CN112711894B - 一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法，立足搭载的太空环境探测器，获取待测元器件工位处太空环境参考辐射场信息，实现考核环境伴随监测；立足搭载的单粒子效应灵敏载荷(即参考试样)，显示效应伴随监测器发生单粒子翻转时Tt，实现翻转效应伴随监测；通过仿真或估算，生成待测元器件及参考试样间的结构差异，生成单粒子结构差异因子σ；构建在轨待测元器件单粒子翻转率，形成待测元器件翻转率参数TC；融合多监测参数，进行待测元器件抗击单粒子效应的能力量化评估。
Description
技术领域
本发明涉及单粒子效应测试技术领域。具体地说是一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法。
背景技术
选用宇航级电子元器件是确保航天安全的重要保障，为评定元器件抗辐射性能是否达到宇航级，地面建立了钴源、粒子加速器、核反应堆等辐射试验条件，同时配套建立了《单粒子效应实验方法和程序》(GJB 7242-2011)等评定方法，形成了较完善的地面元器件抗辐射试验评估平台，多用于地面考核中开展辐射总剂量、剂量率及单粒子评定。
目前元器件单粒子效应考核主要依托地面加速器开展，如《单粒子效应实验方法和程序》(GJB 7242-2011)采用串列加速器或回旋加速器等生成常用的离子参考场，该方法通过试验，获得单粒子翻转截面、锁定截面与入射离子LET的关系，测定器件单粒子翻转与锁定的敏感性，但不适应天基太空辐射场为混合场下单粒子效应考核；《军用电子元器件252Cf源单粒子效应试验方法》(GJB 7242-2011)采252Cf辐照靶件，未给出考核评估方法；《一种SiP器件抗单粒子效应能力评估方法》(CN105093020B)中介绍了对SiP开帽的试验方法，还是立足地面辐照开展试验及评估，不涉及天基试验及评估。
天基考核试验一直在开展，天基在轨实验目前仅依托辐射总剂量载荷开展伴随监测，用于评估总剂量情况，单粒子通常依托地面参考辐射场，获得翻转阈值，支持考核评定。由于天基射线种类复杂，各类辐射在探测器灵敏体中沉积的能量差异显著，综合剂量准确测量困难，单依靠探测总剂量对器件考核评估的支撑作用不显著，天基也难以准确诊断诱发器件出现单粒子效应的辐射场参数，天基单粒子考核标准缺乏，难以实现器件抗单粒子能力的量化评定。目前在本领域，还没有天基单粒子评估考核方法。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法，克服元器件地面单粒子效应评估标准及方法难以运用天基辐射考核评估的问题，解决元器件天基单粒子在轨考核及量化评估方法空缺。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法，包括如下步骤：
(1)伴随环境监测，立足搭载的太空环境探测器，获取待测元器件工位处太空环境参数信息，进行多环境参量伴随监测；
(2)伴随效应监测，立足搭载的参比单粒子效应灵敏载荷，显示效应伴随监测器发生单粒子翻转时Tt，进行环境效应伴随效应监测；
(3)诱发单粒子结构差异因子建立，在伴随监测位置处，放置待测元器件，通过结构仿真，形成器件结构性能差异修正因子δ；
(4)类同单粒子效应灵敏载荷，建立故障率监测系统，形成待测元器件翻转率参数TC；
(5)进行待测样品抗击单粒子效应的能力量化评估。
上述一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法，在步骤(1)中，包括如下步骤：
(1-1)太空环境参数信息参数包括LET值、剂量率、电子、质子及银河宇宙线五种参量，分别记做EL、ED、Ee、Ep和Ec，实现多环境参数的在线监测，支撑辐射环境参考信息生成；
(1-2)按照待测量元器件所在的环境，依据质子、电子及重粒子环境参数差异，并融合总剂量信息，通过不等权重加合办法，合成环境参量E。
上述一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法，合成环境参量为：
其中：β1i、β2、β3i、β4i、β5i为不同辐射参量的权重系数，分别对应为LET值、剂量率、电子、质子及银河宇宙线，其中i代表时刻序号；t为时间，λ表示表示时间步长。
上述一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法，在步骤(2)中，在环境监测载荷伴随位置，放置单粒子效应灵敏载荷，且单粒子效应灵敏载荷能迅即复位，显示效应伴随监测器发生单粒子翻转时Tt。
上述一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法，在步骤(3)中，
形成器件结构性能差异修正因子δ：依据伴随监测用的灵敏器件与待测量灵敏器件结构的等效程度，以能量沉积效率为同化标准，通过模拟得到混合粒子在两者间测差异，形成器件结构性能差异修正因子：
δ＝Sc+λ·Bc
其中：Sc为待测元器件与参比元器件的面积比；Bc为待测元器件与参比元器件的等效屏蔽厚度比；λ为屏蔽参量权重因子，依据载荷结构差异按照0.3、0.2和0.1三档进行设置。
上述一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法，在步骤(4)中，形成效应参量TC：依据单粒子效应灵敏载荷监测得到的灵敏器件翻转次数，形成待测元器件翻转率参数TC。
上述一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法，在步骤(5)中，
(5-1)待测元器件单粒子能力标准生成：按照待测量元器件所在的环境参量E、单粒子效应概率Tτ、器件结构性能差异修正因子δ，构建适于待测元器件在τ时刻的单粒子风险等级Dτ；
Dτ＝E·Tτ(1+δ)
其中：E为太空环境辐射风险指数,Tτ为τ时刻单粒子风险概率，δ为器件结构性能差异修正因子；
(5-2)待测元器件抗单粒子评定参数生成，采用在一段时间t内，待测元器件发生单粒子翻转状态Tc，与效应参考元器件发生翻转状态Dτ进行比较，0≥Tc＞1表示状态正常，Tc≥1表示发生翻转，0≥Dτ＞1表示状态正常，Dτ≥1表示发生翻转，依据0-τ时刻的t时间内，由下述公式生成，两者的符合度ηt采用如下公式计算：
其中：i为时段序数，t为在设定时间步长χ条件下，i·χ为时间；Di为伴随监测在i为χ时刻的运行状态，表示待测元器件在i时刻的单粒子风险等级Di；Ti为待测元器件翻转率参数TC在i时刻发生单粒子翻转状态，翻转记为1，否则为0；ai表示与时间相关的匹配值，只有均满足Ti＝1,Di≥1时，ai＝1，否则为0；
(5-3)依据待测元器件的翻转率参数Tc与元器件在τ时刻的单粒子翻转数量Dτ，通过相似度比较算法，确定器件抗击单粒子性能指标，以参数ηt，形式给出。
上述一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法，在步骤(5-3)中，对试验考核时段t内，在0-1之间均匀划分5个等级，设定为A、B、C、D、E进行评估，给出在轨考核结果。
上述一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法，A等级为小于0.2大于等于0，B等级为小于0.4大于等于0.2；C等级为小于0.6大于等于0.4；D等级为小于0.8大于等于0.6；E等级为小于1大于等于0.8。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
1、本发明提出一种元器件在轨单粒子考核及量化评估方法，能实现精准实时评估，实现器件抗击单粒子风险能力量化评估；
2、本发明解决太空混合辐射场且环境参量难以像地面准确度量条件下，元器件抗单粒子能力评估试验手段的建立；
3、本发明解决元器件在轨抗辐射考核试验中，单粒子评估方法的缺失问题。
4、本申请通过仿真或估算，生成待测元器件及参考试样间的因结构差异(面积和厚度)，生成单粒子结构差异因子σ；从而得到更加准确的评估单粒子风险等级Dτ。
5、采用一段时间t内，待测元器件发生单粒子翻转时刻Tc，(0≥Tc＞1表示状态正常，Tc≥1表示发生翻转)与标准翻转参考参量Dτ(0≥Dτ＞1表示状态正常，Dτ≥1表示发生翻转)进行比较，从而得到单粒子元器件在轨抗辐射考核试验中的性能指标。
6、并给出在轨抗辐射考核试验中的性能指标进行分级评估范围，解决元器件天基单粒子在轨考核及量化评估方法空缺的问题。
附图说明
图1本发明在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法的流程图。
具体实施方式
在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法，具体分为如下步骤：
1、立足搭载的太空环境探测器，获取待测元器件工位处太空环境参数信息，进行伴随环境监测；
(1-1)太空环境参数信息参数包括LET值、剂量率、电子、质子及银河宇宙线五种参量，分别记做EL、ED、Ee、Ep和Ec，实现环境参数的在线监测，支撑辐射环境标准制定；
(1-2)按照待测量元器件所在的环境，依据质子、电子及重粒子环境参数差异，并融合总剂量信息，通过不等权重加合办法，合成环境参量E。
合成环境参量为。
其中β1i、β2、β3i、β4i、β5i为不同辐射参量的权重系数，分别对应为LET值、剂量率、电子、质子及银河宇宙线，其中i代表时刻序号；t为时间，λ表示表示时间步长。
2、立足搭载的单粒子效应灵敏载荷，显示效应伴随监测器发生单粒子翻转时Tt，进行伴随效应监测；
在环境监测载荷伴随位置，放置单粒子效应灵敏载荷，且单粒子效应灵敏载荷能迅即复位，显示效应伴随监测器发生单粒子翻转时Tt。
3、诱发单粒子结构差异因子建立，在伴随监测位置处，放置待测元器件，通过结构仿真，形成器件结构性能差异修正因子δ；
形成器件结构性能差异修正因子δ：依据伴随监测用的灵敏器件与待测量灵敏器件结构的等效程度，以能量沉积效率为同化标准，通过模拟得到混合粒子在两者间测差异，形成器件结构性能差异修正因子：
δ＝Sc+λ·Bc
其中：Sc为待测元器件与参比元器件的面积比；Bc为待测元器件与参比元器件的等效屏蔽厚度比；λ为屏蔽参量权重因子，依据载荷结构差异按照0.3、0.2和0.1三档进行设置。
4、在伴随监测位置处，放置待测样品，并类同单粒子效应灵敏载荷，建立故障率监测系统，形成待测样品翻转率参数TC；
单粒子结构差异因子建立，在伴随监测位置处，放置待测样品，并类同单粒子效应灵敏载荷，建立故障率监测系统，形成待测样品翻转率参数TC，支撑待测样品抗击单粒子效应的能力量化评估；
5、进行待测样品抗击单粒子效应的能力量化评估。
(5-1)待测元器件单粒子能力标准生成：按照待测量元器件所在的环境参量E、单粒子效应概率参量Tτ、器件结构性能差异修正因子δ，构建适于本元器件在τ时刻的单粒子风险等级Dτ；
Dτ＝E·Tτ(1+δ)
其中：E为太空环境辐射风险指数,Tτ为τ时刻单粒子风险概率，δ为器件结构性能差异修正因子；
(5-2)待测元器件抗单粒子评定参数生成，采用一段时间t内，待测元器件发生单粒子翻转时刻Tc，(Tc＝0表示状态正常，Tc＝1表示发生翻转)与标准翻转参考参量Dτ(Dτ＝0表示状态正常，Dτ＝1表示发生翻转)进行比较，依据0-τ时刻的t时间内，两者的符合度采用如下公式计算：
其中：其中：i为时段序数，t为在设定时间步长χ条件下，i·χ为时间；Di为伴随监测在i为χ时刻的运行状态，表示待测元器件在i时刻的单粒子风险等级Di；Ti为待测元器件翻转率参数TC在i时刻发生单粒子翻转状态，翻转记为1，否则为0；ai表示与时间相关的匹配值，只有均满足Ti＝1,Di≥1时，ai＝1，否则为0；；
(5-3)依据步骤(3)测元器件的翻转率参数Tc与元器件在τ时刻的单粒子风险等级Dτ参数，通过相似度比较算法，确定器件抗击单粒子性能等级，给出量化评定结果。
对试验考核时段t内，在0-1之间均匀划分5个等级，参照A、B、C、D、E进行评估，给出在轨考核结果。
其中，A等级为小于0.2大于等于0，B等级为小于0.4大于等于0.2；C等级为小于0.6大于等于0.4；D等级为小于0.8大于等于0.6；E等级为小于1大于等于0.8。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）伴随环境监测，立足搭载的太空环境探测器，获取待测元器件工位处太空环境参数信息，进行多环境参量伴随监测；
（2）伴随效应监测，立足搭载的参比单粒子效应灵敏载荷，显示效应伴随监测器发生单粒子翻转时的τ时刻单粒子效应翻转概率Tτ，进行环境效应伴随效应监测；
（3）诱发单粒子结构差异因子建立，在伴随监测位置处，放置待测元器件，通过伴随监测用的灵敏器件结构仿真，形成器件结构性能差异修正因子δ；
（4）类同参比单粒子效应灵敏载荷，建立故障率监测系统，形成待测元器件翻转率参数TC；
（5）进行待测样品抗击单粒子效应的能力量化评估；
在步骤（5）中，
（5-1）待测元器件单粒子能力标准生成：按照待测量元器件所在的合成环境参量E、τ时刻单粒子效应翻转概率Tτ、器件结构性能差异修正因子δ，构建适于待测元器件在τ时刻的单粒子翻转等级Dτ；
其中：E为合成环境参量，Tτ为τ时刻单粒子效应翻转概率，δ为器件结构性能差异修正因子；
（5-2）待测元器件抗单粒子评定参数生成，采用在一段时间t内，待测元器件发生单粒子翻转状态的待测元器件翻转参数Tc，与待测元器件在τ时刻的单粒子翻转等级Dτ进行比较，1＞Tc≥0表示状态正常，Tc≥1表示发生翻转，1＞Dτ≥0表示状态正常，Dτ≥1表示发生翻转，依据0-τ时刻的t时间内，由下述公式生成，两者的符合度η t 采用如下公式计算：
；
其中：i为时段序数，t为在设定时间步长χ条件下，i·χ为时间；D i 为伴随监测在i为χ时刻的运行状态，表示待测元器件在χ时刻的单粒子风险等级D i ；T i 为待测元器件翻转率参数TC在i时刻发生单粒子翻转状态，翻转记为1，否则为0；a i 表示与时间相关的匹配值，只有均满足T i =1，D i ≥1时，a i =1，否则为0；
（5-3）依据待测元器件的翻转率参数Tc与元器件在τ时刻的单粒子翻转数量Dτ，通过相似度比较算法，确定器件抗击单粒子性能指标，以参数，形式给出。
2.根据权利要求1所述的一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法，其特征在于，在步骤（1）中，包括如下步骤：
（1-1）太空环境参数信息参数包括LET值、剂量率、电子、质子及银河宇宙线五种参量，分别记做EL、ED、Ee、Ep和Ec，实现多环境参数的在线监测，支撑辐射环境参考信息生成；
（1-2）按照待测量元器件所在的环境，依据LET值、剂量率、质子、电子及银河宇宙线的环境参数差异，通过不等权重加合办法，合成环境参量E。
3.根据权利要求2所述的一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法，其特征在于，合成环境参量为：
；
其中：β1 i 、β2 i 、β3 i 、β4 i 、β5 i 为不同辐射参量的权重系数，分别对应为LET值、剂量率、电子、质子及银河宇宙线，其中i代表时刻序号；t为时间，λ表示表示时间步长。
4.根据权利要求1所述的一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法，其特征在于，在步骤（2）中，在伴随监测位置，放置参比单粒子效应灵敏载荷，且参比单粒子效应灵敏载荷能迅即复位，显示效应伴随监测器发生单粒子翻转时的τ时刻单粒子效应翻转概率Tτ。
5.根据权利要求1所述的一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法，其特征在于，在步骤（3）中，
形成器件结构性能差异修正因子δ：依据伴随监测用的灵敏器件与待测量灵敏器件结构的等效程度，以能量沉积效率为同化标准，通过模拟得到混合粒子在两者间测差异，形成器件结构性能差异修正因子：
其中：S c 为待测元器件与伴随监测用的灵敏器件的面积比；B c 为待测元器件与伴随监测用的灵敏器件的等效屏蔽厚度比；λ为屏蔽参量权重因子，依据载荷结构差异按照0.3、0.2和0.1三档进行设置。
6.根据权利要求1所述的一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法，其特征在于，在步骤（4）中，形成效应参量：依据参比单粒子效应灵敏载荷监测得到的伴随监测用的灵敏器件翻转次数，形成待测元器件翻转参数TC。
7.根据权利要求1所述的一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法，其特征在于，在步骤（5-3）中，对试验考核时段t内，在0-1之间均匀划分5个等级，设定为A、B、C、D、K进行评估，给出在轨考核结果。
8.根据权利要求7所述的一种在轨元器件抗单粒子能力量化评定方法，其特征在于，A等级为小于0.2大于等于0，B等级为小于0.4大于等于0.2；C等级为小于0.6大于等于0.4；D等级为小于0.8大于等于0.6；K等级为小于1大于等于0.8。
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|---|
| Recent Gallium Nitride Power HEMT Single-Event Testing Results;Leif Z. Scheick;Recent Gallium Nitride Power HEMT Single-Event Testing Results;1-6 * |
| 基于汉明码及闩锁检测电路的防辐射效应设计;常远，沈国红，荆涛，路立;现代电子技术;第43卷(第04期);8-10 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112711894A (zh) | 2021-04-27 |
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