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)實驗室，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)境主要有兩個來源，一個是地球磁場捕獲的高能重離子和質(zhì)子，另一個是來自宇宙空間的瞬時高能重離子和高能質(zhì)子。地球磁場捕獲的高能質(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。宇宙空間瞬時高能重離子的主要成份是銀河宇宙射線重離子和太陽粒子事件(SEP)中的高能重離子，宇宙射線重離子的空間通量是隨時間逐漸變化的，與太陽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活動的11年周期也密切相關(guān)，在接近太陽活動最小年時，宇宙射線重離子的能量和通量達(dá)到峰值。空間的瞬時高能質(zhì)子主要來自于太陽粒子事件(SEP)，太陽粒子事件是指太陽在短時間內(nèi)的能量粒子噴發(fā)，太陽粒子事件爆發(fā)的典型時間一般為幾個小時或幾天，事件發(fā)生的頻率隨著太陽活動周期的變化而變化，在太陽最小年期間，每年可能發(fā)生幾次太陽粒子事件，而在太陽活動最大年時，每年可以發(fā)生上千次太陽粒子事件。太陽粒子事件中噴發(fā)出的高能質(zhì)子和重離子對高軌道衛(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，由于地磁場軸線和地球自轉(zhuǎn)軸沒有重合，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 太陽同步軌道衛(wèi)星的質(zhì)子通量分布

在計算輻射帶中高能質(zhì)子入射到衛(wèi)星電子系統(tǒng)中的累積通量時，采用AP8模型和地磁場模型。該模型計算的不確定度系數(shù)為2，該不確定度對長期平均計算而言，一般計算的平均時間要在半年以上。由于太陽活動的影響，衛(wèi)星電子系統(tǒng)可能在某一天所接受到的高能質(zhì)子入射通量比計算結(jié)果高出2～3個數(shù)量級。目前計算質(zhì)子通量分布的軟件包都基于AP8模型和地磁場模型，如美國輻射協(xié)會推出的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°。計算采用 space radiation軟件包，質(zhì)子能量范圍為 0.1～400 MeV。從計算結(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個質(zhì)子照射。

圖1 太陽同步軌道(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°。計算采用OMERE軟件包，質(zhì)子能量范圍為0.1～300 MeV。從計算結(jié)果中可以看出，衛(wèi)星在單位時間內(nèi)單位面積上可以接受2×104個質(zhì)子(能量大于0.1 MeV)的照射，另外，計算中選取不同地磁場模型時，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，地球磁場在不斷的變化。由于地磁場的移動，南大西洋異常區(qū)位置也在慢慢移動。實驗觀察結(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，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)評估試驗時，必需在環(huán)境分析計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

銀河宇宙射線來源于太陽系以外，一般認(rèn)為，在整個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)星測量表明，銀河宇宙射線重離子在太陽系內(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)模擬試驗及加固評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豐度分布的特點(diǎn)，在單粒子效應(yīng)模擬試驗及加固評估中一般根據(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評價與研究工作。

圖4 銀河宇宙射線豐度分布

衛(wèi)星測試數(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活動周期(平均周期為11年)的影響;也就是說，太陽活動對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)入太陽系后，受太陽風(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在太陽活動最小年時達(dá)到最大，而在太陽活動最大年時為最小。太陽活動周期對銀河宇宙射線重離子的這種調(diào)制作用是長壽命航天器衛(wèi)星電子設(shè)備單粒子效應(yīng)模擬試驗及加固評估中必須考慮的重要因素之一，尤其在火星探測和太陽系外探測航天器的電子系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)計方面必須考慮這種動態(tài)的變化特性。在太陽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，而通常所說的太陽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最小年和太陽最大年條件下，CREEAM96模型計算的銀河宇宙射線重離子LET譜。在太陽最小年情況下，同一LET值下的銀河宇宙射線重離子通量比在太陽最大年情況下高出近半個數(shù)量級。

圖5 銀河宇宙射線重離子LET積分譜(Z=1～92)

4 太陽粒子事件的高能質(zhì)子和重離子

有關(guān)研究表明［7－10］，太陽粒子事件一般有兩個主要的類型，一種類型的持續(xù)時間為幾個小時，這種類型的太陽粒子事件中高能電子通量比較高;另一種類型的持續(xù)時間為幾天，這種類型的太陽粒子事件發(fā)生時，測定的高能質(zhì)子通量比較高。人們通過各種衛(wèi)星攜帶的高能質(zhì)子測量設(shè)備的測試和分析，建立了太陽粒子事件的高能質(zhì)子模型，如美國噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)提出的 JPL－1991太陽質(zhì)子事件模型［7］，該模型已被許多空間輻射環(huán)境計算軟件所集成，如工作計算中采用的SPACE RADIATION軟件包中就集成了JPL－1991太陽質(zhì)子事件模型。如圖6所示給出了利用相關(guān)軟件計算的在同步軌道15年期間內(nèi)，太陽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 太陽粒子事件質(zhì)子積分通量譜

太陽粒子事件產(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)，太陽粒子事件中的高能重離子LET積分通量譜。計算采用CREAME96軟件包，計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計算軟件中，依據(jù)的計算模型是1989年太陽粒子事件模型，應(yīng)該注意的是，在1989年太陽粒子事件模型中沒有給出高能重離子計算結(jié)果的不確定度系數(shù)。

圖7 太陽粒子事件重離子積分通量譜

5 總結(jié)

對誘發(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粒子事件的高能質(zhì)子和重離子是主要環(huán)境因素。對地磁場捕獲的高能質(zhì)子，采用基于AP8模型和地磁場模型的計算軟件，計算低地球軌道高能質(zhì)子通量的分布情況，如太陽同步軌道衛(wèi)星在軌運(yùn)行3年后，單位面積上可以接受到高于2×1015個質(zhì)子的照射。也對南大西洋異常區(qū)高能質(zhì)子的分布情況作了說明。對銀河宇宙射線重離子，通過計算結(jié)果的比較分析，明確太陽活動周期對其的影響程度。分別計算地球同步軌道太陽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，并對不同置信度和不同平均值下給出了結(jié)果。

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