硕士学位论文-临近空间大气中子及其诱发的单粒子效应仿真研究.pdf

分类号 u d c 密级 编号 中国科学院研究生院 硕士学位论文 指导教师叠建焦班究虽 生国型堂院窒闷型堂皇廑厦巫窒生! 坠 申请学位级别理堂亟学科专业名称窒间物理 论文提交日期垄q 曼q 生量旦旦论文答辩日期2 q ! q 生鱼旦至目 培养单位主国型堂院窒间科堂皇座旦硒究生：坠 学位授予单位主国型堂瞳班塞生院 as i m u l a t i o ns t u d yo fn e a r s p a c ea t m o s p h e r i cn e u t r o na n d i t ss i n g l ee v e n te f f e c t st oe l e c t r o n i cd e v i c e b yz h a n g z h e n l i d i r e c t e db y p r o f h a nj i a n w e i c e n t e rf o rs p a c es c i e n c ea n da p p l i e dr e s e a r c h ， c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s g r a d u a t eu n i v e r s i t yo fc h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s m a y , 2 0 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何其 他人已发表或撰写过的材料，也不包含为获得其它教育机构的别种学位或证书而 大量使用过的材料。与我一同工作的人对本研究所做的任何贡献已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解培养单位有关保留、使用学位论文的规定，即：培养单位有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；培养单位可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名： 弦拯左见证人：壅坌葺日期：丝包厶：少 单粒子效应危害进行分析评估。本文采用计算机仿真方法研究了大气中子能谱随 时间、高度、经度、纬度的变化规律，可以得到临近空间任意时间、地点的中子 能谱，为评估临近空间飞行器的单粒子效应程度提供了环境信息。同时采用计算 机仿真的方法研究了器件翻转截面与中子能量间的关系，并进行了部分的地面模 拟试验验证，为飞行器元器件筛选提供了依据。结合临近空间大气中子能谱、器 件单粒子翻转截面的仿真计算结果，能够计算临近空间飞行器上使用的器件在飞 行过程中的翻转率。本文中对临近空间大气中子环境、中子诱发的器件单粒子翻 转截面、飞行过程中翻转率建立的仿真计算方法和程序，和国外相关仿真模型、 模拟试验和空中飞行试验结果吻合得较好。 本文的工作属国内首次，对后续的深入研究以及我国临近空间飞行器的发展 具有重要参考价值。 关键词：临近空间；大气中子；单粒子效应；翻转截面；翻转率 a b s t r a c t t h en e a gs p a c ei st h er e g i o nb e t w e e n2 0 k i na n d10 0 k ma b o v eg r o u n d i nr e c e n t y e a r s ，t h es t r a t e g i cv a l u eo ft h en e a rs p a c eh a sg i v e nr i s e t on a t i o n a la t t e n t i o n a t m o s p h e r i cn e u t r o ni st h em a i nr a d i o a c t i v ep a r t i c l ei nt h en e a rs p a c et h a ti n d u c e d s i n g l ee v e n te f f e c t s ( s e e ) a n ds e r i o u s l yi m p e r i l st h es a f e t yo ft h ea i r c r a f ta tt h i sa l t i t u d e w i t ht h ep r o g r e s so ft h es e m i c o n d u c t o rp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y , t h es e ei n d u c e db y a t m o s p h e r i cn e u t r o na tg r o u n dh e i g h ta n dh i g hl a t i m d 鼯o f a v i o n i c sa l t i t u d ei sg e t t i n g m o r ea n dm o r es e r i o i l s t op r o t e c tt h es a f e t yo ft h en e a rs p a c ea i r c r a r ，t h en e u t r o ne n v i r o n m e n ta n dt h e s e es h o u l db ee v a l u a t e d i nt h i sp a p e r , t h ev a r i a t i o n so ft h ea t m o s p h e r i cn e u t r o ns p e c t r a 、) l ，i mt i m e ，a l t i t u d e ，l o n g i t u d e ，l a t i t u d ea r es t u d i e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n t h en e u t r o n s p e c t r ao f n e a rs p a c ea ta n yt i m ea n dp l a c ec a nb ec a l c u l a t e d ，p r o v i d i n gt h ee n v i r o n m e n t p a r a m e t e rf o re v a l u a t i n gt h el e v e lo fs e e t h ev a r i a t i o no fs i n 酉ee v e n tu p s e t ( s e u ) c r o s ss e c t i o nw i t hn e u t r o ne n e r g yi si n v e s t i g a t e db yg r o u n dt e s t i n ga n dc o m p u t e r s i m u l a t i o n ap a r to ft h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ev e r i f i e db yg r o u n dt e s t i n g t h er e s u l t so f s e uc r o s ss e c t i o np r o v i d i n gt h eb a s i sf o rf i l t e rd e v i c e s c o m b i n a t i o no ft h en e a rs p a c e a t m o s p h e r i cn e u t r o ns p e c t r aa n dt h es e uc r o s ss e c t i o n , t h es e u r a t ed u r i n gt h ee n t i r e f l i g h tc a n b ee v a l u a t e d t h er e s u l t so ft h en e a rs p a c en e u t r o ne n v i r o n m e n ta n dt h ec r o s s s e c t i o ni n d u c e db yn e u t r o na sw e l la st h es e ur a t ec a l c u l a t e db yo u rm e t h o d sa n d s o f t w a r ea g r e ew e l lw i mt h er e s u l t sc a l c u l a t e db yf o r e i g nm o d e la n dg r o u n dt e s t i n ga s w e l la st h ef l i g h tt e s t i n g t h i sw o r ki st h ef i r s tt i m er e s e a r c h e da th o m e ，a n di th a sa ni m p o r t a n tr e f e r e n c e v a l u ef o rt h es u b s e q u e n tr e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n to fn e a rs p a c ea i r c r a f t k e yw o r d s ：n e a rs p a c e ；a t m o s p h e r i cn e u t r o n ；s i n g l ee v e n te f f e c t s ；u p s e tc r o s ss e c t i o n ； s i n g l ee v e n tu p s e tr a t e 1 3 本文内容和安排3 1 4 本文创新点4 第二章研究背景5 2 1 临近空间辐射环境5 2 2 常见的单粒子效应7 2 2 1 单粒子翻转8 2 2 2 单粒子锁定8 2 2 3 单粒子瞬态脉冲9 2 2 4 单粒子烧毁1 0 2 2 5 单粒子栅穿1 0 2 2 6 单粒子位移损伤1 0 2 3 常用的加固方法1 0 2 4 中子通量的半经验模型1 2 2 5b g r 方法简介1 3 第三章临近空间大气中子能谱的仿真计算1 5 3 1 临近空间大气中子仿真模型1 5 3 2 银河宇宙线、太阳宇宙线能谱1 6 3 3 大气模型1 7 3 4 地磁截止刚度模型1 9 3 5 大气中子能谱计算机仿真过程2 2 3 6 中子能谱和国外模型的对比2 3 3 7 太阳活动强度对中子能谱的影响2 6 3 8 本章小结2 6 第四章单粒子效应试验研究2 7 4 1 试验用中子源2 7 4 2 网络控制下的静态存储器单粒子效应检测系统3 0 4 3 中子单粒子效应试验结果3 2 4 4 本章小结3 2 第五章中子诱发器件单粒子翻转截面仿真计算研究3 3 5 1 中子诱发器件单粒子翻转模拟计算3 3 3 3 3 7 3 7 5 2 结果与讨论3 9 5 2 1 模拟计算结果3 9 5 2 2 与地面试验结果的对比4 0 5 3 本章小结4 l 第六章临近空间大气中子诱发电子器件单粒子翻转率数值仿真研究4 2 6 1 翻转率计算方法4 2 6 1 1 翻转截面计算一4 2 6 1 2 飞行过程中单粒子翻转率的计算4 3 6 2 计算结果及验证4 5 6 2 1 翻转截面模拟计算和地面试验结果的对比4 5 6 2 2 翻转率模拟计算和飞行试验结果的对比4 6 6 3 翻转率随纬度的变化规律一4 7 6 4 本章小结4 7 第七章总结与展望4 9 7 1 总结4 9 7 2 展望4 9 参考文献。5 l 在读期间发表论文5 7 致谢5 8 临近空间拥有着大气平流层区 距地面5 5 8 5 k m 的空域) 和小 非电离层和电离层( 6 0 k m 以下 为非电离层，6 0 , - 1 0 0 0 k m 为电离层) ，其绝大部分成分为均质大气( 9 0 k m 以下的 大气) 。由于技术和认知上的原因，临近空间一直没有得到太多的重视。究其原因 主要是临近空间内的空气非常稀薄，多数固定翼飞机都不能在其中飞行，而卫星 由于受到空气的阻力大，难以维持其飞行轨道。临近空间比太空低很多，到达那 里的难度、费用和风险小得多；临近空间比“天空“ 高很多，“站得高看得远”， 在那样的高空中通信、遥测、情报、侦查和监视等将大有作为。临近空间气象状 况比“天空“ 要简单得多，雷暴闪电较少，也没有云、雨和大气湍流现象。近年 来临近空间的战略价值逐渐引起各国的重视，在加强对临近空间进行全面探测的 同时，临近空间飞行器也因其显著特点和潜在的军、民用价值而成为各国研究的 热点【1 翻。 临近空间飞行器是指只在或能在临近空间作长期、持续飞行的飞行器，例如 高空军用飞机、对流层太阳能无人机、平流层飞艇、自由浮动气球和遥控滑翔飞 行器等【孓4 】。 单粒子效应是影响航天器安全的因素之一，据有关资料统计表明 5 1 ，自1 9 7 1 年至1 9 8 6 年，国外发射的3 9 颗同步卫星，因各种原因造成的故障共1 5 8 9 次， 其中与空间辐射有关的故障有1 1 2 9 次，占故障总数的7 l 。而在辐射造成的故 障中，由单粒子效应造成的故障有6 2 1 次，占辐射总故障的5 5 。我国发射的航 天器也发生过类似的故障。单粒子效应并非只发生于太空环境中，也发生于大气 环境中。临近空间的辐射粒子主要包括中子、质子、电子、丫射线、万介子、子 等。大气中子是这一区域诱发电子器件发生单粒子翻转最主要的原因，严重威胁 着临近空间飞行器安全、可靠地工作【6 。7 1 。2 0 世纪8 0 年代末，i b m 和b o e i n g 公司 联合开展了高空大气中子诱发器件单粒子效应的飞行试验研究，试验结果充分证 明了大气中子能够诱发电子器件发生显著的单粒子效应【8 】。随着器件加工工艺的不 2 临近空间大气中子及其诱发的单粒子效应仿真研究 断发展，器件单元尺寸不断缩小，工作电压不断降低，使得器件抵御单粒子效应 的能力不断降低，因此临近空间大气中子诱发器件发生单粒子效应的潜在危害也 越来越大【9 】。从上世纪8 0 年代到现在，静态存储器( s r a m ) 每一位的单粒子翻 转截面没有发生显著的变化，但是每个s r a m 器件的集成度从几十k 发展到了几 个g ，每个器件的翻转率增大了上万倍【6 1 们。随着器件特征工艺尺寸变小、单粒子 效应阈值降低、集成度密集，大气中子也是地面附近和高纬度航空高度引起元器 件发生软错误最主要的原因，引起了人们的广泛关注 3 , 8 , 1 1 】。 为了保障临近空间飞行器安全可靠地飞行，需要对其遭遇的大气中子环境和 单粒子效应危害进行分析评估。本文采用计算机仿真方法研究了大气中子能谱随 时间、高度、经度、纬度的变化规律，可以得到临近空间任意时间、地点的中子 能谱，为评估临近空间飞行器的单粒子效应程度提供了环境信息。采用计算机仿 真的方法研究了器件翻转截面与中子能量间的关系，并进行了部分的地面模拟试 验验证，为飞行器元器件筛选提供了依据。结合临近空间大气中子能谱、器件单 粒子翻转截面的仿真计算结果，建立了计算临近空间飞行器用器件在飞行过程中 发生的翻转率的计算方法。 1 2 国内外研究现状 早期对大气中子的研究，基本上是出于宇宙射线研究的需要，探测的高度一 般较低。1 9 5 6 年，w n h e s s 1 2 - 1 3 1 等人最先开始对大气中子环境进行系统的探 测研究，他们先后把多种探测器放置在加利福尼亚大学的山基实验室和墨西哥 k i r t l a n d 空军基地的b 3 6 轰炸机上对中子环境进行探测。2 0 世纪9 0 年代早期，国 际上大量的大气中子研究集中在航空高度展开，其主要原因有如下两点：( 1 ) 人们 认识到中子是引起飞机上存储器和其它电子设备单粒子翻转的主要原因 翻 转率随海拔高度和地理纬度的变化，与中子通量随高度和纬度的变化相同；用 实验室测得的中子翻转截面和大气中子积分通量，计算得到的中子翻转率，与飞 行试验测得的翻转率相吻合。( 2 ) 国际辐射防护委员会( i c r p ) 认为大气中子辐射 环境对航空机组人员的健康构成了威胁。目前针对2 0 “ - - 1 0 0k m 高度的临近空间大 气中子尽管也有一些高空气球和探空火箭的探测数据，但相对于航空高度对它的 研究还较少，随着临近空间开发利用需求的不断增长，各国对临近空间中子环境的 釜二童堕迨 关注正在增加。目前要得到全球的大气中子能谱分布，主要还是靠计算机模 3 拟。 比较出色的模拟软件有日本原子能机构开发的e x c e l b a s e dp r o g r a mf o rc a l c u l a t i n g a t m o s p h e r i cc o s m i c - r a ys p e c t r u m ( e x p a c s ) 和英国q i n e t i q 公司开发的q i n e t i q a t m o s p h e r i cr a d i a t i o nm o d e l ( q a r m ) 模型。e x p a c s 能够计算的高度范围是 o 2 0k m 。q i n e t i q 公司的q a r m 模型是一款免费的网页交互使用的模拟软件，可 以计算0 1 0 0 k m 的中子能谱。但是它的使用权限受到了严格的限制，每台计算机 每天只能进行规定次数以内的计算，并且没有考虑太阳质子事件对中子能谱的影 响，我们实验室首次在国内自主开发出了中子能谱模拟计算软件。 历史上第一篇从理论上揭示单粒子翻转现象的论文是在阐述等比例缩小工 艺的发展趋势中提出来的【1 4 1 。在1 9 6 2 年出现的这篇论文中，作者预言由于宇宙射 线的存在，当工艺尺寸缩小到一定程度后必然会发生单粒子翻转现象。从1 9 7 5 年 b i n d e r t ”】发现通信卫星上的数字电路- j k 触发器由于单个重离子的作用被触发， 出现异常翻转以来，又陆续发现陶瓷管壳所含的微量放射性同位素铀和钍放出的 c t 粒子，以及宇宙射线中的高能中子、质子等，都能使集成电路发生单粒子翻转。 1 9 7 9 年发现单个高能粒子能引起c m o s 器件发生闭锁【l6 1 。1 9 8 6 年又发现单个高能 粒子还能引起功率m o s 器件发生单粒子烧毁“ 】，1 9 8 7 年又发现单粒子栅穿【1 8 l 。进 一步的模拟实验和在轨卫星的测试证实，几乎所有的集成电路都能发生单粒子效 应。 中子诱发器件的单粒子翻转人们关注的比较少，不论是飞行试验数据还是地 面模拟试验数据都比较匮乏。为了弥补中子试验数据的不足，e u g e n e n o r m a n d 利 用重离子试验数据，采用b g r ( b u r s tg e n e r a t i o nr a t e ) 方法对中子诱发器件的单 粒子翻转进行了理论计算【l9 1 。本文建立的中子诱发器件的翻转截面仿真计算模型 借鉴了b g r 方法的思路，对计算方法进行了改进。 2 0 世纪8 0 年代末，i b m 和b o e i n g 公司利用飞行试验测试了中子诱发器件的 单粒子翻转率，国外在最近几年也开展了中子诱发器件翻转率的模拟研究 1 0 2 0 l 。 本文在国内首次利用仿真方法研究了临近空间大气中子诱发电子器件的翻转率。 1 3 本文内容和安排 本文共分七章，第一章绪论阐述了本文选题的意义和临近空间大气中子诱发 4 临近空间大气中子及其诱发的单粒子效应仿真研究 器件单粒子效应的研究现状。第二章阐述了本文研究的背景知识包括临近空间的 辐射粒子种类和大致分布、常见的单粒子效应原理介绍、单粒子效应防护方法、 中子通量的半经验模型和中子诱发的单粒子翻转截面的常用理论计算方法。这两 章的主要工作是通过调研文献，对本课题有一个总体的认识。 第三章主要介绍了临近空间大气中子能谱的仿真研究。计算大气中子能谱首 先要得到银河宇宙线和太阳宇宙线、大气成分、地磁截止刚度，然后再用蒙特卡 罗软件f l u k a 编程得到中子能谱，本章节对每一个环节都进行了详细的介绍。 第四章和第五章都是介绍单粒子翻转效应研究，第四章从试验角度着手，介 绍了试验用中子源、检测系统、试验结果。第五章从仿真方面介绍单粒子翻转研 究，并且和第四章试验结果进行了对比。 第六章主要介绍单粒子翻转率的计算方法。单粒子翻转率的计算需要用到第 三章的中子能谱和第四、五章的单粒子翻转截面。临近空间电子器件的翻转截面 是由各向同性的中子入射引起的，第四、五章的计算结果不能直接应用，因此在 第六章也单独介绍了各向同性的中子诱发器件的翻转截面的计算方法。 第七章是对全文的一个总结。 需要说明的是，本文临近空间大气中子能谱的仿真研究是在本研究室蔡明辉 老师临近空间大气中子仿真研究的基础之上进行的，本文的工作用到了蔡明辉老 师计算的大气成分分布，以及单能质子和大气成分发生核反应的f l u k a 代码。在 用到这段f l u k a 代码时本文只做了小幅度的改动。 1 4 本文创新点 本文在国内首次研究了临近空间大气中子在不同时间、经度、纬度、高度下 的中子能谱，并且弥补了国外类似模型没有考虑太阳质子事件的不足。对已有的 中子诱发器件的单粒子翻转仿真模型进行了改进，同时考虑了敏感体积及其附近 的次级粒子对单粒子翻转的贡献，对在敏感体积内沉积不同能量的次级粒子对单 粒子翻转的贡献进行了区分计算，使得计算结果更加准确。在国内首次计算出临 近空间任意两地间飞行器上s r a m 的翻转率，与国外同类模型相比计算翻转率时， 考虑了临近空间大气中子的各向同性入射。 第二章研究背景5 第二章研究背景 本章节共分五节，第一节介绍了临近空间的主要辐射粒子的种类、分布、对 临近空间飞行器的影响。随着单粒子效应研究的日益深入，单粒子效应分类也越 来越细，第二节介绍了单粒子效应的分类和常见的单粒子效应的原理。第三节介 绍了单粒子效应防护方法。第四节介绍了中子通量的半经验模型。第五节主要介 绍了常用的计算中子诱发器件单粒子翻转的b g r 方法。 2 1 临近空间辐射环境 单粒子效应是由辐射粒子直接或者间接引起的，本文在研究临近空间环境时 着重考虑临近空间的辐射环境。由于地球磁场和大气层的屏蔽作用，随着高度的 降低，来自空间的初级辐射粒子将被大大削弱。但具有足够高能量的银河宇宙线 和太阳宇宙线，会克服地磁场的屏蔽作用进入到足够低的地球空间，并与大气中 的氮、氧等原子碰撞发生核反应，产生大量次级辐射粒子，构成主要的大气辐射 环境。临近空间的辐射粒子主要包括中子、质子、电子、丫射线、y “ 介子、子等 2 1 - 2 2 1 ，它们的通量会随着时间、高度、经度、纬度的改变而发生变化。图2 1 给出 了1 9 9 7 年1 月7 同地磁截止刚度为1 g v 的地方各种辐射粒子积分通量与高度之 间的关系，图2 2 给出了1 9 9 1 年1 月l 同1 7 k m ，地磁截止刚度为1 g v 的地方各 种辐射粒子的微分能谱。 从图2 1 和图2 2 可以看出，临近空间辐射强度较大的粒子有中子、质子、电 子、丫射线。其中电子、丫射线的有效l e t ( l i n e a re n e r g yt r a n s f e r ) 较小，本文研 究的单粒子效应主要是单粒子翻转，这两种粒子对单粒子翻转的贡献可以忽略不 计。在4 0 k m 以下，中子的通量显著高于质子的通量，4 0 k m 以上，中子通量略高 于质子通量。由于临近空间飞行器和电子器件本身的屏蔽作用，质子诱发的单粒 子翻转会受到减弱，而中子由于不带电，可以在屏蔽材料中横冲直入，屏蔽材料 对它基本不起作用。在整个能谱范围，质子诱发器件的翻转截面小于或接近于中 子诱发的翻转截面【2 3 之4 1 ，因此中子是这一区域诱发电子器件发生单粒子翻转最主 要的原因。本文计算临近空间电子器件单粒子翻转率时没有单独考虑质子的贡献， 这样处理会低估电子器件在临近空间的翻转率，但是结果也是可以接受的。 6 临近空间大气中子及其诱发的单粒子效应仿真研究 1 - i - 0 2 1 e + 0 1 1 e 一 4 e - 0 1 4 0 2 。e 0 3 。e 蚪 。e - 皓 。 。0 7 苫 “ e ) 3 l j l c = o ) o - 一 d c = e o f 七= 挚葛，嗝 力r ，、l ，!兰 e ， c 。妒i 一一一t 么二一 汐 、 i z 厂一蟹衙 +e 一、o n 、 2 04 06 08 01 0 0 a i t i h = d p ( k i n ) 图2 1 临近空间各种辐射粒子积分通量随高度的变化关系 p a r t i c l ee n e r g y ( m e v ) 图2 2 临近空间各种辐射粒子的微分能谱 一_eo一锕田。百一芒毋一x3一也啦一。一t酊 第二章研究背景 7 2 2 常见的单粒子效应 单粒子效应是指单个的高能重离子或者质子、中子，在器件材料中通过直接 的电离作用或者核反应产生的次级粒子的间接电离作用，形成的额外电荷，导致 的器件逻辑状态、功能、性能等的变化或损伤现象。随着单粒子效应研究的不断 深入，新器件的不断应用，新现象的不断发现，单粒子效应分类越来越细。表2 1 给出了目前已经明确定义的单粒子效应类型【2 5 之6 】。 表2 1 单粒子效应类型 类型英文缩写定义 单粒子翻转s e u ( s i n g l ee v e n tu p s e t )存储单元逻辑状态改变 s e l ( s i n g l e e v e n t 单粒子闭锁p n p n 结构中的大电流再生状态 l a t c h u p ) s e b ( s i n g l e e v e n t 单粒子烧毁大电流导致器件烧毁 b u r n o u t ) s e g r ( s i n g l ee v e n tg a t e 单粒子栅穿栅介质因大电流流过而击穿 r u p t u r e ) 一个粒子入射导致存储单元多 单粒子多位翻转 m b u ( m u l t i p l eb i tu p s e t ) 个位的状态改变 s e d( s i n g l e e v e n t存储单元逻辑状态出现瞬时改 单粒子扰动 d i s t u r b ) 变 s e t( s i n g l e e v e n t瞬态电流在混合逻辑电路中传 单粒子瞬态脉冲 t r a n s i e n t )播，导致输出错误 s e s( s i n g l e e v e n t在n m o s 器件中产生的大电流再 单粒子快速反向 s n a p b a c k )生状态 s e f i( s i n g l e e v e n t 单粒子功能中断一个翻转导致控制部件出错 f u n c t i o n a li n t e r r u p t ) s p d d ( s i n g l ep a r t i c l e 单粒子位移损伤因位移效应造成的永久损伤 d is p l a c e m e n td a m a g e ) 8临近空间大气中子及其诱发的单粒子效应仿真研究 单个位硬错误 l s h e s l n g l eh a r de r r 。r i 单个位出现不可恢复性错误 l s t u c ka tb i te r r o rl 下面对几种常见的单粒子效应做一简单的介绍。 2 2 1 单粒子翻转 单粒子翻转效应是指单个高能带电粒子射入半导体器件灵敏区，使器件逻辑 状态翻转为相反状态，从而存储的信息出错。导致系统功能紊乱，严重的可以导 致灾难性事故。通常判断发生单粒子翻转效应的依据是临界电荷，临晃电荷定义 为灵敏电极收集到的，可以导致器件逻辑状态翻转的最小电荷，图2 3 ( b ) 是高能 重离子( 质子) 穿过m o s 管的示意图，当高能重离子( 质子) 射入半导体器件灵敏 区时，会在敏感区电离激发出电子一空穴对，当灵敏电极收集到的电荷大于临界电 荷时，认为器件发生单粒子翻转效应。静态存储器( s r a m ) 容易发生单粒子翻转， 图2 3 ( a ) 是c m o ss r a m 存储单元示意图，当它正常工作时，总有两个m o n 管处于导 通状态，两个m o s 管处于截止状态，截止管漏区反偏p n 结空间电荷区构成器件单粒 子翻转灵敏区，其电场足以使电子一空穴对分离，并被电极收集 2 7 - 2 8 】。 图2 3 ( a ) 存储单元示意图( b ) 高能粒子穿过半导体器件示意图 2 2 2 单粒子锁定 单粒子闭锁是一种出现在p n p n 半导体结构中的低阻大电流现象。由于c m o s 器件固有的p + n p n + l 四层结构，构成了寄生的可控硅。如图2 4 所示，p + 型源区( 或 漏区) 、r l 型阱和p 型衬底构成纵向p n p 晶体管；n 型阱、p 型衬底和n + 型源区( 或 第二章研究背景9 漏区) 构成横向n p n 晶体管。寄生的这两个晶体管交互连接，每个晶体管的收集极 电流反馈至另一个晶体管的基极。构成正反馈回路。如果p n p n 结构的总增益足够 高，任何扰动都可能使其中一个寄生的双极晶体管导通，从而触发闭锁。正常情 况下，中间结反偏，其余两结正偏，寄生的可控硅处于高阻关断状态。一旦发生 锁定，维持闭锁状态只需要很低的电压，流过器件的电流瞬间增大很多，有时高 达安培量级。大电流导致局部温度升高，有的器件表面温度高达3 0 0 。温度过高 会导致器件烧毁而永久损坏。这时断开输入输出信号都不能恢复正常状态，只有 当电源电压低于维持电压，器件才能恢复正常状态。更可靠的方法是断开电源。 若不采取保护措施，并及时断开电源，就会烧毁器件，发生永久性损伤。一个高 能重离子( 质子) 穿过p n p n 结构，在其中沉积能量，产生电子空穴对，致使其中 任何一个寄生的双极晶体管导通，就会导致闭锁。由单个粒子引起的闭锁称为单 粒子闭锁【2 9 】。 图2 4c m o s 器件寄生p + n p n + 可控硅结构 2 2 3 单粒子瞬态脉冲 在一定的偏置条件下，单个重离子( 质子) 撞击电路的灵敏节点，在电路的 输出端引起瞬时电压信号的输出称为单粒子瞬时脉冲效应 3 0 - 3 3 】。一般来说，由重 离子或质子产生s e t 的模拟和光电电路主要是指运算放大器、比较器、模数变换 器( a d c ) 和光电耦合器等，这些中小规模集成电路广泛应用于航天仪器设备中。在 模拟和光电电路内产生的瞬时信号时间很短，但可在连接它们的数字电路中产生 扰动进而引发系统工作异常，威胁卫星安全和可靠【3 3 1 。 1 0 临近空间大气中子及其诱发的单粒子效应仿真研究 2 2 4 单粒子烧毁 单粒子烧毁效应是由离子入射到功率m o s 器件的n + 源区或p 沟道区，在p p + 区沉积能量，产生大量的电子空穴对，在漂移和扩散效应的双重作用下，形成瞬 发电流。当瞬发电流在p p + 体硅片电阻上的压降增加到一定值时，n + p r m + 构成的寄 生晶体管导通，负反馈作用使源漏短路( 即漏极和源极之间形成短路通道) ，导致 器件烧毁3 4 1 。 2 2 5 单粒子栅穿 单粒子栅穿效应是指入射离子穿透器件栅极时，在n - 漂移区产生电子空穴 对。对于n 。沟道器件，栅极接地，漏极正偏，在漂移区电场的作用下，电子沿入 射离子径迹向漏极移动，空穴向栅极漂移，累积在s i s i 0 2 界面的空穴使氧化层上 的电场瞬时增大，当电场增量足够大、持续时间足够长时，将引起入射径迹的氧 化层介质击穿f 3 引。 2 2 6 单粒子位移损伤 单粒子位移损伤是指单个粒子入射引起晶格原子移位，形成缺陷群，引起的 永久性损伤。如果缺陷群正好处在窄基区双极晶体管的收集极和发射极之间，那 么将会引起漏电流增大。如果跨于m o s 管的源极和漏极之间，那么将导致源极和 漏极导通，漏极电流增大；在临近s i s i c h 界面的s i 中引入新的散射中心，降低载 流子的沟道迁移率；引起阈值电压漂移。如果缺陷群穿过栅氧化层，那么还将导 致阈值电压漂移和栅极击穿电压的下降，增加栅一漏电流f 3 5 1 。 以上这些单粒子效应中，单粒子烧毁、单粒子栅穿、单粒子位移损伤都为永 久损伤，也称硬错误。通过重新写入或断开电源，被辐照器件不能恢复正常状态， 器件彻底损坏。单粒子闭锁在不采取保护措施的情况下，也会导致永久损伤。其 它效应均为软错误，器件可以恢复正常状态。但对于运行中的航天器来说，任何 一种效应都可能导致重大事故和巨大损失。 2 3 常用的加固方法 单粒子效应常用的加固方法可分为器件级加固和系统级加固。 器件级加固是针对单个器件，通过工艺方法、器件结构和电路结构的改进， 提高器件抗单粒子效应的能力。对于不同的器件，采取不同的加固方法，此处仅 第二章研究背景 做一简单的介绍。s r a m 采用去耦电阻、动态去耦器件、三重阱结构、掩埋层等， 可提高其抗单粒子翻转能力【3 7 1 ；c m o s 器件采用双阱工艺，减小栅氧化层厚度 和外延层厚度，增) ) l l p 阱和n 型衬底的掺杂浓度等措施，可提高其抗单粒子闭锁能 力。s o l 技术生产的器件不会发生s e l ，这也是目前一个研究热点【2 6 1 。 系统级加固 3 8 1 是以整个系统为目标，采取不同的加固措施，保证系统功能的 正常实现。对于软错误，通常采用检错纠错技术、三模冗余技术、控制流检测技 术，以下对这三种技术的原理做一简单的介绍。 ( 1 ) 检错纠错码( e d a c ) 技术，( 如奇偶校验码、h a m m i n g 码) 可以用于检测和纠 正微处理器中由s e u 引起的错误。每个待保护单元的输入连接到一个编码电路， 输出连接到一个译码电路。编码电路负责编码，在数据的信息位即存储单元的数 据位中加入必要的冗余位。译码电路负责解码，经过编码的数据，对其进行检错 和纠错。当译码电路检测到错误但是不能对其纠j 下( 超过编码算法的纠错范围) 时， 由译码器生成一个错误发生信号，以表明有不可纠正的错误产生，供中断控制器 或c p u 等模块处理。e d a c 的实现包括一个编码电路和一个译码电路。微处理器 中的寄存器、寄存器文件和存储器可以使用e d a c 来保护。对于寄存器文件或是 嵌入式存储器，一个时钟周期内只有一个单元被使用，因此多个单元可以共享一 对编码器和译码器。e d a c 的实现会增加电路面积。一方面，冗余信息需要额外 的存储单元；另一方面，相对于冗余位，编译码器引人的面积开销更大。除了增 加面积之外，e d a c 的编码器和译码器会在关键路径上引入延时。e d a c 适用于 同一码字中多位错误出现概率较小的情况，虽然有很多检错纠错能力很强的编码 方式，但是算法更为复杂，在引入更多冗余位的同时增加了关键路径中的延时【3 9 1 。 ( 2 ) 三模冗余( t m r ) 技术适用于处理器各个功能部件，可以将其应用到处理 器的寄存器和存储器进行可靠性增强。三模冗余技术利用了一组元件上同时出错 概率较小的事实。其基本原则是：将所需加固的硬件功能单元增设两个与其并行 操作的相同备份，三个并行操作的相同功能单元的输出连接到一个表决器上，由 表决器按照“三取二”的方法进行多数表决。如果仅有一个功能单元发生了故障， 产生了错误的输出，那么按照“三取二”的表决原则，另两个正常工作的功能单 元的输出就可将发生故障的功能单元的输出屏蔽，得到正确的输出结果【柚1 。 1 2 临近空间大气中子及其诱发的单粒子效应仿真研究 ( 3 ) 控制流检测( c f c ) 技术，s e u 不仅会影响数据处理的结果，还可能影响 指令的执行次序。可靠性微处理器必须进行控制流检测。c f c 的基础是“程序控 制流图“ 和“签名。利用程序的控制流图可以在编译的时候根据一些特殊的算法 计算每个基本块的签名。签名可以嵌入在程序中或是存储在硬件签名比较器中， 作为参考值来验证所执行的程序的顺序。在程序执行期间，由相应的软件机制或 硬件机制计算已执行的每个基本块的签名并将其与编译时计算的参考签名进行比 较，从而检测基本块中的指令执行顺序。c f c 不仅能够检测一个基本块中指令的 执行顺序，而且可以检验各个基本块的执行顺序。规则表达式可以有效地解决这 个问题。若采用硬件比较器进行c f c ，则不仅可以用于实现c f c 确保程序的正确 执行，而且可以检测微处理器和外部存储器之间交换的数据的正确性。采用软件 方法进行c f c 可以通过在基本块的入口处设置签名比较指令实现。硬件方法需要 使用硬件比较器，如看门狗处理器和片上签名比较器。硬件比较器须带一个内部 存储器，用以存储编译时产生的参考签名，通过监控系统总线以检错和纠错【3 9 1 。 对于硬错误，采取硬件备份的方法。系统级加固虽然可以保证系统功能正常， 但它以系统运行速度和有效载荷的降低、功耗的增加、成本的增大等为代价。 2 4 中子通量的半经验模型 中子通量的半经验模型有b o e i n g 模型、w i l s o n 模型，它们都属于以飞行实验 数据为基础的半经验模型，由于较高区域探测数据的缺乏使得模型的推广应用受 到很大的限制。b o e i n g 模型适用范围大约在4 5 1 2k m ，w i l s o n 模型则适用于2 0k m 以下区域大气中子通量的计算。 a t a b e r 【4 l 】等人通过对大量探测数据进行拟合，得出了b o e i n g 经验模型用 来预测不同高度和纬度的大气中子通量。其具体公式如下： 柳犯= 0 3 4 5 9 e 卸。9 2 1 9 唧l o 0 1 5 2 2 ( 1 n e ) 2i n c m 2 * s e e * m e v ( 2 - 1 ) n ( e ) d e = 2 6 e 一1 1 6 如一xe x p - ( o 0 0 6 9 x ) d e n c m 2 * s e e * m ev ( 2 - 2 ) 破一l o ( l a t ) = 0 6 2 5 2e x p - 0 4 61 c o s ( 2xl a t ) 2 0 9 4c o s ( 2xl a t ) + 0 2 5 2 ( 2 3 ) 公式中的n 和代表中子通量，e 为中子能量，x 为高度( 单位为吼2 ) ，l a t 为纬度。 b o e i n g 模型是一个简化模型，它认为大气中子通量主要由高度、地理纬度、中子 能量三个参数决定，并且三个参数相互独立。 f ( r ，o = e x p ( 2 5 0 2 ) 硒l - l o ( 2 5 0 , r ，c ) ( 2 5 ) f ( r ，c ) = ( 五) 厂( r ，c ) e x p ( x 一靠旯) ( 2 6 ) 其中，办- i o “尺，c ) 代表1 一l o m e v 的大气中子通量，x 代表高度( 单位：g c m 2 ) ，r 代表纬度( 地磁截止刚度单位：o v ) ，c 代表太阳活动常数，五、和a 是计算的 中间参数。 2 5b g r 方法简介 目前计算中子诱发电子器件的单粒子翻转比较常用的是b g r 方法，本文在计 算单粒子翻转截面时借鉴了b g r 方法的思路，因此有必要先对b g r 方法做一个 简单的介绍。b g r 方法首先是由z i e g l e r 和l a n f o r d 提出来的伽4 4 1 。这种方法计算 中子诱发的单粒子翻转时，假设所有沉积在敏感体积内的能量，都是由中子和s i 原子发生核反应产生的反冲核沉积的。由于反冲核的能量低(