誘發(fā)單粒子效應(yīng)的空間輻射環(huán)境

曹 洲，薛玉雄，把得東，安 恒，石 紅，楊生勝

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000)

1 引言

衛(wèi)星電子系統(tǒng)和設(shè)備中采用的電子器件和集成電路在空間輻射環(huán)境中由于高能質(zhì)子和重離子的作用而誘發(fā)單粒子效應(yīng)。誘發(fā)電子器件和集成電路發(fā)生單粒子效應(yīng)的空間輻射環(huán)境主要有兩個(gè)來(lái)源，一個(gè)是地球磁場(chǎng)捕獲的高能重離子和質(zhì)子，另一個(gè)是來(lái)自宇宙空間的瞬時(shí)高能重離子和高能質(zhì)子。地球磁場(chǎng)捕獲的高能質(zhì)子主要分布在近地空間范圍內(nèi)，甚至延伸到處于低高度的南大西洋異常區(qū)300～1 200 km。宇宙空間瞬時(shí)高能重離子的主要成份是銀河宇宙射線重離子和太陽(yáng)粒子事件(SEP)中的高能重離子，宇宙射線重離子的空間通量是隨時(shí)間逐漸變化的，與太陽(yáng)粒子事件中的高能重離子的變化相比較，其變化是比較緩慢的。宇宙射線重離子的元素成份幾乎包含元素周期表中的所有元素。宇宙射線重離子的能量和成份分布與太陽(yáng)活動(dòng)的11年周期也密切相關(guān)，在接近太陽(yáng)活動(dòng)最小年時(shí)，宇宙射線重離子的能量和通量達(dá)到峰值?？臻g的瞬時(shí)高能質(zhì)子主要來(lái)自于太陽(yáng)粒子事件(SEP)，太陽(yáng)粒子事件是指太陽(yáng)在短時(shí)間內(nèi)的能量粒子噴發(fā)，太陽(yáng)粒子事件爆發(fā)的典型時(shí)間一般為幾個(gè)小時(shí)或幾天，事件發(fā)生的頻率隨著太陽(yáng)活動(dòng)周期的變化而變化，在太陽(yáng)最小年期間，每年可能發(fā)生幾次太陽(yáng)粒子事件，而在太陽(yáng)活動(dòng)最大年時(shí)，每年可以發(fā)生上千次太陽(yáng)粒子事件。太陽(yáng)粒子事件中噴發(fā)出的高能質(zhì)子和重離子對(duì)高軌道衛(wèi)星，尤其是導(dǎo)航通訊類衛(wèi)星構(gòu)成嚴(yán)重威脅，會(huì)誘發(fā)衛(wèi)星電子設(shè)備中集成電路或器件發(fā)生單粒子效應(yīng)，從而造成系統(tǒng)故障或任務(wù)的失敗。

2 輻射帶中的高能質(zhì)子

帶電粒子由于地磁場(chǎng)的作用而被捕集在地球周圍形成輻射帶，亦即范艾倫輻射帶［1－3］。輻射帶從低地球軌道橫跨到地球同步軌道，輻射帶中主要捕集的帶電粒子為能量達(dá)到幾兆電子伏的電子和能量到達(dá)幾百兆電子伏的高能質(zhì)子。但只有高能質(zhì)子可以在星載電子設(shè)備和器件 (如FPGA)中誘發(fā)產(chǎn)生單粒子效應(yīng)。地球輻射帶高能質(zhì)子主要分布在內(nèi)輻射帶內(nèi)，其能量處在幾兆電子伏到幾百兆電子伏的范圍內(nèi)，通量峰值范圍很寬，從150～250 MeV的能量范圍內(nèi)，其通量值均很高。另外，由于地磁場(chǎng)軸線和地球自轉(zhuǎn)軸沒(méi)有重合，在南大西洋異常區(qū)內(nèi)存在通量密度異常高的高能質(zhì)子。

2.1 太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星的質(zhì)子通量分布

在計(jì)算輻射帶中高能質(zhì)子入射到衛(wèi)星電子系統(tǒng)中的累積通量時(shí)，采用AP8模型和地磁場(chǎng)模型。該模型計(jì)算的不確定度系數(shù)為2，該不確定度對(duì)長(zhǎng)期平均計(jì)算而言，一般計(jì)算的平均時(shí)間要在半年以上。由于太陽(yáng)活動(dòng)的影響，衛(wèi)星電子系統(tǒng)可能在某一天所接受到的高能質(zhì)子入射通量比計(jì)算結(jié)果高出2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。目前計(jì)算質(zhì)子通量分布的軟件包都基于AP8模型和地磁場(chǎng)模型，如美國(guó)輻射協(xié)會(huì)推出的space radiation軟件包和ESA推出的OMERE軟件包。

如圖1所示給出了太陽(yáng)同步軌道3年壽命衛(wèi)星的質(zhì)子通量分布，其中軌道高度為980 km，軌道傾角為90°。計(jì)算采用 space radiation軟件包，質(zhì)子能量范圍為 0.1～400 MeV。從計(jì)算結(jié)果可以看出，衛(wèi)星在該軌道運(yùn)行3年，單位面積上可以接受1×1015個(gè)質(zhì)子(能量大于0.1 MeV)的照射，如果考慮到AP8模型的不確定度，則單位面積上將有高于2×1015個(gè)質(zhì)子照射。

圖1 太陽(yáng)同步軌道(980 km，90°)質(zhì)子積分通量譜

如圖2所示給出了低地球軌道1年壽命衛(wèi)星的質(zhì)子通量分布，其中軌道高度為800 km，軌道傾角為98°。計(jì)算采用OMERE軟件包，質(zhì)子能量范圍為0.1～300 MeV。從計(jì)算結(jié)果中可以看出，衛(wèi)星在單位時(shí)間內(nèi)單位面積上可以接受2×104個(gè)質(zhì)子(能量大于0.1 MeV)的照射，另外，計(jì)算中選取不同地磁場(chǎng)模型時(shí)，結(jié)果有一定差異。

圖2 低地球軌道(800 km，98°)質(zhì)子積分通量譜

2.2 南大西洋異常區(qū)高能質(zhì)子分布

由于地磁場(chǎng)的異常分布，其中在輻射帶內(nèi)帶的邊緣存在帶電粒子異常分布區(qū)—南大西洋異常區(qū)［4－6］。在南大西洋異常區(qū)內(nèi)，輻射帶內(nèi)帶的邊緣降低到較低的地球軌道范圍內(nèi)。南大西洋異常區(qū)在軌道高度低于800 km、規(guī)道傾角低于40°以下的區(qū)域內(nèi)，圖3(a)、(b)分別給出了南大西洋異常區(qū)內(nèi)500 km高度處能量高于50 MeV的高能質(zhì)子通量分布輪廓圖和440 km高度處能量大于34 MeV的高能質(zhì)子通量分布輪廓圖。

圖3 南大西洋異常區(qū)質(zhì)子通量分布

眾所周知，地球磁場(chǎng)在不斷的變化。由于地磁場(chǎng)的移動(dòng)，南大西洋異常區(qū)位置也在慢慢移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果表明，異常區(qū)位置每年以0.3°的速度向西方向漂移。這樣一來(lái)，在開展低地球軌道衛(wèi)星電子設(shè)備和系統(tǒng)抗單粒子效應(yīng)評(píng)估試驗(yàn)時(shí)，必需在環(huán)境分析計(jì)算中考慮南大西洋異常區(qū)位置的變化。

3 銀河宇宙射線重離子

銀河宇宙射線來(lái)源于太陽(yáng)系以外，一般認(rèn)為，在整個(gè)行星際空間其分布是各向均勻的。銀河宇宙射線成份中98%是高能質(zhì)子和重離子，電子和其它粒子只占2%。銀河宇宙射線重離子的能量在幾十兆電子伏以上，最高達(dá)到1012MeV;在軌衛(wèi)星測(cè)量表明，銀河宇宙射線重離子在太陽(yáng)系內(nèi)其強(qiáng)度分布峰值處的能量約為1 GeV。在占銀河宇宙射線98%的高能質(zhì)子和重離子中，其總數(shù)的87%為高能質(zhì)子，12%為α粒子，其余的1%為電荷數(shù)為3～92重離子。如圖4所示給出了銀河宇宙射線重離子相對(duì)豐度分布，從圖中可以看出，α粒子、碳離子、氧離子和鐵離子具有較高的相對(duì)豐度。銀河宇宙射線重離子是誘發(fā)星載電子設(shè)備發(fā)生單粒子效應(yīng)的主要因素之一，特別是相對(duì)豐度較高的鐵離子，其具有較強(qiáng)的穿透能力和高LET值，是在地面開展單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)及加固評(píng)估中必須考慮的重要離子成份。根據(jù)銀河宇宙射線重離子相對(duì)豐度分布的特點(diǎn)，在單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)及加固評(píng)估中一般根據(jù)加速器和模擬源特點(diǎn)，選取在穿透能力和LET值方面與銀河宇宙射線重離子相當(dāng)?shù)募铀倨麟x子或模擬源粒子開展試驗(yàn)評(píng)價(jià)與研究工作。

圖4 銀河宇宙射線豐度分布

衛(wèi)星測(cè)試數(shù)據(jù)表明，能量低于1GeV的銀河宇宙射線重離子其強(qiáng)度隨能量的變化受太陽(yáng)活動(dòng)周期(平均周期為11年)的影響;也就是說(shuō)，太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)銀河宇宙射線重離子的強(qiáng)度分布有一定的調(diào)制作用。當(dāng)銀河宇宙射線重離子進(jìn)入太陽(yáng)系后，受太陽(yáng)風(fēng)的作用，其強(qiáng)度有一定的衰變。銀河宇宙射線重離子的這種衰變?cè)谔?yáng)活動(dòng)最小年時(shí)達(dá)到最大，而在太陽(yáng)活動(dòng)最大年時(shí)為最小。太陽(yáng)活動(dòng)周期對(duì)銀河宇宙射線重離子的這種調(diào)制作用是長(zhǎng)壽命航天器衛(wèi)星電子設(shè)備單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)及加固評(píng)估中必須考慮的重要因素之一，尤其在火星探測(cè)和太陽(yáng)系外探測(cè)航天器的電子系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)計(jì)方面必須考慮這種動(dòng)態(tài)的變化特性。在太陽(yáng)和銀河宇宙射線重離子成份中，存在一種反常重離子成份，這種反常重離子是一種單電荷的不同元素的帶電粒子，而通常所說(shuō)的太陽(yáng)和銀河宇宙射線重離子幾乎是由全電離的不同元素帶電離子組成。

銀河宇宙射線重離子行星際空間分布特性的描述模型有SPACE RADIATION模型和CREEAM96模型，如圖5所示分別給出了在太陽(yáng)最小年和太陽(yáng)最大年條件下，CREEAM96模型計(jì)算的銀河宇宙射線重離子LET譜。在太陽(yáng)最小年情況下，同一LET值下的銀河宇宙射線重離子通量比在太陽(yáng)最大年情況下高出近半個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖5 銀河宇宙射線重離子LET積分譜(Z=1～92)

4 太陽(yáng)粒子事件的高能質(zhì)子和重離子

有關(guān)研究表明［7－10］，太陽(yáng)粒子事件一般有兩個(gè)主要的類型，一種類型的持續(xù)時(shí)間為幾個(gè)小時(shí)，這種類型的太陽(yáng)粒子事件中高能電子通量比較高;另一種類型的持續(xù)時(shí)間為幾天，這種類型的太陽(yáng)粒子事件發(fā)生時(shí)，測(cè)定的高能質(zhì)子通量比較高。人們通過(guò)各種衛(wèi)星攜帶的高能質(zhì)子測(cè)量設(shè)備的測(cè)試和分析，建立了太陽(yáng)粒子事件的高能質(zhì)子模型，如美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)提出的 JPL－1991太陽(yáng)質(zhì)子事件模型［7］，該模型已被許多空間輻射環(huán)境計(jì)算軟件所集成，如工作計(jì)算中采用的SPACE RADIATION軟件包中就集成了JPL－1991太陽(yáng)質(zhì)子事件模型。如圖6所示給出了利用相關(guān)軟件計(jì)算的在同步軌道15年期間內(nèi)，太陽(yáng)粒子事件中的高能質(zhì)子積分通量譜。從圖中可以看出，不同置信度下給出的同一能量下的積分通量不同，隨著質(zhì)子能量的增高，這種差別越明顯。從圖中也可以明顯看出，在置信度為95%情況下，能引起單粒子效應(yīng)(如鎖定和燒毀)能量大于30 MeV的質(zhì)子積分通量為8.21×1010cm2。而在置信度為90%情況下，能引起單粒子效應(yīng)(鎖定和燒毀)質(zhì)子能量大于30 MeV的積分通量為5.01×1010cm2。

圖6 太陽(yáng)粒子事件質(zhì)子積分通量譜

太陽(yáng)粒子事件產(chǎn)生的高能重離子成份包括元素周期表中的所有元素［11－13］，如圖7所示，在同步軌道15年期間內(nèi)，太陽(yáng)粒子事件中的高能重離子LET積分通量譜。計(jì)算采用CREAME96軟件包，計(jì)算中給出的是從氫到鈾的所有成份的積分LET譜，強(qiáng)度分布是在一個(gè)事件周期內(nèi)的平均值，如最壞天平均值、最壞周平均值和峰值平均值。在CREAME96和SPACE RADIATION計(jì)算軟件中，依據(jù)的計(jì)算模型是1989年太陽(yáng)粒子事件模型，應(yīng)該注意的是，在1989年太陽(yáng)粒子事件模型中沒(méi)有給出高能重離子計(jì)算結(jié)果的不確定度系數(shù)。

圖7 太陽(yáng)粒子事件重離子積分通量譜

5 總結(jié)

對(duì)誘發(fā)電子器件和集成電路發(fā)生單粒子效應(yīng)的空間輻射環(huán)境進(jìn)行了總結(jié)，指出輻射帶中的高能質(zhì)子、銀河宇宙射線重離子和太陽(yáng)粒子事件的高能質(zhì)子和重離子是主要環(huán)境因素。對(duì)地磁場(chǎng)捕獲的高能質(zhì)子，采用基于AP8模型和地磁場(chǎng)模型的計(jì)算軟件，計(jì)算低地球軌道高能質(zhì)子通量的分布情況，如太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星在軌運(yùn)行3年后，單位面積上可以接受到高于2×1015個(gè)質(zhì)子的照射。也對(duì)南大西洋異常區(qū)高能質(zhì)子的分布情況作了說(shuō)明。對(duì)銀河宇宙射線重離子，通過(guò)計(jì)算結(jié)果的比較分析，明確太陽(yáng)活動(dòng)周期對(duì)其的影響程度。分別計(jì)算地球同步軌道太陽(yáng)粒子事件中的高能質(zhì)子積分通量譜和高能重離子LET積分通量譜，并對(duì)不同置信度和不同平均值下給出了結(jié)果。

［1］Daly E J.The Radiation Belts［J］.Radiation Physics and Chemistry ，1994，43(1):1－18.

［2］Vette J I.The AE－8 Trapped Electron Model Environment［R］.NSSDC/DCA－R＆S Report，NASA－GSFC 1991，91(24).

［3］Sawyer D M，Vette J I，AP－8 Trapped Proton Environment for Solar Maximum and Solar Minimum［R］.NSSDC WDC－A－R＆S，NASA－GSFC 1976，76(6).

［4］Watts J W，Parnell T A，Heckman H H.Approximate Angular Distribution and Spectra for Geomagnetically Trapped Protons in Low－Earth Orbit［R］.In High－Energy Radiation Background in Space，AIP Conference Proceedings ，NewYork，1989，186:75－85.

［5］Kruglanski M，Lemaire J，Trapped Proton Anisotropy at Low Altitude［R］.Technical Note 6，ESA/ESTEC/WMA Contr.10725，BIRA 1996.

［6］Lemaire J，Johnstone A D ，Heynderickx D，et al.Trapped Radiation Environment Model Development(TREND－2)［R］.Final Report of ESA Contr.Instituted Aeronomie Spatiale de Belgique/Belgisch Institut voor Rumte－Aeronomie，1995.

［7］Feynman J，Spitale G，Wang J，et al.Interplanetary Proton Fluence Model:JPL 1991［J］.J.Geophys.Res，1993，98(A8):13281－13294.

［8］Tranquille C，Daly E J.An Evaluation of Solar Proton Event Models for ESA Missions［J］.ESA J，1992，16(3)，275－297.

［9］King J H.Solar Proton Fluences for 1977－1983 Space Missions［J］.J.Spacecraft＆ Rockets ，1974，11(6):401－408.

［10］Stassinopoulos E G，King J H.Empirical Solar Proton Model For Orbiting Spacecraft Applications［J］.IEEE Trans.on Aerosp.and Elect，1973 ，10(4):442－450.

［11］Tylka A J，Adams J H，Boberg P R.CREME96:A Revision of the Cosmic Ray Effects on Micro－Electronics Code［J］.IEEE Trans，1997，44(6):2150－2160.

［12］Nymmik R A，Panasyuk M I，Pervaja T I，et al.A Model of Galactic Cosmic Ray Fluxes［J］.Tracks ＆ Radiat.Meas，1992，20(3):427－429.

［13］Adams J H，Silberberg R，Tsao C H.Cosmic Ray Effects on Microelectronics［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，1982，29:169－172.