CN109991531A - 低概率条件下大气中子单粒子效应截面测量系统和方法 - Google Patents
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Abstract
为解决低概率条件下,传统的测量系统辐照试验耗时较长的技术问题,本发明提供了一种低概率条件下大气中子单粒子效应截面测量系统和方法。其中,测量系统包括辐照板、测试板和计算机;辐照板有m个,m≥1;第i个辐照板上集成有ni个用于插装待测SRAM存储条的插座,i=1,2,…,m,ni≥1;测试板与m个辐照板相连接,用于监测m个辐照板上每个SRAM存储条的工作状态,并将监测得到的单粒子效应数据发送至计算机上;所述单粒子效应数据包括单粒子翻转数和单粒子闩锁数;计算机与测试板相连,用于获取并处理测试板发送的测试数据,得到待测SRAM存储条上的被测SRAM存储器在大气中子环境中的单粒子效应截面。
Description
技术领域
本发明涉及一种低概率条件下大气中子单粒子效应截面测量系统和方法。本发明所说的低概率是相对于地面模拟试验中的加速器环境而言的,因为大气环境包括临近空间,中子的通量比地面模拟试验中加速器的通量小多个数量级。
背景技术
宇宙射线和太阳耀斑等会直接或间接与大气层相互作用产生大气中子,这些粒子的能量覆盖了从MeV到GeV的范围。当大气中子入射至半导体器件时会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、存储数据发生随机改变,或者造成电子器件自身的永久性损伤,这种现象称为单粒子效应(Single event effect,简称SEE),包括单粒子翻转(SEU)、单粒子瞬态(SET)、单粒子锁定(SEL)、单粒子功能中止(SEFI)等多种失效类型。由于大气中子很难屏蔽,由其引起的单粒子效应会导致在大气中运行的电子系统功能故障,严重时使电子系统的可靠性降低几个数量级。
因此,电子器件的抗辐射加固技术成为研究的热点,如何判断器件抗辐射能力也变得非常重要。目前,主要通过设计单粒子效应测量系统,利用模拟辐射源或天然大气中子环境开展试验研究。相对而言,直接利用大气中子环境更加贴近实际。然而,低海拔地区大气中子通量低,产生单粒子效应的概率也低。由于传统的单粒子效应测量系统同时只能对1片或几片器件进行测量,在中子通量低的大气环境中,传统的测量系统需要长期(数年-数十年不等)辐照,才能获得足够多的测量数据,因此所需的辐照试验耗时较长。为缩短辐照试验时间,需要一种能够在低概率条件下快速进行单粒子效应测量的大气中子单粒子效应测量系统。
发明内容
为了解决低概率条件下,传统的测量系统辐照试验耗时较长的技术问题,本发明提供了一种低概率条件下大气中子单粒子效应截面测量系统和方法。
本发明所采用的技术方案是:
低概率条件下大气中子单粒子效应截面测量系统,其特殊之处在于:包括
辐照板、测试板和计算机;
辐照板有m个,m≥1;第i个辐照板上集成有ni个用于插装待测SRAM存储条的插座,i=1,2,…,m,ni≥1;测试板与m个辐照板相连接,用于监测m个辐照板上每个SRAM存储条的工作状态,并将监测得到的单粒子效应数据发送至计算机上;所述单粒子效应数据包括单粒子翻转数和单粒子闩锁数;
计算机与测试板相连,用于获取并处理测试板发送的测试数据,得到待测SRAM存储条上的被测SRAM存储器在大气中子环境中的单粒子效应截面。
进一步地,辐照板与SRAM存储条通过插座连接。
进一步地,所述的测试板和辐照板的所有芯片和器件均采用抗辐照芯片和抗辐照器件;相对于被测SRAM存储器,抗辐照芯片和抗辐照器件在大气中子环境中不发生单粒子效应。
本发明同时提供了一种利用上述的低概率条件下大气中子单粒子效应截面测量系统测量单粒子效应截面的方法,其特殊之处在于,步骤如下:
1)向所有待测SRAM存储条上的SRAM存储器中写入数据,并初始化当前地址;
2)判断当前地址所在SRAM存储条是否发生单粒子闩锁,若是,则向计算机发送单粒子闩锁数据,并进入步骤3);若否,则进入步骤4);
3)判断当前地址所在SRAM存储条是否发生硬错误,若是,则标记硬错误并屏蔽该片SRAM存储条,并进入步骤6);若否,则向当前SRAM存储条中写入数据,并进入步骤2);
4)判断当前地址读出数据与写入数据是否相同,若是,则进入步骤6);若否,则进入步骤5);
5)判断当前地址是否发生硬错误,若是则标记硬错误并屏蔽当前地址,进入步骤6);若否,则表明发生了单粒子翻转效应,向计算机发送单粒子翻转数据,进入步骤6);
6)判断当前地址是否是所有SRAM存储器地址空间中的最后一个地址,若是则进入步骤8);若否则当前地址加1,并进入步骤7);
7)判断当前地址是否是已屏蔽地址,若是,则进入步骤6);若否则返回步骤2);
8)判断是否满足结束条件,若是,则计算机根据步骤2)-7)中发送的单粒子翻转数据和单粒子闩锁数据,计算每种SRAM存储器在当前大气中子环境中的单粒子翻转截面和单粒子闩锁截面,并结束试验;若否,则重新初始化当前地址,等待设定时间后进入步骤7)。
进一步地,步骤2)中,判断是否出现单粒子闩锁的依据是:根据监测的SRAM存储条静态电流进行判断,如果某SRAM存储条的静态电流大于设定阈值,则认为该SRAM存储条发生了单粒子闩锁。
进一步地,步骤3)中,判断SRAM存储条是否出现硬错误的依据是:如果某SRAM存储条发生闩锁重新上电后无法退出闩锁状态,则认为该SRAM存储条上发生了硬错误。
进一步地,步骤5)中,判断当前地址是否出现硬错误的依据是:如果某地址无法正常写入或读出,则认为该地址发生了硬错误。
进一步地,步骤8)中,判断是否满足结束条件的依据是:如果累积的单粒子翻转数据达到预期值或者辐照时间达到预设时间,则认为满足结束条件。
进一步地,步骤8)中,利用下述公式计算每种型号的被测SRAM存储器在所在大气中子环境中的单粒子翻转截面和单粒子闩锁截面:
其中:
σSEU,σSEL分别为单粒子翻转截面和单粒子闩锁截面;
NSEU,NSEL为实验测得的单粒子翻转数和单粒子闩锁数;
Ndevice,C分别为某被测型号的SRAM存储器的总数目和总容量;
Φ是注量。
进一步地,所述的设定阈值为SRAM存储条正常静态工作电流的1.5-3倍。
本发明的有益效果:
1.本发明通过增加每种型号被测SRAM存储器的数量扩展其容量的方式,提高低概率条件下发生单粒子翻转和闩锁的概率,缩短了试验时间。
2.本发明的测量系统能够同时测量不同型号SRAM存储器,可以用于地面和飞行器搭载试验中高效测量大气中子单粒子翻转和闩锁效应。
3.本发明中辐照板具体可以通过插座连接SRAM存储条。辐照板上的插座接口固定不变,测量不同SRAM存储器的大气中子单粒子效应时,只需将SRAM存储条上的SRAM存储器替换成相应的型号即可,即测量不同SRAM存储器的大气中子单粒子效应时,仅需重新设计SRAM存储条。
4.本发明的测试板和辐照板中除了待测SRAM存储器以外的器件在大气中子环境中基本不发生单粒子效应。由于相对于待测SRAM存储器,测试系统中用到的分立器件具备较好的抗大气中子单粒子效应能力,因此在测试板和辐照板上,仅需要对除待测SRAM存储器和分立器件以外集成了SRAM的芯片进行抗辐照选型,从而降低了测量系统的开发成本。
5.本发明同一个SRAM存储条上集成的SRAM存储器型号相同,不同SRAM存储条上集成的SRAM存储器型号不同,从而能够同时对多款SRAM存储器进行测试。
附图说明
图1为本发明低概率条件下大气中子单粒子效应截面测量系统的原理框图。
图2是本发明低概率条件下大气中子单粒子效应测量方法流程图。
附图标号说明:1-待测SRAM存储器,2-SRAM存储条。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚,下面结合附图,对本发明进一步说明。
参照图1所示,本发明所提供的低概率条件下大气中子单粒子效应截面测量系统包括测试板、辐照板(其上设置待测SRAM存储器1和SRAM存储条2)和计算机。测试板连接m(m≥1)个辐照板,放置于大气中子环境中,第i(i=1,2,…,m)个辐照板上集成有ni(ni≥1)个SRAM存储条,其中,第j(j=1,2,…,ni)个SRAM存储条上集成有hj(hj≥1)个SRAM存储器,即每个辐照板上可以有一个或多个SRAM存储条,每个SRAM存储条上集成有一个或多个SRAM存储器。同一个SRAM存储条上集成的SRAM存储器型号相同,不同SRAM存储条上集成的SRAM存储器型号可以不同。利用测试板监视每个辐照板上SRAM存储条的工作状态,试验过程中按照图2中给出的单粒子效应测量方法流程图测量单粒子效应数据,将测量到的单粒子效应数据(包括单粒子翻转数和单粒子闩锁数)发送到计算机上,如果出现单粒子翻转,则在向计算机发送单粒子翻转数的同时向发生单粒子翻转的地址重新写入数据;如果出现单粒子闩锁,则在向计算机发送单粒子闩锁数的同时给发生单粒子闩锁的SRAM存储器重新上电;如果出现硬错误,则根据硬错误类型将当前硬错误地址或当前SRAM存储条屏蔽。试验结束后,按照公式(1)计算每种型号的被测SRAM存储器在所在的大气中子环境中的单粒子效应截面。
式中:σSEU,σSEL分别为单粒子翻转截面和单粒子闩锁截面;NSEU,NSEL为实验测得的单粒子翻转数和单粒子闩锁数;Ndevice,C分别为当前被测型号的SRAM存储器的总数目和总容量;Φ是注量。
试验过程中,判断是否出现单粒子翻转的依据是:根据从SRAM存储器中读出的数据与写入的数据是否相同进行判断,如果某一位地址中读出的数据与写入的数据不同,且可重新正确写入数据,则该位地址发生了单粒子翻转。
试验过程中,判断是否出现单粒子闩锁的依据是:根据监测的SRAM存储条的静态电流进行判断,如果某SRAM存储条的静态电流大于设定阈值,则认为该SRAM存储条发生了单粒子闩锁。设定阈值跟SRAM存储条型号有关,一般取SRAM存储条正常静态工作电流的1.5-3倍。
试验过程中,判断是否出现硬错误的依据是:根据监测的SRAM存储器或SRAM存储条的工作状态进行判断,如果某地址无法正常读写,或重新上电后连续多次在同一SRAM存储条上测得单粒子闩锁,则认为该地址或SRAM存储条上发生了硬错误。
试验过程中,判断是否出满足结束条件的依据是:根据累积监测到的单粒子效应数大小和累积测试时间长短进行判断(两项都需要判断,任一先到预设值即认为满足结束条件),如果累积的单粒子效应数达到预期值或者辐照时间达到预设时间(可设定的测试周期),则认为满足结束条件。
本发明的每个辐照板通过扩展SRAM存储条的方式增加存储器的容量,能够成倍增加单粒子效应的测试数量,从而缩短试验所需最小时间,降低试验的时间成本,尤其在高成本的航空搭载试验中能够大幅降低试验成本和风险。
Claims (10)
1.低概率条件下大气中子单粒子效应截面测量系统,其特征在于:包括
辐照板、测试板和计算机;
辐照板有m个,m≥1;第i个辐照板上集成有ni个用于插装待测SRAM存储条的插座,i=1,2,…,m,ni≥1;测试板与m个辐照板相连接,用于监测m个辐照板上每个SRAM存储条的工作状态,并将监测得到的单粒子效应数据发送至计算机上;所述单粒子效应数据包括单粒子翻转数和单粒子闩锁数;
计算机与测试板相连,用于获取并处理测试板发送的测试数据,得到待测SRAM存储条上的被测SRAM存储器在大气中子环境中的单粒子效应截面。
2.根据权利要求1所述的低概率条件下大气中子单粒子效应截面测量系统,其特征在于:辐照板与SRAM存储条通过插座连接。
3.根据权利要求1或2所述的低概率条件下大气中子单粒子效应截面测量系统,其特征在于:所述的测试板和辐照板的所有芯片和器件均采用抗辐照芯片和抗辐照器件;相对于被测SRAM存储器,抗辐照芯片和抗辐照器件在大气中子环境中不发生单粒子效应。
4.利用权利要求1-3任一所述的低概率条件下大气中子单粒子效应截面测量系统测量单粒子效应截面的方法,其特征在于,步骤如下:
1)向所有待测SRAM存储条上的SRAM存储器中写入数据,并初始化当前地址;
2)判断当前地址所在SRAM存储条是否发生单粒子闩锁,若是,则向计算机发送单粒子闩锁数据,并进入步骤3);若否,则进入步骤4);
3)判断当前地址所在SRAM存储条是否发生硬错误,若是,则标记硬错误并屏蔽该片SRAM存储条,并进入步骤6);若否,则向当前SRAM存储条中写入数据,并进入步骤2);
4)判断当前地址读出数据与写入数据是否相同,若是,则进入步骤6);若否,则进入步骤5);
5)判断当前地址是否发生硬错误,若是则标记硬错误并屏蔽当前地址,进入步骤6);若否,则表明发生了单粒子翻转效应,向计算机发送单粒子翻转数据,进入步骤6);
6)判断当前地址是否是所有SRAM存储器地址空间中的最后一个地址,若是则进入步骤8);若否则当前地址加1,并进入步骤7);
7)判断当前地址是否是已屏蔽地址,若是,则进入步骤6);若否则返回步骤2);
8)判断是否满足结束条件,若是,则计算机根据步骤2)-7)中发送的单粒子翻转数据和单粒子闩锁数据,计算每种SRAM存储器在当前大气中子环境中的单粒子翻转截面和单粒子闩锁截面,并结束试验;若否,则重新初始化当前地址,等待设定时间后进入步骤7)。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:步骤2)中,判断是否出现单粒子闩锁的依据是:根据监测的SRAM存储条静态电流进行判断,如果某SRAM存储条的静态电流大于设定阈值,则认为该SRAM存储条发生了单粒子闩锁。
6.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:步骤3)中,判断SRAM存储条是否出现硬错误的依据是:如果某SRAM存储条发生闩锁重新上电后无法退出闩锁状态,则认为该SRAM存储条上发生了硬错误。
7.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:步骤5)中,判断当前地址是否出现硬错误的依据是:如果某地址无法正常写入或读出,则认为该地址发生了硬错误。
8.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,步骤8)中,判断是否满足结束条件的依据是:如果累积的单粒子翻转数据达到预期值或者辐照时间达到预设时间,则认为满足结束条件。
9.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,步骤8)中,利用下述公式计算每种型号的被测SRAM存储器在所在大气中子环境中的单粒子翻转截面和单粒子闩锁截面:
其中:
σSEU,σSEL分别为单粒子翻转截面和单粒子闩锁截面;
NSEU,NSEL为实验测得的单粒子翻转数和单粒子闩锁数;
Ndevice,C分别为某被测型号的SRAM存储器的总数目和总容量;
Φ是注量。
10.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:所述的设定阈值为SRAM存储条正常静态工作电流的1.5-3倍。
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