CN105718714B - 微电路大气中子单粒子翻转率的确定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微电路大气中子单粒子翻转率的确定方法及系统，以解决如何预计航空电子系统中的微电路在任务空间环境中的大气中子单粒子翻转率的问题。该方法包括：S1、计算微电路发生大气中子单粒子翻转的敏感截面；S2、计算任务应用环境的辐射应力；S3、根据所述敏感截面和所述任务应用环境的辐射应力，计算所述微电路在任务应用环境中的大气中子单粒子翻转率。本发明首先计算得到微电路发生大气中子单粒子翻转的敏感截面，然后结合任务应用环境的辐射应力，得到大气中子单粒子翻转率，进而指导微电路制造商、用户及相关的试验机构预估微电路在任务应用环境中的翻转率，从而为航空电子系统开展针对性防控措施提供基础数据。

Description

微电路大气中子单粒子翻转率的确定方法及系统

技术领域

本发明涉及单粒子翻转技术领域，具体涉及一种微电路大气中子单粒子翻转率的确定方法及系统。

背景技术

航空电子系统在飞行高度为3000～20000米的自然空间环境中会遭遇大气中子，这些大气中子的能量范围为0.025eV～1000MeV，大约每小时每平方厘米300～18000个，其穿透力强，金属材料几乎没有阻挡作用，因此大气中子会穿透机舱蒙皮，打在航空电子系统的核心关键指令控制单元或关键数据存储单元上，进而可能在器件级产生单粒子效应软错误、固定错误或硬错误，在设备级产生单粒子效应软失效、固定失效或硬失效，在系统级产生单粒子效应软故障、固定故障或硬故障，从而引起航空电子系统死机、复位、重启、数据丢失、命令丢失等安全性危害，会造成安全等级降低、可靠性降低，还会影响设备的维修性与可用性。

当宇宙空间中单个高能粒子入射半导体器件时产生大量的电子空穴对，而这些电子空穴对能够被半导体器件中敏感的反偏PN结所收集，从而使电路逻辑状态发生翻转、存储数据发生随即改变或者造成电子器件的本身永久性损伤，这种现象称为单粒子效应(Single event effect，简称SEE)。而这种由大气中子引发单粒子效应的主要根源在于航空电子系统的微电路，即只有微电路发生错误，才有可能传递至设备，引发设备的失效，进而才有可能传递至系统，引发系统的故障。

因此需要一种预计微电路在真实的任务空间环境下的大气中子单粒子翻转率的方法，进而为航空电子系统的针对性防控措施提供基础数据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何预计航空电子系统中的微电路在任务空间环境中的大气中子单粒子翻转率。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种微电路大气中子单粒子翻转率的确定方法及系统。

第一方面，该方法包括：

S1、计算微电路发生大气中子单粒子翻转的敏感截面；

S2、计算任务应用环境的辐射应力；

S3、根据所述敏感截面和所述任务应用环境的辐射应力，计算所述微电路在任务应用环境中的大气中子单粒子翻转率。

进一步地，所述步骤S1包括：

S11、采集大气中子单粒子效应地面模拟试验中的试验数据，该试验数据包括在所述试验中中子源的累积注量、所述微电路发生单粒子翻转的数量及所述微电路的使用比特位数；

S12、根据所述中子源的累积注量、所述微电路发生单粒子翻转的数量及所述使用比特位数，计算所述敏感截面。

进一步地，所述步骤S12采用下式计算所述敏感截面：

其中，σ为所述敏感截面，N为所述微电路发生单粒子翻转的数量，F为所述中子源的累积注量，N_s为所述使用比特位数，A_σ为敏感截面修正因子。

进一步地，所述步骤S2包括：

S21、确定导致所述微电路发生单粒子翻转的大气中子的阈值能量；

S22、确定所述微电路所在任务应用环境的高度、截止刚度和太阳活动状态；

S23、根据所述阈值能量及所述任务应用环境的高度、截止刚度和太阳活动状态，计算所述任务应用环境的辐射应力。

进一步地，所述步骤S23采用下式计算所述辐射应力：

f＝6000×A_E×A_XY×A_Z×A_C

其中，f为所述辐射应力，A_E为在标准空间环境中所述阈值能量以上的大气中子的注量率与6000之间的比值，A_XY为在标准空间环境的高度、任务应用环境的截止刚度及太阳处于平静期时的大气中子注量率与6000的比值，A_Z为在标准空间环境的截止刚度、任务应用环境的高度及太阳处于平静期时的大气中子注量率与6000的比值，A_C为在标准空间环境的高度、标准空间环境的截止刚度及太阳处于任务应用环境的太阳活动状态时的大气中子注量率与6000的比值。

进一步地，所述步骤S3采用下式计算所述大气中子单粒子翻转率：

λ＝f×σ×A_λ

其中，λ为所述大气中子单粒子翻转率，f为所述任务应用环境的辐射应力，σ为所述敏感截面，A_λ为翻转率修正因子。

第二方面，该系统包括：

第一计算模块，用于计算微电路发生大气中子单粒子翻转的敏感截面；

第二计算模块，用于计算任务应用环境的辐射应力；

第三计算模块，用于根据所述敏感截面和所述任务应用环境的辐射应力，计算所述微电路在任务应用环境中的大气中子单粒子翻转率。

进一步地，所述第一计算模块包括：

数据采集单元，用于采集大气中子单粒子效应地面模拟试验中的试验数据，该试验数据包括在所述试验中中子源的累积注量、所述微电路发生单粒子翻转的数量及所述微电路的使用比特位数；

第一计算单元，用于根据所述中子源的累积注量、所述微电路发生单粒子翻转的数量及所述使用比特位数，计算所述敏感截面。

进一步地，所述第二计算模块包括：

第一确定单元，用于确定导致所述微电路发生单粒子翻转的大气中子的阈值能量；

第二确定单元，用于确定所述微电路所在任务应用环境的高度、截止刚度和太阳活动状态；

第二计算单元，用于根据所述阈值能量及所述任务应用环境的高度、截止刚度和太阳活动状态，计算所述任务应用环境的辐射应力。

进一步地，所述第三计算模块通过下式计算所述大气中子单粒子翻转率：

λ＝f×σ×A_λ

其中，λ为所述大气中子单粒子翻转率，f为所述任务应用环境的辐射应力，σ为所述敏感截面，A_λ为翻转率修正因子。

本发明首先计算得到微电路发生大气中子单粒子翻转的敏感截面，然后结合任务应用环境的辐射应力，得到大气中子单粒子翻转率，进而指导微电路制造商、用户及相关的试验机构预估微电路在任务应用环境中的翻转率，从而为航空电子系统开展针对性防控措施提供基础数据。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征信息和优点，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示出了根据本发明微电路大气中子单粒子翻转率的确定方法一实施例的流程示意图；

图2示出了根据本发明微电路大气中子单粒子翻转率的确定方法另一实施例的流程示意图；

图3示出了大气中子单粒子效应地面模拟试验的流程示意图；

图4示出了根据本发明微电路大气中子单粒子翻转率的确定系统的结构框图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

在介绍本发明的技术方案之前，首先对可能涉及到的一些技术名词进行解释或说明：

(1)微电路，是指航空电子系统中具有存储结构的CPU、SRAM型FPGA、大容量存储器等硅基材料微电路。

(2)大气中子，是指大气层以内25000米以下至海平面之间、能量在1MeV以上的高能中子。

(3)大气中子单粒子效应，是指单个高能大气中子打击在微电路的存储结构上，使其逻辑状态改变(例如，0变1，或1变0)的现象，最常见的大气中子单粒子效应是单粒子翻转，简称SEU。

(4)本征敏感特性，是指微电路在辐射应力作用下产生辐射响应(如单粒子翻转)的固有属性，通常该属性与任务应用环境的辐射应力的大小无关，而是与微电路本身的材料、工艺、结构有关。本征敏感特性有两个表征参数，一个是大气中子使该微电路产生单粒子效应的阈值能量E_o，另一个是微电路产生单粒子效应的最大饱和敏感截面σ_max。在微电路大气中子单粒子效应方面，目前国际上主要采用饱和敏感截面σ_max这一表征参数，单位：cm₂/bit，阈值能量默认为10MeV。

其中，阈值能量E_o，是指大气中子使微电路产生单粒子翻转的最低能量起点，国际上默认为10MeV。但是，目前国内常用的阈值能量在1MeV左右。

敏感截面，是指阈值能量以上的大气中子诱发微电路沉积电荷产生单粒子效应的概率与微电路的敏感面积的综合值，有效敏感截面，是指按照微电路真实的阈值能量(如1MeV)而不是国际默认的阈值能量(10MeV)计算获得的敏感截面。

(5)应用敏感特性，是指微电路在规定的任务寿命周期内，由阈值能量以上的任务应用环境辐射应力作用下产生辐射响应(如单粒子翻转)的应用属性，通常该属性不仅仅与微电路本征敏感特性有关，还与任务应用环境辐射应力即注量率有关，通常用翻转率λ表征，单位：#/bit·h。

其中，翻转率，是指微电路在规定的任务寿命周期内，由阈值能量以上的任务应用环境辐射应力作用下产生辐射响应(单粒子翻转)的频率，单位#/bit·h。通常该属性不仅仅与微电路本征敏感特性有关，还与任务应用环境辐射应力即注量率的大小有关。有效翻转率是指按照微电路真实的阈值能量(如1MeV)而不是国际默认的阈值能量(10MeV)计算获得的单粒子翻转率。

注量率，是任务应用环境辐射应力的表征参数，是指微电路阈值能量以上、单位时间、单位面积大气中子的数量，单位：#/cm².h。有效注量率是指按照微电路真实的阈值能量(如1MeV)而不是国际默认的阈值能量(10MeV)计算获得的大气中子注量率。任务应用环境中大气中子能量、高度、纬度、经度、任务期间太阳活动状态等对注量率均有影响。

注量，是任务应用环境累积辐射应力的表征参数，是指微电路阈值能量以上、规定的任务寿命周期内、单位面积大气中子的数量，单位：#/cm²。有效注量是指按照微电路真实的阈值能量(如1MeV)而不是国际默认的阈值能量(10MeV)计算获得的大气中子注量。

本发明提供一种微电路大气中子单粒子翻转率的确定方法，如图1、2所示，该方法包括：

S1、计算微电路发生大气中子单粒子翻转的敏感截面；

S2、确定任务应用环境的辐射应力；

S3、根据所述敏感截面和所述任务应用环境的辐射应力，计算所述微电路在任务应用环境中的大气中子单粒子翻转率。

本发明首先计算得到微电路发生大气中子单粒子翻转的敏感截面，然后结合任务应用环境的辐射应力，得到大气中子单粒子翻转率，进而指导微电路制造商、用户及相关的试验机构预估微电路在任务应用环境中的翻转率，从而为航空电子系统开展针对性防控措施提供基础数据。

在上述技术方案的具体实施中，敏感截面可以通过试验的方式确定，故所述步骤S1可包括：

S11、采集大气中子单粒子效应地面模拟试验中的试验数据，该试验数据包括在所述试验中中子源的累积注量、所述微电路发生单粒子翻转的数量及所述微电路的使用比特位数；

S12、根据所述中子源的累积注量、所述微电路发生单粒子翻转的数量及所述使用比特位数，计算所述敏感截面。

可见，本发明可通过大气中子单粒子效应地面模拟试验的方法获取有关的数据，进而计算敏感截面。该大气中子单粒子效应地面模拟试验的中子源可以采用14MeV的单能中子源。

其中，所述步骤S21可采用下式计算所述敏感截面：

其中，σ为所述敏感截面，单位：cm²/bit；

N为所述微电路发生单粒子翻转的数量，单位：次；

F为所述中子源的累积注量，单位：#/cm²；

N_s为所述使用比特位数，单位：bit；

A_σ为敏感截面修正因子，单位：无量纲，通常初始值可取1。

其中，大气中子单粒子效应地面模拟试验的整个试验过程如下表1所示：

表1地面模拟试验的步骤及其工作内容

从该表中可以看出，上述地面模拟试验的具体过程包括方案设计、试验准备、试验实施及试验报告四个步骤，而且每一步骤中包含不同的工作内容。具体的试验过程可参考图3。

进一步地，所述步骤S2可包括：

S21、确定导致所述微电路发生单粒子翻转的大气中子的阈值能量；

S22、确定所述微电路所在任务应用环境的高度、截止刚度和太阳活动状态；

S23、根据所述阈值能量及所述任务应用环境的高度、截止刚度和太阳活动状态，计算所述任务应用环境的辐射应力。

其中，步骤S21、S22之间没有先后顺序。

阈值能量，是针对微电路的。

任务应用环境的任务应用环境的高度、截止刚度和太阳活动状态，是针对微电路所在任务应用环境的。

辐射应力与微电路本身及微电路所在的任务应用环境都有关。这里，微电路的不同或任务应用环境的不同都会造成辐射应力的变化。

所述步骤S23可采用下式计算所述辐射应力：

f＝6000×A_E×A_XY×A_Z×A_C

这里，将高度12.2km、北纬45°、经度Y1°、太阳处于平静期的空间环境称为标准空间环境。经度Y1°的值可以通过有关的国际标准推导得到，大约为东经236°。某一经度值、某一纬度值对应一截止刚度值。

6000是指波音简化模型在标准空间环境中能量在10MeV以上的大气中子产生的辐射应力，该辐射应力为一国际典型值，单位：#/cm²h。

f为所求的辐射应力，单位：#/cm²h；

A_E为在标准空间环境中所述阈值能量以上的大气中子的注量率与6000之间的比值，A_E是对阈值能量的修正，无量纲；

A_XY为在标准空间环境的高度、任务应用环境的截止刚度及太阳处于平静期时的大气中子注量率与6000的比值，A_XY是对截止刚度的修正，无量纲；

A_Z为在标准空间环境的截止刚度、任务应用环境的高度及太阳处于平静期时的大气中子注量率与6000的比值，A_Z是对高度的修正，无量纲；

A_C为在标准空间环境的高度、标准空间环境的截止刚度及太阳处于任务应用环境的太阳活动状态时的大气中子注量率与6000的比值，A_C是对太阳活动状态的修正。

通过以上公式，对阈值能量、截止刚度、高度和太阳活动状态进行修正，从而得到真实任务应用环境的辐射应力。

进一步地，所述步骤S3可采用下式计算所述大气中子单粒子翻转率：

λ＝f×σ×A_λ

其中，λ为所述大气中子单粒子翻转率，单位：#/bit.h；

f为所述任务应用环境的辐射应力，单位：#/cm².h；

σ为所述敏感截面，单位：cm²/bit；

A_λ为翻转率修正因子，无量纲，通常初始值可取1。

本发明提供一种微电路大气中子单粒子翻转率的确定系统，如图4所示，该系统100包括：

第一计算模块101，用于计算微电路发生大气中子单粒子翻转的敏感截面；

第二计算模块102，用于计算任务应用环境的辐射应力；

第三计算模块103，用于根据所述敏感截面和所述任务应用环境的辐射应力，计算所述微电路在任务应用环境中的大气中子单粒子翻转率。

进一步地，所述第一计算模块101包括：

数据采集单元1011，用于采集大气中子单粒子效应地面模拟试验中的试验数据，该试验数据包括在所述试验中中子源的累积注量、所述微电路发生单粒子翻转的数量及所述微电路的使用比特位数；

第一计算单元1012，用于根据所述中子源的累积注量、所述微电路发生单粒子翻转的数量及所述使用比特位数，计算所述敏感截面。

进一步地，所述第二计算模块102包括：

第一确定单元1021，用于确定导致所述微电路发生单粒子翻转的大气中子的阈值能量；

第二确定单元1022，用于确定所述微电路所在任务应用环境的高度、截止刚度和太阳活动状态；

第二计算单元1023，用于根据所述阈值能量及所述任务应用环境的高度、截止刚度和太阳活动状态，计算所述任务应用环境的辐射应力。

进一步地，所述第三计算模块103通过下式计算所述大气中子单粒子翻转率：

λ＝f×σ×A_λ

其中，λ为所述大气中子单粒子翻转率，f为所述任务应用环境的辐射应力，σ为所述敏感截面，A_λ为翻转率修正因子。

本发明微电路大气中子单粒子翻转率的确定系统为本发明微电路大气中子单粒子翻转率的确定方法的功能架构模块，其相关部分的解释、说明和有益效果请参考本发明微电路大气中子单粒子翻转率的确定方法的相应部分，在此不再赘述。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.微电路大气中子单粒子翻转率的确定方法，其特征在于，包括：

S1、计算微电路发生大气中子单粒子翻转的敏感截面；

S2、计算任务应用环境的辐射应力；

S3、根据所述敏感截面和所述任务应用环境的辐射应力，计算所述微电路在任务应用环境中的大气中子单粒子翻转率；

其中，所述步骤S2包括：

S21、确定导致所述微电路发生单粒子翻转的大气中子的阈值能量；

S22、确定所述微电路所在任务应用环境的高度、截止刚度和太阳活动状态；

S23、根据所述阈值能量及所述任务应用环境的高度、截止刚度和太阳活动状态，计算所述任务应用环境的辐射应力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S11、采集大气中子单粒子效应地面模拟试验中的试验数据，该试验数据包括在所述试验中中子源的累积注量、所述微电路发生单粒子翻转的数量及所述微电路的使用比特位数；

S12、根据所述中子源的累积注量、所述微电路发生单粒子翻转的数量及所述使用比特位数，计算所述敏感截面。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S12采用下式计算所述敏感截面：

其中，σ为所述敏感截面，N为所述微电路发生单粒子翻转的数量，F为所述中子源的累积注量，N_s为所述使用比特位数，A_σ为敏感截面修正因子。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S23采用下式计算所述辐射应力：

f＝6000×A_E×A_XY×A_Z×A_C

其中，f为所述辐射应力，A_E为在标准空间环境中所述阈值能量以上的大气中子的注量率与6000之间的比值，A_XY为在标准空间环境的高度、任务应用环境的截止刚度及太阳处于平静期时的大气中子注量率与6000的比值，A_Z为在标准空间环境的截止刚度、任务应用环境的高度及太阳处于平静期时的大气中子注量率与6000的比值，A_C为在标准空间环境的高度、标准空间环境的截止刚度及太阳处于任务应用环境的太阳活动状态时的大气中子注量率与6000的比值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3采用下式计算所述大气中子单粒子翻转率：

λ＝f×σ×A_λ

其中，λ为所述大气中子单粒子翻转率，f为所述任务应用环境的辐射应力，σ为所述敏感截面，A_λ为翻转率修正因子。

6.一种微电路大气中子单粒子翻转率的确定系统，其特征在于，包括：

第一计算模块，用于计算微电路发生大气中子单粒子翻转的敏感截面；

第二计算模块，用于计算任务应用环境的辐射应力；

第三计算模块，用于根据所述敏感截面和所述任务应用环境的辐射应力，计算所述微电路在任务应用环境中的大气中子单粒子翻转率；

其中，所述第二计算模块包括：

第一确定单元，用于确定导致所述微电路发生单粒子翻转的大气中子的阈值能量；

第二确定单元，用于确定所述微电路所在任务应用环境的高度、截止刚度和太阳活动状态；

第二计算单元，用于根据所述阈值能量及所述任务应用环境的高度、截止刚度和太阳活动状态，计算所述任务应用环境的辐射应力。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一计算模块包括：

数据采集单元，用于采集大气中子单粒子效应地面模拟试验中的试验数据，该试验数据包括在所述试验中中子源的累积注量、所述微电路发生单粒子翻转的数量及所述微电路的使用比特位数；

第一计算单元，用于根据所述中子源的累积注量、所述微电路发生单粒子翻转的数量及所述使用比特位数，计算所述敏感截面。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第三计算模块通过下式计算所述大气中子单粒子翻转率：

λ＝f×σ×A_λ

其中，λ为所述大气中子单粒子翻转率，f为所述任务应用环境的辐射应力，σ为所述敏感截面，A_λ为翻转率修正因子。