri表示沉积能量，单位为MeV。BGR(E,Eri表示能量为E的中子产生能量大于Eri的反冲核的概率，单位为cm²/um³。dJ/dE表示中子的微分能谱。

ΔVi＝tσ_i＝t(σ_i-σ_i-1)，σ_i表示沉积能量为Eri的重离子引起的翻转截面，由(2-7)式得到。

在本发明实施例中，采用14MeV中子辐射源作为预定辐射源，在14MeV中子辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测为σ_14MeV，步骤S103将采用Rosetta真实环境试验获得的敏感器件敏感截面值σ_Rosetta与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行除运算，得到第二辅助因子，具体包括：获取预先设置的所述采用Rosetta真实环境试验获得的敏感器件敏感截面值σ_Rosetta；计算所述采用Rosetta真实环境试验获得的敏感器件敏感截面值σ_Rosetta与所述在14MeV中子辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_14MeV的比值，作为第二辅助因子A₄，具体计算公式为：

σ_Rosetta：Rosetta真实环境试验获得的敏感器件的敏感截面值，单位：cm2/bit。

在本发明实施例中，步骤S104根据所述第一辅助因子、第二辅助因子以及所述单粒子效应错误个数计算修正因子的值，具体包括：

根据敏感截面的测量精度计算模型计算精度因子a；

计算所述第一辅助因子和第二辅助因子计算的比值，得到加速因子A_β，具体计算公式为：

根据所述加速因子A_β、精度因子a以及所述单粒子效应错误个数计算修正因子A，公式如下：

其中，所述精度因子a为1.96。

对于不可重复的抽样情况下，显著水平α＝0.05，置信度CL＝1－α＝0.95时，根据置信区间的定义，则敏感截面的测量精度计算模型如下：

――公式1

可知：

及

其中，N为大气中子单粒效应错误样本数量，单位：个；B为大气中子单粒子效应敏感器件bit位数，单位：个；所述精度因子a优选为1.96。

图2为本发明实施例二提出的一种利用BGR获取中子单粒子效应器件敏感截面的装置模块图，如图2所示，所述装置包括：

获取模块201，用于采用预定辐射源进行地面模拟实验，获取在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测，并获取监测到的所述模拟实验中敏感器件的单粒子效应错误个数N_end；

第一计算模块202，将采用BGR方法计算得出的敏感器件敏感截面值σ_BGR与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行除运算，得到第一辅助因子；

第二计算模块203，用于将采用Rosetta真实环境试验获得的敏感器件敏感截面值σ_Rosetta与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行除运算，得到第二辅助因子；

修正因子获取模块204，用于根据所述第一辅助因子、第二辅助因子以及所述单粒子效应错误个数计算修正因子的值；

修正模块205，用于根据所述修正因子的值对所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_14MeV进行修正。

本发明实施例中采用14MeV中子辐射源作为预定辐射源，在14MeV中子辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测为σ_14MeV。

本发明实施例中的第一计算模块202包括：

第一获取单元，用于获取预先设置的所述采用BGR方法计算得出的敏感器件敏感截面值σ_BGR；

第一计算单元，用于计算所述采用BGR方法计算得出的敏感器件敏感截面值σ_BGR与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测的比值，作为第一辅助因子。

本发明实施例中的第二计算模块203包括：

第二获取单元，用于获取预先设置的所述采用Rosetta真实环境试验获得的敏感器件敏感截面值σ_Rosetta；

第二计算单元，用于计算所述采用Rosetta真实环境试验获得的敏感器件敏感截面值σ_Rosetta与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测的比值，作为第二辅助因子。

本发明实施例中的修正因子获取模块204包括：

第三计算单元，用于根据敏感截面的测量精度计算模型计算精度因子a；

第四计算单元，用于计算所述第一辅助因子和第二辅助因子计算的比值，得到加速因子A_β；

第五计算单元，用于根据所述加速因子A_β、精度因子a以及所述单粒子效应错误个数计算修正因子A，公式如下：

本发明提出的利用BGR获取中子单粒子效应器件敏感截面的方法及装置，具有以下有益效果：

本发明克服了利用国内现有的预定辐射源进行的模拟试验所得敏感器件的敏感截面与真实环境敏感器件的敏感截面存在一定的误差的问题，通过利用现有的BGR的方法，对试验所获得的预定辐射源下中子单粒子效应敏感器件的敏感截面进行修正，获得真实环境下大气中子单粒子效应敏感器件的敏感截面，准确的获敏感取器件的故障率，进而实现对机载电子设备在自然空间环境中遭遇高能中子进行针对性防护与评价。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可以通过硬件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种利用BGR获取中子单粒子效应器件敏感截面的方法，其特征在于，包括：

采用预定辐射源进行地面模拟实验，获取在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测，并监测所述模拟实验中敏感器件的单粒子效应错误个数N_end；

将采用BGR方法计算得出的敏感器件敏感截面值σ_BGR与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行除运算，得到第一辅助因子；

将采用Rosetta真实环境试验获得的敏感器件敏感截面值σ_Rosetta与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行除运算，得到第二辅助因子；

根据所述第一辅助因子、第二辅助因子以及所述单粒子效应错误个数计算修正因子的值，具体包括：

根据敏感截面的测量精度计算模型计算精度因子a；

计算所述第一辅助因子和第二辅助因子计算的比值，得到加速因子A_β；

根据所述加速因子A_β、精度因子a以及所述单粒子效应错误个数计算修正因子A，公式如下：

根据所述修正因子的值对所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行修正，具体包括：

计算所述修正因子与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测的乘积，得到大气中子单粒子效应敏感器件的敏感截面σ₀，公式如下：

σ₀＝σ_观测×A。

2.根据权利要求1所述的利用BGR获取中子单粒子效应器件敏感截面的方法，其特征在于，所述精度因子a为1.96。

3.一种利用BGR获取中子单粒子效应器件敏感截面的装置，其特征在于，所述装置包括：

获取模块，用于采用预定辐射源进行地面模拟实验，获取在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测，并获取监测到的所述模拟实验中敏感器件的单粒子效应错误个数N_end；

第一计算模块，将采用BGR方法计算得出的敏感器件敏感截面值σ_BGR与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行除运算，得到第一辅助因子；

第二计算模块，用于将采用Rosetta真实环境试验获得的敏感器件敏感截面值σ_Rosetta与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行除运算，得到第二辅助因子；

修正因子获取模块，用于根据所述第一辅助因子、第二辅助因子以及所述单粒子效应错误个数计算修正因子的值，具体包括：

根据敏感截面的测量精度计算模型计算精度因子a；

计算所述第一辅助因子和第二辅助因子计算的比值，得到加速因子A_β；

根据所述加速因子A_β、精度因子a以及所述单粒子效应错误个数计算修正因子A，公式如下：

修正模块，用于根据所述修正因子的值对所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测进行修正，具体包括：

计算所述修正因子与所述在预定辐射源辐射下敏感器件敏感截面的观测值σ_观测的乘积，得到大气中子单粒子效应敏感器件的敏感截面σ₀，公式如下：

σ₀＝σ_观测×A。