CN107545098B - 化合物器件空间连续谱质子位移损伤地面等效评估方法 - Google Patents

化合物器件空间连续谱质子位移损伤地面等效评估方法 Download PDF

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CN107545098B CN201710631110.1A CN201710631110A CN107545098B CN 107545098 B CN107545098 B CN 107545098B CN 201710631110 A CN201710631110 A CN 201710631110A CN 107545098 B CN107545098 B CN 107545098B
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Abstract

本发明涉及化合物器件空间连续谱质子位移损伤地面等效评估方法，该方法能够用于指导评估宇航用化合物器件在空间辐射环境中因位移损伤效应造成的性能退化情况，获得器件抗位移损伤能力的准确数据，为器件抗辐射加固设计提供依据，也为宇航型号选择抗辐射能力满足要求的器件和进行应用加固设计提供参考数据，属于化合物器件的宇航应用技术领域。

Description

化合物器件空间连续谱质子位移损伤地面等效评估方法
技术领域
本发明涉及化合物器件空间连续谱质子位移损伤地面等效评估方法，该方法能够用于指导评估宇航用化合物器件在空间辐射环境中因位移损伤效应造成的性能退化情况，获得器件抗位移损伤能力的准确数据，为器件抗辐射加固设计提供依据，也为宇航型号选择抗辐射能力满足要求的器件和进行应用加固设计提供参考数据，属于化合物器件的宇航应用技术领域。
背景技术
空间辐射环境中的高能质子，入射航天器电子系统中的器件，会产生晶格损伤，即产生位移损伤效应，位移损伤效应会引起电子器件性能退化，甚至失效，造成航天器性能退化，甚至失效。针对航天器抗辐射加固需求，宇航用电子元器件必须进行位移损伤效应评估。
在空间环境中，质子的能谱是连续的，能量范围在0.1～400MeV。研究发现，不同能量的质子，引起的器件性能退化不同。在地面实验室难以模拟出连续谱的空间辐射环境。国内外对硅器件经过大量研究，发现器件的性能退化与所受的位移损伤剂量成线性关系，提出了基于位移损伤剂量等效的地面模拟试验方法，即将空间环境中连续谱的质子产生的位移损伤，在地面实验室用单一能量的质子，辐照到相同的位移损伤剂量，进行等效模拟试验评估。该方法适用于硅器件。
随着微电子技术的发展，涌现出一些性能优异的化合物器件，如GaAs器件，这些新型化合物器件有很大的宇航应用潜力。和硅器件一样，新型化合物器件宇航应用前，同样需要进行位移效应试验评估，获得化合物器件抗位移损伤能力数据，为化合物器件宇航应用及应用加固提供依据。
但是，适用于硅器件的位移损伤剂量等效试验原理，对于化合物器件，用不同能量质子进行评估，得到的评估结果不同，这是由于对于化合物器件，非电离能损和位移损伤造成的性能退化，在空间质子能量范围内，存在偏离线性相关的情况。
目前已有试验方法和专利技术均未解决该问题。国军标548B-2005《微电子器件试验方法和程序》方法1017《中子辐射》给出了利用中子评估中子环境位移损伤的方法。用该方法评估空间质子引起的位移损伤存在不同辐射源等效问题，目前，不同辐射源等效问题尚未完全解决。国军标548B-2005《微电子器件试验方法和程序》方法1019.2《电离辐射(总剂量)试验程序》给出了利用钴-60γ射线评估空间质子、电子引起的电离总剂量效应。该方法不适用于评估空间辐射环境的位移损伤效应。专利技术《利用地面辐照试验数据评估CCD在轨抗辐射能力的方法(ZL200710001079.0)》给出了利用单一能量质子辐照试验评估CCD器件由空间连续谱质子引起的位移损伤。CCD为硅器件，该方法对硅器件适用。对于化合物器件，不同能量质子辐照相同的位移损伤剂量，器件的退化是不同的，因而，该专利不适用于化合物器件。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种化合物器件空间连续谱质子位移损伤地面等效评估方法，该方法适用于化合物器件，实现了化合物器件空间位移损伤地面准确等效评估，满足宇航用化合物器件抗辐射评估的需求。
本发明的技术解决方案是：
化合物器件空间连续谱质子位移损伤地面等效评估方法，步骤如下：
(1)仿真计算化合物器件材料有效非电离能损NIELeff(E)：
采用蒙特卡罗模拟仿真，仿真过程中设模拟仿真单元的厚度为d，化合物器件材料的密度为β，计算质子入射化合物器件材料有效非电离能损，计算公式如(1)所示：
NIELeff(E)＝ENIEL(E)/(nβd) (1)
其中，E为入射质子的能量，n为仿真的入射质子总数；
对于化合物AMBN，其中，A、B分别为构成化合物的元素，M和N为原子数，ENIEL(E)为通过库伦散射沉积在材料中的非电离能量，ENIEL(E)计算公式如(2)所示：
ENIEL(E)＝(Etrans(E)A+Etrans(E)B)×(M×L(E)A+N×L(E)B)/(M+N) (2)
其中，Etrans(E)A、Etrans(E)B分别为能量为E的入射质子传递给化合物组份A和B的总能量，计算公式如(3)所示：
Figure BDA0001363882790000031
E为入射质子能量，m1为入射质子的质量，mA为化合物中A元素的质量，mB为化合物中B元素的质量；
θA、θB计算公式如(4)所示：
Figure BDA0001363882790000032
其中，
Figure BDA0001363882790000033
其中，b为服从0到1均匀分布的随机数，Q为化合物器件材料中的每单位体积的原子数，lu为入射质子的平均自由程；
Figure BDA0001363882790000034
m为化合物器件材料的摩尔质量；
Figure BDA0001363882790000041
σ为入射质子对化合物器件材料的碰撞截面，可通过Geant4中GheishaElastic模型计算获得；
Figure BDA0001363882790000042
用计算公式如(5)所示：
Figure BDA0001363882790000043
其中
Figure BDA0001363882790000049
auA、auB满足方程
Figure BDA0001363882790000044
其中a0是波尔半径
Figure BDA0001363882790000045
Z1入射粒子的原子序数、ZA为化合物中原子A的原子序数，ZB是化合物中原子B的原子序数。
其中，
Figure BDA0001363882790000046
Figure BDA0001363882790000047
Ec为质心系动量，服从动量守恒原理，即以质心为参考系的系统体系总动量为零；质心系动量守恒是入射质子和碰撞产物总的动量守恒。
r为入射质子的径向坐标半径；；xA0为一中间量，xB0为一中间量；xA0为一已知值，xB0为一已知值。
xA0的计算方法为：当公式(3)中的Etrans(E)A取Efz时，且E取入射质子最小-的能量时求得θA，再将θA带入到公式(7-1)中：
Figure BDA0001363882790000048
xB0的计算方法为：当公式(3)中的Etrans(E)B取Efz时，且E取入射质子最小的能量时求得θB，再将θB带入到公式(7-2)中：
Figure BDA0001363882790000051
Efz为仿真可以忽略的最小传递能量；
L(E)A、L(E)B分别为A和B化合物成份的有效非电离能损修正因子；
Figure BDA0001363882790000052
Figure BDA0001363882790000053
Figure BDA0001363882790000054
Figure BDA0001363882790000055
Figure BDA0001363882790000056
其中，Z1和m1为入射质子的原子序数和质量，ZA和mA为相应化合物中元素的A原子序数和质量，ZB和mB为相应化合物中元素的B原子序数和质量。
(2)计算化合物器件在指定航天器轨道、屏蔽厚度和时间内接受的有效位移损伤剂量：
通过公式(11)获得化合物器件在指定航天器轨道、屏蔽厚度和时间内接受的有效位移损伤剂量DDDeff：
Figure BDA0001363882790000061
式中：E为质子能量；f(E)为化合物器件所在的空间轨道、屏蔽厚度和△T工作期间内的接受的空间质子微分能谱，质子微分能谱计算可以采用
Figure BDA0001363882790000063
SPACERADIATION、FORCAST软件，也可根据ECSS-E-ST-10-04C《Space engineering-Space environment-Energetic particle radiation》给出的空间质子模型进行计算；Emax和Emin分别为空间质子最大能量和最小能量。
(3)在地面用选择的单一能量的质子进行等效试验，计算选择单一能量质子进行地面等效模拟试验所需的等效质子注量
单一能量质子选择的要求如下：
(1)质子射程足够高，不少于化合物器件管壳厚度1.5倍；
(2)现有地面加速器能够提供该能量的质子，确保可进行试验。
在地面用设定的单一能量质子进行等效试验所使用的等效质子注量φ(E1)，如公式(12)所示：
Figure BDA0001363882790000062
其中，E1为选择的单一能量的质子的能量值，DDDeff为步骤(2)中获得的有效位移损伤剂量，NIELeff(E1)为利用步骤(1)计算的能量为E1质子的有效非电离能损。
(4)在地面对化合物器件进行空间位移损伤等效辐照试验
使用加速器产生的能量为E1的质子，辐照化合物器件，辐照累计注量达到步骤(3)给出的等效质子注量φ(E1)时，辐照结束。
辐照后，对化合物器件进行性能测试
辐照结束后，按照化合物器件的产品详细规范规定的测试条件和判据(列举在下表)，对化合物器件辐射敏感参数进行性能测试。
典型器件的辐射敏感参数如下：
序号 器件类型 辐射敏感参数
1 光耦 电流传输比
2 发光管 辐射光功率
3 晶体管 电流增益
如果化合物器件性能测试合格，抗位移损伤能力大于所辐照的位移损伤剂量，满足所设定的轨道高度、屏蔽厚度和工作期限的工作环境要求；
如果测试不合格，则表明器件抗位移损伤能力小于所辐照的位移损伤剂量，不满足所设定的轨道高度、屏蔽厚度和工作期限的工作环境要求。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明给出了针对化合物器件位移损伤等效评估的非电离能损的计算方法；
(2)本发明给出了获得化合物器件空间位移损伤地面等效评估的等效位移损伤剂量的方法；
(3)本发明的方法进行化合物器件位移损伤地面评估试验，评估结果更准确。
附图说明
图1为不同能量质子在GaAs材料中的有效非电离能损的计算结果，图中横坐标为质子能量，单位为兆电子伏，纵坐标为有效非电离能损NIELeff(E)；
图2为低地球轨道500km×500km，28°轨道、3mm等效铝屏蔽厚度，1年时间的质子微分能谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例
化合物器件材料为GaAs化合物，GaAs化合物发光管HG235W空间位移损伤试验评估方法为：
(1)计算GaAs化合物器件材料有效非电离能损NIELeff(E)：
采用蒙特卡罗模拟仿真软件Geant4构建计算程序，仿真过程中模拟单元的厚度d为3.5微米，GaAs的密度β为5.37g/cm3，计算质子入射GaAs化合物器件材料有效非电离能损，计算公式如(1)～(10)所示：
NIELeff(E)＝ENIEL(E)/(nβd) (1)
其中，E为入射质子的能量，取值为0.1MeV～400MeV，n为入射质子总数，取30；
对于化合物GaAs，其中，Ga、As分别为构成化合物的元素，ENIEL(E)为通过库伦散射沉积在材料中的非电离能量，ENIEL(E)计算公式如(2)所示：
ENIEL(E)＝(Etrans(E)A+Etrans(E)B)×(M×L(E)A+N×L(E)B)/(M+N) (2)
其中，Etrans(E)A、Etrans(E)B分别为能量为E的入射质子传递给化合物组份Ga和As的总能量，A和B分别代表Ga和As元素，对于GaAs材料，M和N均取1，Etrans(E)A、Etrans(E)B计算公式如(3)所示：
Figure BDA0001363882790000081
E为入射质子能量，m1为入射质子的质量，取1.6726231*10-27kg；mA为化合物中Ga元素的质量，取1.16615282532*10-25Kg；mB为化合物中As元素的质量，取1.2531559884986*10-25kg；
θA、θB计算公式如(4)所示：
Figure BDA0001363882790000082
其中，
Figure BDA0001363882790000091
其中，b为服从0到1均匀分布的随机数，Q为化合物器件材料中的每单位体积的分子数，lu为入射质子的平均自由程；
Figure BDA0001363882790000092
m为化合物器件材料的摩尔质量；
Figure BDA0001363882790000093
其中，β为GaAs材料密度取5.37g/cm3；σ为入射质子对化合物器件材料的碰撞截面，通过Geant4中GheishaElastic模型计算获得；
Figure BDA0001363882790000094
用计算公式如(5)所示：
Figure BDA0001363882790000095
其中
Figure BDA0001363882790000096
auA、auB满足方程
Figure BDA0001363882790000097
其中a0是波尔半径
Figure BDA0001363882790000098
Z1入射粒子的原子序数，取1；ZA为化合物中原子Ga的原子序数，取31；ZB是化合物中原子As的原子序数，取33。
其中，
Figure BDA0001363882790000099
Figure BDA00013638827900000910
Ec为质心系动量，服从动量守恒原理，即以质心为参考系的系统体系总动量为零；
r为入射质子的径向坐标半径；
xA0的计算方法为：当公式(3)中的Etrans(E)A取Efz时，且E取入射质子最小的能量时求得θA，再将θA带入到公式(6+1)中：
Figure BDA0001363882790000101
xB0的计算方法为：当公式(3)中的Etrans(E)B取Efz时，且E取入射质子最小的能量时求得θB，再将θB带入到公式(6+2)中：
Figure BDA0001363882790000102
Efz为仿真可以忽略的最小传递能量；
L(Etrans)A、L(Etrans)B分别为A和B化合物成份的有效非电离能损修正因子；
Figure BDA0001363882790000103
Figure BDA0001363882790000104
Figure BDA0001363882790000105
Figure BDA0001363882790000106
Figure BDA0001363882790000107
其中，Z1和m1为入射质子的原子序数和质量，分别取1和1.6726231*10-27kg；ZA和mA为相应化合物中元素的Ga原子序数和质量，分别取31和1.16615282532*10-25Kg；ZB和mB为相应化合物中元素的As原子序数和质量，分别取33和1.2531559884986*10-25kg。
NIELeff(E)计算结果如图1中所示，图1中方块数据点为计算的有效非电离能损。
(2)计算GaAs化合物器件在指定500km×500km，28°轨道、3mm等效铝屏蔽厚度和1年时间内接受的有效位移损伤剂量：
通过公式(11)获得GaAs化合物器件在指定500km×500km，28°轨道、3mm等效铝屏蔽厚度和1年时间内接受的有效位移损伤剂量DDDeff：
Figure BDA0001363882790000111
式中：E为质子能量；f(E)化合物器件所在的500km×500km，28°空间轨道、3mm屏蔽厚度和1年工作期间内的接受的空间质子微分能谱，质子微分能谱计算采用FORCAST软件，质子微分能谱计算结果见图2；
Emax和Emin分别为空间质子最大能量和最小能量，分别取0.1MeV和400MeV。GaAs器件接受的有效位移损伤剂量为：
DDDeff＝2.6×107Mev/g
(3)计算选择单一能量质子进行地面等效模拟试验所需的等效质子注量
单一能量质子选择的要求如下：
(1)质子射程足够高，不少于化合物器件管壳厚度1.5倍；
(2)现有地面加速器能够提供该能量的质子，确保可进行试验。
选择50MeV质子，该能量的质子在铝中的射程为10.37mm，被试器件HG235的管壳厚度2mm，该质子足以穿透管壳。我国现有加速器(中国原子能院100MeV质子源)可以提供出50MeV质子。
在地面用选择的单一能量质子进行等效试验所使用的等效质子注量φ(E1)，如公式(12)所示：
Figure BDA0001363882790000112
其中，E1为选定的质子能量值，为50MeV，DDDeff为步骤(2)中获得的有效位移损伤剂量，为DDDeff＝2.6×107Mev/g，NIELeff(E1)为利用步骤(1)计算的能量为50MeV质子的有效非电离能损，为NIELeff(E1)＝1×10-3Mev.cm2/g；
在地面用选择的单一50MeV能量质子进行等效试验所使用的等效质子注量50MeVΦ(50MeV)的计算结果为2.6×1010个质子/cm2。
(4)在地面对GaAs化合物发光管HG235W器件进行空间位移损伤等效辐照试验
使用加速器产生的能量为50MeV的质子，辐照化合物器件，辐照累计注量达到步骤(3)给出的等效质子注量2.6×1010个质子/cm2时，辐照结束。
辐照后，对化合物器件HG235W进行性能测试；
辐照结束后，按照化合物器件HG235W的产品详细规范规定的测试条件(辐射功率测试条件IF＝50mA)和判据(辐射功率最小值5mW)，对器件辐射敏感参数辐射光功率进行测试。
辐射功率实测值为8.8mW，化合物器件HG235W测试合格，表明该化合物器件抗位移损伤能力大于2.6×107MeV/g，满足所设定的500km×500km，28°，3mm铝屏蔽厚度，工作1年的应用要求。

Claims (9)

1.化合物器件空间连续谱质子位移损伤地面等效评估方法，其特征在于步骤如下：
(1)仿真计算化合物器件材料有效非电离能损NIELeff(E)：
NIELeff(E)＝ENIEL(E)/(nβd)
其中，E为入射质子的能量；
ENIEL(E)为通过库伦散射沉积在材料中的非电离能量；
n为仿真的入射质子总数；
β为化合物器件材料的密度；
d为模拟仿真单元的厚度；
(2)计算化合物器件在指定航天器轨道、屏蔽厚度和时间内接受的有效位移损伤剂量DDDeff：
Figure FDA0002476378320000011
其中，Emax为空间质子的最大能量；
Emin为空间质子的最小能量；
NIELeff(E)为步骤(1)得到的化合物器件材料有效非电离能损；
f(E)为化合物器件在所在的空间轨道、屏蔽厚度和工作期间内接受的空间质子微分能谱；
(3)在地面用选择的单一能量的质子进行等效试验，所选择的单一能量的质子的等效质子注量为φ(E1)：
Figure FDA0002476378320000012
其中，E1为选择的单一能量的质子的能量值；
DDDeff为步骤(2)中获得的有效位移损伤剂量；
NIELeff(E1)为当质子的能量为E1时，步骤(1)计算出的化合物器件材料的有效非电离能损NIELeff(E1)；
(4)在地面对化合物器件进行空间位移损伤等效辐照试验；
使用加速器产生的能量为E1的质子，辐照化合物器件，辐照累计注量达到步骤(3)得到的等效质子注量φ(E1)时，辐照结束；
所述的步骤(1)中，当化合物器件的材料为AMBN时，
ENIEL(E)＝(Etrans(E)A+Etrans(E)B)×(M×L(E)A+N×L(E)B)/(M+N)
其中，A、B为构成化合物器件材料的元素；
M为化合物中元素A的原子数，N为化合物中元素B的原子数；
Etrans(E)A为能量为E的入射质子传递给化合物器件材料中元素A的能量；
Etrans(E)B为能量为E的入射质子传递给化合物器件材料中元素B的能量；
L(E)A为化合物器件材料中元素A的有效非电离能损修正因子；
L(E)B为化合物器件材料中元素B的有效非电离能损修正因子。
2.根据权利要求1所述的化合物器件空间连续谱质子位移损伤地面等效评估方法，其特征在于：化合物器件材料中元素A的有效非电离能损修正因子L(E)A和化合物器件材料中元素B的有效非电离能损修正因子L(E)B分别为：
Figure FDA0002476378320000021
Figure FDA0002476378320000022
Figure FDA0002476378320000023
Figure FDA0002476378320000024
Figure FDA0002476378320000025
Figure FDA0002476378320000026
Figure FDA0002476378320000031
Figure FDA0002476378320000032
其中，Z1为入射质子的原子序数；
m1为入射质子的质量；
ZA为化合物器件材料中元素A的原子序数；
mA为化合物器件材料中元素A的质量；
ZB为化合物器件材料中元素B的原子序数；
mB为化合物器件材料中元素B的质量。
3.根 据权利要求2所述的化合物器件空间连续谱质子位移损伤地面等效评估方法，其特征在于：能量为E的入射质子传递给化合物器件材料中元素A的能量Etrans(E)A和能量为E的入射质子传递给化合物器件材料中元素B的能量Etrans(E)B分别为：
Figure FDA0002476378320000033
Figure FDA0002476378320000034
Figure FDA0002476378320000035
Figure FDA0002476378320000036
Figure FDA0002476378320000037
Figure FDA0002476378320000038
Figure FDA0002476378320000039
Figure FDA00024763783200000310
Figure FDA00024763783200000311
Figure FDA0002476378320000041
Figure FDA0002476378320000042
xA＝r/auA
xB＝r/auB
Figure FDA0002476378320000043
Figure FDA0002476378320000044
Figure FDA0002476378320000045
Figure FDA0002476378320000046
其中，xA0为一中间量，xB0为一中间量，p为一中间量；
b为服从0到1均匀分布的随机数；
Q为化合物器件材料中的每单位体积的原子数；
lu为入射质子的平均自由程；
m为化合物器件材料的摩尔质量；
σ为入射质子对化合物器件材料的碰撞截面；
a0为波半径
Figure FDA0002476378320000048
Ec为质心系动量；
r为入射质子的径向坐标半径。
4.根 据权利要求3所 述的化合物器件空间连续谱质子位移损伤地面等效评估方法，其特征在于：xA0的计算方法为：当Etrans(E)A＝Efz时，且E取入射质子最小的能量时求得θA，再将θA带入到下式中：
Figure FDA0002476378320000047
xB0的计算方法为：当Etrans(E)B＝Efz时，且E取入射质子最小的能量时求得θB，再将θB带入到下式中：
Figure FDA0002476378320000051
Efz为仿真忽略的最小传递能量。
5.根据权利要求1所述的化合物器件空间连续谱质子位移损伤地面等效评估方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，设定的单一能量的质子满足的条件为：质子射程不少于化合物器件壳体厚度的1.5倍，且地面加速器能够提供该能量的质子。
6.根据权利要求1所述的化合物器件空间连续谱质子位移损伤地面等效评估方法，其特征在于：辐照结束后，按照化合物器件的测试条件和判据对化合物器件辐射敏感参数进行性能测试，如果化合物器件性能测试合格，则说明化合物器件抗位移损伤能力大于所辐照的位移损伤剂量，即化合物器件满足所设定的轨道高度、屏蔽厚度和工作期限的工作环境要求；
如果测试不合格，则表明化合物器件抗位移损伤能力小于所辐照的位移损伤剂量，即化合物器件不满足所设定的轨道高度、屏蔽厚度和工作期限的工作环境要求。
7.根据权利要求6所述的化合物器件空间连续谱质子位移损伤地面等效评估方法，其特征在于：化合物器件为光耦时，辐射敏感参数为电流传输比。
8.根据权利要求6所述的化合物器件空间连续谱质子位移损伤地面等效评估方法，其特征在于：化合物器件为发光管时，辐射敏感参数为辐射光功率。
9.根据权利要求6所述的化合物器件空间连续谱质子位移损伤地面等效评估方法，其特征在于：化合物器件为晶体管时，辐射敏感参数为电流增益。
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