CN111650452B - 一种预估器件空间在轨低能质子单粒子翻转率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预估器件空间在轨低能质子单粒子翻转率的方法，所述方法包括：对70MeV准单能质子降能，测试垂直入射条件下器件单粒子翻转峰值截面；在最劣方位角时，测试质子在一个或多个倾角入射时的SEU峰值截面；分别计算不同入射角度下能量小于3MeV的质子引发的SEU截面；计算质子入射每个角度区间的概率；将计算的不同入射角度时能量小于3MeV的质子SEU峰值截面分别乘以对应角度区间的质子入射概率并求和；计算空间轨道环境下，设定在轨时间内能量小于3MeV的全空间质子积分注量；将求和后的SEU峰值截面乘以能量小于3MeV的质子积分注量，即可获得器件空间在轨低能质子单粒子翻转率。

Description

一种预估器件空间在轨低能质子单粒子翻转率的方法

技术领域

本发明属于空间辐射效应模拟试验技术及抗辐射加固技术研究领域，涉及一种预估器件空间在轨低能质子单粒子翻转率的方法。

背景技术

质子是空间辐射环境下造成电子器件单粒子效应的主要来源，通常认为只有中高能质子与器件材料发生核反应才能引发单粒子翻转，地面试验时规定质子能量范围20MeV-200MeV。随着器件特征尺寸发展到纳米尺度，能量小于2MeV的低能质子直接电离引发的单粒子翻转由于其高的效应截面，导致空间单粒子翻转率明显增加，引起器件辐射效应研究领域的高度关注。当器件特征尺寸进一步减小，临界电荷继续降低，器件对低能质子单粒子翻转的敏感性将持续增强，低能质子单粒子翻转峰值截面比中高能质子单粒子翻转饱和截面可高达三个数量级以上。因此，纳米器件低能质子单粒子效应已成为评价器件抗单粒子能力不容忽视的重要因素。

传统的器件空间在轨质子单粒子翻转率预估思路为：利用地面中高能质子加速器获取20MeV-200MeV质子单粒子效应截面曲线，将曲线进行Bendel或Weibull函数拟合，将拟合函数与空间轨道环境下质子微分谱进行积分，从而预估在轨质子单粒子错误率。该方法对于纳米尺度以上的器件具有很好的适用性，但对于特征尺寸小于100nm的纳米器件，该方法由于仅考虑了中高能质子核反应引发的单粒子效应，未考虑低能质子直接电离引起的贡献，预估结果将明显小于器件空间在轨单粒子错误率。有研究表明，对于GEO地球同步轨道太阳最大年时，低能质子对在轨质子单粒子错误率的贡献可达70％，忽略低能质子引发的单粒子效应会高估器件在轨性能，使航天器在轨运行存在明显的安全隐患。

因此，必须发展建立一种新的针对低能直接电离引发单粒子翻转的在轨单粒子错误率预估方法。在灵敏体积构建基础上，结合空间轨道环境采用全蒙卡的方法计算在轨低能质子单粒子错误率是一种有效的方法。但该方法需要对器件多层金属布线层厚度及材料信息有很好的了解，且灵敏体积模型的构建要依赖于重离子试验数据或TCAD仿真，还需具备对蒙卡粒子输运模拟方面的专业知识，所以实际应用时操作难度很大。另一种方法是利用能量小于2MeV的低能质子开展试验获取器件单粒子翻转峰值截面和峰值宽度，然后用峰值截面乘以空间环境下峰值宽度所对应能量范围的质子注量。该方法需要对器件开封并在真空下进行试验，虽然能够有效甄别器件低能质子单粒子效应敏感性，但存在两个问题：一是器件开封导致失效率高，二是空间实际应用时器件不仅带封装，甚至包含厚的设备机壳，因此，利用该方法计算单粒子错误率可能存在误差过大的问题。

专利申请CN2015109176653，名称为“用于测量纳米器件低能质子单粒子翻转敏感性的试验方法”，给出了基于地面低能质子加速器测试器件单粒子翻转截面的试验方法；专利申请CN 2009100855422，名称为“一种微型用器件抗辐射能量的评估方法和系统”，给出了预估在轨中高能质子单粒子错误率的方法。这两个专利文献均未涉及对空间辐射环境下器件在轨低能质子单粒子错误率的预估。

发明内容

本发明提供了一种预估器件空间在轨低能质子单粒子翻转率的方法，克服了现有技术的不足，无需对器件开封，且无需考虑质子能量歧离对单粒子效应截面的影响，既能有效甄别器件低能质子直接电离引发的单粒子效应敏感性，又能实现对器件在轨性能的预估。

本发明的技术解决方案是：

一种预估器件空间在轨低能质子单粒子翻转率的方法，包括以下步骤：

步骤一：对70MeV准单能质子进行降能，获取垂直入射条件下纳米封装器件质子单粒子翻转截面曲线，测试较低能段器件单粒子翻转峰值截面；由于70MeV质子衰减后的能谱和空间低能质子谱最为接近，所以这里针对70MeV进行降能；

步骤二：确定器件质子单粒子效应的最劣方位角，并在最劣方位角时，测试质子在一个或多个倾角入射时的单粒子翻转峰值截面；

步骤三：根据质子垂直入射和不同倾角下测试的单粒子峰值截面，计算由能量小于3MeV的质子引发的单粒子翻转峰值截面；

步骤四：在0-90度范围内划分不同的角度区间，计算质子入射每个角度区间的概率；将步骤三获取的不同质子入射角度时的单粒子翻转峰值截面分别乘以对应角度区间的质子入射概率，然后求和得到在各向同性环境下器件低能质子单粒子翻转峰值截面；

步骤五：计算空间轨道环境下，质子穿过航天器壳体屏蔽后的微分能谱，进一步计算设定在轨时间内能量小于3MeV的全空间质子积分注量；

步骤六：将步骤四得到的单粒子翻转峰值截面乘以步骤五得到的质子积分注量，即得到器件空间在轨低能质子单粒子错误率。

优选地，上述步骤一具体为：

1.1)对高能质子加速器产生的70MeV准单能质子采用不同厚度降能片进行降能，在垂直入射条件下，质子能量从高到低测试纳米封装器件单粒子效应截面曲线，直至无单粒子效应发生；

1.2)在较低能段出现单粒子翻转截面峰，则判定该器件单粒子效应对低能质子直接电离敏感，记录垂直入射时的单粒子翻转峰值截面。由于器件工艺的差别，能够引起器件质子单粒子效应的能量存在差异，这里较低能段并没有具体的区间，通常指包含能够引发单粒子效应的最低质子能量的一段区间。

优选地，上述步骤二中确定器件质子单粒子效应的最劣方位角，具体为：

质子倾角不小于60度，分别沿方位角0度和90度入射器件表面(最劣方位角通常为0度或90度)，测试器件单粒子翻转截面曲线(翻转截面计算时无需考虑倾角入射时的有效注量)；

在较低能段，当一个方位角对应的单粒子翻转截面大于另一个方位角的截面，则判定该方位角为质子单粒子效应最劣方位角；记录最劣方位角下质子倾角入射时的单粒子翻转峰值截面；

可额外选择多个倾斜角度，在最劣方位角下开展器件质子单粒子翻转试验，测试并记录对应的单粒子翻转峰值截面。

优选地，上述步骤三具体为：

将质子垂直入射和不同倾角下测试的单粒子峰值截面分别除以系数0.13(申请人通过大量的实验和计算，确定了该系数：70MeV质子进行降能后穿过器件封装材料到达灵敏区引起单粒子翻转截面峰时3MeV以下质子注量占总注量的百分比)。

优选地，上述步骤四具体为：

4.1)以质子垂直入射角度和不同倾斜角度为依据，在0-90度范围内划分不同的角度区间[α₁,α₂]，每个角度区间应包含单粒子效应试验中的质子入射角度；

4.2)依据球面度公式计算质子入射每个角度区间的概率ε，计算方法如下：

式中，

和

分别为平面角2α₁和2α₂所对应的球面度；

4.3)将步骤三获取的质子垂直入射和不同倾角入射时的单粒子翻转峰值截面分别乘以各自所对应角度区间的质子入射概率，然后进行求和，获取在各向同性环境下器件低能质子单粒子翻转峰值截面。

优选地，上述步骤五具体为：

5.1)计算在空间轨道环境下，质子穿过航天器壳体屏蔽后的质子微分能谱，对能量小于3MeV的质子进行积分，获取小于3MeV的质子积分通量；

5.2)将该积分通量乘以4π，再乘以在轨时间长度，即获得全空间环境下能量小于3MeV的质子积分注量。

本发明的有益效果是：

1、无需在真空下操作，可对器件不开封即能完成低能质子直接电离单粒子翻转敏感性测试以及翻转截面的获取，减少对器件的损伤，较低了测试难度。

2、该预估方法无需获取器件封装以及多层金属布线层的厚度、材料等工艺信息，仅通过试验数据依据简单计算即能实现对在轨低能质子单粒子错误率的预估。

3、该方法通过在实验室环境下对70MeV质子降能，以获取和航天器壳体内空间低能质子谱相同形状的质子环境，从而无需考虑质子能量歧离问题，即能甄别器件低能质子单粒子敏感性并实现在轨预估。

附图说明

图1是本发明一个实施例的流程图；

图2是本发明一个实施例中质子在垂直入射和沿不同方位角倾角入射时的单粒子翻转截面曲线；

图3是GEO地球同步轨道太阳最大年时，穿过3mm厚的铝屏蔽后的质子微分能谱。

具体实施方式

下面以某静态随机存储器电路为例，结合附图通过一个具体实施例进一步详述，应当理解，以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例包括以下步骤：

S1】对高能质子加速器产生的70MeV准单能质子采用不同厚度铜降能片进行降能，在垂直入射条件下，质子能量从高到低测试纳米封装器件单粒子翻转截面曲线，直至无单粒子效应发生，见图2，记录较低能段单粒子翻转峰值截面。

S2】质子倾角65度，分别沿方位角0度和90度入射器件表面，测试器件单粒子翻转截面曲线并比较，见图2，判定方位角0度时为器件质子单粒子效应的最劣方位角，记录该方位角下质子倾角65时的单粒子翻转峰值截面。

S3】在方位角0度时，额外选取45度和75度两个角度进行质子倾角入射，测试单粒子翻转截面曲线并记录对应的单粒子翻转峰值截面，见图2。

S4】将质子垂直入射和不同倾角下测试的单粒子峰值截面除以0.13，分别计算由能量小于3MeV的质子所引发的单粒子翻转截面，计算结果见表1第3列。

表1各向同性环境下能量小于3MeV的质子单粒子翻转峰值截面(计算过程)

S5】以质子垂直入射角度和不同倾斜角度为依据，在0-90度范围内划分四个不同的角度区间，分别为[0°-30°]，[30°-55°]，[55°-75°]，[75°-90°]。依据球面度公式计算质子入射每个角度区间的概率ε，计算方法如下：

式中，

和

分别为平面角2α₁和2α₂所对应的球面度。

质子入射每个角度区间的概率分别为0.14、0.29、0.31、0.26，计算结果见表1第4列。

S6】将S4】获取的质子不同入射角度时的单粒子翻转峰值截面分别乘以S5】计算的对应角度区间的质子入射概率并求和，即获取在各向同性环境下器件低能质子单粒子翻转峰值截面，计算结果见表1第5列。

S7】计算GEO地球同步轨道太阳最大年时，穿过3mm厚的铝屏蔽后的质子微分能谱，见图3。对能量小于3MeV的质子进行能量积分，获取小于3MeV的质子积分通量，约为136p/cm².s.sr；将该积分通量乘以4π，再乘以一天的在轨时间长度，即获得全空间环境下每天能量小于3MeV的质子积分注量1.48×10⁸/cm².day。

S8】将S6】计算的单粒子翻转峰值截面乘以S7】计算的能量小于3MeV的质子积分注量，即获得空间在轨环境下低能质子引起的单粒子翻转率1.33×10^-4/day.bit。

Claims (5)

1.一种预估器件空间在轨低能质子单粒子翻转率的方法，其特征在于，包括：

步骤一：对70MeV准单能质子进行降能，获取垂直入射条件下纳米封装器件质子单粒子翻转截面曲线，测试较低能段器件单粒子翻转峰值截面；

步骤二：确定器件质子单粒子效应的最劣方位角，并在最劣方位角时，测试质子在一个或多个倾角入射时的单粒子翻转峰值截面；

步骤三：根据质子垂直入射和不同倾角下测试的单粒子峰值截面，计算由能量小于3MeV的质子引发的单粒子翻转峰值截面；

步骤四：在0-90度范围内划分不同的角度区间，计算质子入射每个角度区间的概率；将步骤三获取的不同质子入射角度时的单粒子翻转峰值截面分别乘以对应角度区间的质子入射概率，然后求和得到在各向同性环境下器件低能质子单粒子翻转峰值截面；

步骤五：计算空间轨道环境下，质子穿过航天器壳体屏蔽后的微分能谱，进一步计算设定在轨时间内能量小于3MeV的全空间质子积分注量；

5.1)计算在空间轨道环境下，质子穿过航天器壳体屏蔽后的质子微分能谱，对能量小于3MeV的质子进行积分，获取小于3MeV的质子积分通量；

5.2)将该积分通量乘以4π，再乘以在轨时间长度，即获得全空间环境下能量小于3MeV的质子积分注量；

步骤六：将步骤四得到的单粒子翻转峰值截面乘以步骤五得到的质子积分注量，即得到器件空间在轨低能质子单粒子错误率。

2.根据权利要求1所述的预估器件空间在轨低能质子单粒子翻转率的方法，其特征在于，步骤一具体为：

1.1)对高能质子加速器产生的70MeV准单能质子采用不同厚度降能片进行降能，在垂直入射条件下，质子能量从高到低测试纳米封装器件单粒子效应截面曲线，直至无单粒子效应发生；

1.2)在较低能段出现单粒子翻转截面峰时，判定该器件单粒子效应对低能质子直接电离敏感，并记录垂直入射时的单粒子翻转峰值截面。

3.根据权利要求1所述的预估器件空间在轨低能质子单粒子翻转率的方法，其特征在于，步骤二中确定器件质子单粒子效应的最劣方位角，具体为：

质子倾角不小于60度，分别沿方位角0度和90度入射器件表面，测试器件单粒子翻转截面曲线；

在较低能段，当一个方位角对应的单粒子翻转截面大于另一个方位角的截面，则判定该方位角为质子单粒子效应最劣方位角。

4.根据权利要求1所述的预估器件空间在轨低能质子单粒子翻转率的方法，其特征在于，步骤三具体为：

将质子垂直入射和不同倾角下测试的单粒子峰值截面分别除以0.13，计算由能量小于3MeV的质子引发的单粒子翻转截面。

5.根据权利要求1所述的预估器件空间在轨低能质子单粒子翻转率的方法，其特征在于，步骤四具体为：

4.1)以质子垂直入射角度和不同倾斜角度为依据，在0-90度范围内划分不同的角度区间[α₁,α₂]，每个角度区间应包含单粒子效应试验中的质子入射角度；

4.2)依据球面度公式计算质子入射每个角度区间的概率ε，计算方法如下：

式中，

和

分别为平面角2α₁和2α₂所对应的球面度；

4.3)将步骤三获取的质子垂直入射和不同倾角入射时的单粒子翻转峰值截面分别乘以各自所对应角度区间的质子入射概率，然后进行求和，获取在各向同性环境下器件低能质子单粒子翻转峰值截面。

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