(高清版)GBT 42242-2022 空间环境 用于低轨道卫星的商业现货（COTS）器件的辐射效应评估

Commercial-Off-The-Shelf(COTS)partsforuseonlow-orbitsatelCommercial-Off-The-Shelf(COTS)partsforuseonlow-orbitsatellite,MOD]国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会I Ⅲ 1 1 14缩略语 3 45.1概述 4 45.2.1器件选择 45.2.2COTS器件评估 45.2.3评估的方法 4 45.3空间辐射环境预测 55.3.1空间环境 55.3.2空间辐射环境模型 55.3.3输入参数 55.3.4评估所需的环境条件 5 6 66.1.1钴60(伽马射线)辐照试验 66.1.2质子辐照试验 66.1.3重离子辐照试验 66.1.4激光脉冲辐照试验 66.2辐射敏感器件 6 66.2.2单粒子效应敏感器件 66.2.3位移损伤敏感器件 6 66.3.1电离总剂量试验 66.3.2单粒子事件试验 6 7 7ⅡGB/T42242—2022 7附录A(资料性)结构编号对照一览表 8附录B(资料性)本文件与ISO21980:2020技术差异及其原因 附录C(资料性)抗辐射设计程序 附录D(资料性)总剂量预测方法 附录E(资料性)使用轮廓图绘制总剂量的辐射方法 附录F(资料性)模型预测值和测量值之间的比较示例 附录G(资料性)电子元器件的辐射劣化 附录H(资料性)单粒子效应概述 27附录I(资料性)电子元器件单粒子事件的应对措施 29附录J(资料性)器件单粒子事件的应对措施 附录K(资料性)位移损伤的预测方法 附录L(资料性)每个器件的位移损伤耐受性 附录M(资料性)半导体器件的位移损伤试验指南 附录N(资料性)激光脉冲辐照试验方法 Ⅲ见附录A。 1本文件适用于低轨道(LEO)卫星用COTS器件辐射效应评估。其他轨道航天器用COTS器件可本文件GB/T30114.2—2014空间科学及其应用术语第2部分：空间物理D2物质接收电离辐射的能量。总剂量totaldose元器件或材料接收到特定点的总的吸收剂量(3.4)。单粒子效应singleeventeffect;SEE单粒子事件由单个高能粒子引起的电路元件故障(软件错误)或锁定等效应。韧致辐射bremsstrahlung由于入射粒子减速而发出的、能量连续分布且最高可达入射粒子能量的光子辐射。太阳耀斑solarflare太阳大气中能量突然释放过程，表现为日面上局部区域某些波段范围内辐射流量突然增强。一组实体(例如光波或粒子)根据常见物理属性(例如波长或质量)的大小进行的排序。辐照试验后因辐射造成的性能退化或产生的缺陷在温度环境或特定作用下产生的一定程度的增加线性能量传输linearenergytransfer;LET传能线密度带电粒子在物质内部单位路径上传输而吸收的能量。剂量率doserate单位时间的剂量(3.5)。重离子heavyion原子数大的电离粒子。非电离能量损失non-ionizingenergyloss;NIEL由入射粒子的非电离引起的能量损失。34TTL:三极管逻辑(transistortra射屏蔽层厚度适当增加，保障器件的功能和性能正常。诸如SHIELDOSE-2、Spaceradiation、FAS-TRAD、SYSTEMA、SPENVIS、SEEAP等程序或软件通常用于估算器件的总剂量。对于不能使用中产生的晶格缺陷。可使用SAVANT、SCREAM、SPENVIS、SYSTEMA等软件或程序计算DD效5.2使用COTS器件的基本思路这样的评估通常有助于确定是否宜使用该器件。器件的评估方法可参考RN5自然空间辐射环境来源可分为3类：表1列出了辐射粒子的最大能量。数百MeV银河宇宙线 b)使用没有裕度的模型设计和评估器件的用途，然 6钴60产生1.17MeV开展重离子辐照试验。开展重离子辐照试验的难度比较大，因此，除非在5.2.4中被认为是必不可少的，否则不作为首选试验方法。重离子辐照试验可用于开展COTS器件的TID、SEE、DD等效应的二极管、场效应晶体器件宜重点关注SEB、SEGR等，超大规模CMOS集成电路宜重点关注SEU、开展TID试验以评估COTS器件在任务周期由于辐射效应而累积的退化量。试验方法可参考开展SEE试验以评估高能粒子(例如银河宇宙线和捕获的质子)对COTS器件的影响。试验方法78ISO21980:2020结构编号1122334455669ISO21980:2020结构编号— 7 (资料性)表B.1给出了本文件与ISO21980:2020的技术差异及其原因的一览表。表B.1本文件与ISO21980:2020技术差异及其原因原因1修订为：“本文件给出了航天器用商业现货(COTS)器件的电离总剂量效应、单粒子效应和位移损伤效应的评估方法。本文件适用参考使用。”3GB/T37834界定的”原文中的定义为解释性语句，不是“注量”的定义增加了常用单位，去掉了解释性语句原文中的定义为解释性语句，不是定义去掉了解释性语句，使定义更加容易理解和的现象。现实中，除了给予一定的热之外，只要移除辐射(辐照)环境，常温或者给予一定的其他辐照也可引起辐射损伤发生一定程度的变化，可能是增加，也可能是减少以中国化的语言更容易理解增加了术语“商业现货(COTS)”确定的市场价格进行销售或交易的产品，更为确切4增加了缩略语“MBU”“SEFI”“SEE”“NIEL”,修订了SOA的错误，由“systemMBU、SEFI、SEE、NIEL是常用的缩略表B.1本文件与ISO21980:2020技术差异及其原因(续)原因增加了Spaceradiation、FASTRMA、SPENVIS等常用软件或程序来增加了可利用Spaceradiation程序或软件估算SEU和SEL;伤效应说法进行重新编写，分为辐射带、太阳宇宙料的TID试验。”因为除了SEE试验之外，钴源也不能用于DDTID试验行LET不小于25MeV·cm²/mg的试验。”有源区，否则，宜使用加速器开展重离子辐照试验。”原文中的镧(256)错误。应为镧(252),一般称(252),镧源的射程约为10μm,不足以穿透多“可使用脉冲皮秒激光器辐照对SEE进行定性评估”一方面，脉冲激光辐照可开展绝大多数种类的增加了“辐射敏感器件”给出了我国目前关注的主要辐射敏感器件种类，便于本文件的使用于评估由质子和离子等进入半导体引起的DD,电子和中子引起的DD试验可参照使用。”在空间环境中，造成位移损伤的主要环境为质7增加了“辐射效应评估建议”订为“或在没有数据时进行质子或中子辐照试验”剂量件度数据是附录H概述了单粒子效应。附录J描述了针对设备SEE的措施。否是是否是结束否确认所选器件的辐射耐受性数据(或在没有数据时进行质子或中子辐照试验),用该数据与质子谱附录L描述了每个设备对位移损伤的耐受性。质子注量质子注量任务周期轨道条件任否是NIEL值器件测试(防护厚度检测等)否是否满足要求是是(资料性)够了。总剂量计算结果通常由防护罩厚度(深度)与吸收剂量之间的关系(即剂量深度曲线)提供。图图D.2剂量深度分布曲线(示例)D.2总剂量预测模型D.2.1总则可将以下两种方法视为用于计算组件接收的实际辐射剂量的预测模型。该预测模型的目的是在将复杂屏蔽的材料和构型假设为简单形状(例如球形外壳或平板)的情况下，获取屏蔽厚度与总剂量(即剂量深度分布曲线)之间的关系。此外，其目的还在于直接获得通过使用屏蔽层厚度和表面密度计算出的总剂量。D.2.3三维模型该预测模型的目的是获取从目标(即总剂量的计算点)观察到的每个方向上的屏蔽厚度的分布，并使用该计算值来获取总剂量。D.3简化方法D.3.1总则在计算剂量深度曲线时，将结合空间的屏蔽效果计算代码使用3种类型的屏蔽材料构型(即实心球基本模型，并通过D.2.2中指示的计算方法获得。但是，由于实际的屏蔽结构在许多情况下都接近平大。在很多情况下，屏蔽材料的结构是板状或类似盘状。因此，当使用简化方法计算辐射吸收剂量该模型可用于更准确地计算组件和材料的总剂量。实心球模型和半无限平板模型很简单。然而，航天器中使用的组件和材料的总剂量会根据周围环境的条件(例如安装位置等)而变化，并且实际的屏蔽构型很复杂，不一定与这些条件结合使用。因此，为了更准确地计算总剂量，需要获取以目标为中心的每个方向的质量分布。该模型将质量分布转换为标准材料的屏蔽层厚度，使用实心球模型的剂量深度分布曲线计算每个方向的吸收剂量，然后对所有立体角的值进行积分。见公式(D.1)。D——目标的吸收剂量；D[t(θ,φ)]——屏蔽层厚度为t(0,φ)时实心球模型的吸收剂量；θ——经度方向：φ图D.4给出了航天器质量分布的概念图。GB/T42242—2022(资料性)使用轮廓图绘制总剂量的辐射方法图E.1～图E.6描绘了使用NASA辐射带模型AE-8/AP-8和采用太阳极大值和太阳极小值时的(铝厚度2mm～4mm)SHIELDOSE-2剂量计算工具在进行一年任务时太阳极大值和太阳极小值圆形轨道高度(km)和轨道倾角()的总剂量轮廓图。图E.1铝厚度为2mm时的总剂量轮廓图(太阳极小值)图E.2铝厚度为3mm时的总剂量轮廓图(太阳极小值)图E.5铝厚度为3mm时的总剂量轮廓图(太阳极大值)图E.6铝厚度为4mm时的总剂量轮廓图(太阳极大值)(资料性)使用2002年2月发射的“Tsukuba”(MDS-1)卫星的总剂量测量数据发现模型预测高估了2mm~4mm铝厚度的总剂量，这是在一个高度偏心的轨道即2002年—2003年的地球静止转移轨道(GTO)上飞行的。小剂量计使用安装在卫星中几个实验模块中的56个RADFET,通过小剂量计测量总剂量。在4个半球形铝屏蔽圆顶(DOS-S)的每个中心安装了8个RADFET,铝的厚度分别为0.7mm、3mm、6mm和10mm。RADFET传感器盖的铝厚度为1mm,总铝厚度分别为1.7mm、4mm、7mm和OSE-2和太阳质子JPL-1991模型(置信度为75%)进行比较。该模型计算被认为高估了GTO在100d～200d后厚度为1.7mm～4mm的防护罩中的总剂量(大致相当于700kmLEO在5年～10年后的总剂量)。该结果可能反映了COTS的广泛使用(尽管厚度大于7mm的防护罩的飞行数据显示的总剂量比YYMD(资料性)变化趋势电流放大系数减小增加增加增加增加减小减小增加减小传播延迟时间增加增加I/O泄漏增加增加驱动能力减小传播延迟时间增加(反熔丝型)增加减小传播延迟时间增加(资料性)当带电粒子(例如高能质子、He离子或重离子)进入电子组件时，粒子将沿着粒子传输的径迹电入射会扰乱相邻的多个单元发生翻转，称为多单元翻转(MCU)。MCU的使用与MBU的使用不同，SET是在线性IC和逻辑电路(例如光半导体器件，OP放大器和比较器)中产生的非破坏性行为。SEL主要在CMOS结构的器件中生成。晶闸管结构具体包括在CMOS结构中。晶闸管根据由高SEB主要在特定的功率晶体管中产生，由高能量的带电粒子入射到功率MOSFET结构中包含的目标设备模拟IC(例如比较器、运算放大器、调节器、驱动器IC、ADC、DAC)、逻辑电路、高速光电耦合器、高速MPU、高速功率MOSFET器件没有寄生晶闸管，因此不会发生SEL。还可抑制所收集的电荷，从而有效地提高了SEU耐在诸如运算放大器和比较器之类的线性IC中产生的SET的影响随器件的工作条件而显著变中不宜施加较大的反向偏置。为了采用功率MOSFET,有必要针对SEE验证SOA,并根据系统要求a)使用纠错码或EDAC电路纠正由SEU引起的错误。如果由于设备的结构而可能发生a)使用纠错码或EDAC电路纠正由SEU引起的错误。如果由于设备的结构而可能发生(资料性)△P(E)=K×N(E)×φ(E)其中，N(E)为粒子相对于P的退化提供了能量。需要实验确定图K.1一些文献中给出的硅的NIEL值退化预示损伤(损伤因子)质子试验电荷传输效率(CTE)下降，暗电流增加极易受到位移损伤的影响；响应速度下降暗电流增加耐受性随应用而变化；光电晶体管容易受到位移损伤的影响：增加电流阈值(激光二极管)位移损伤的影响相对较低；LED、激光二极管的耐受性比激光小；两性掺杂的LED的耐受性较小CTR退化对辐射的响应很复杂；耐受性会随着目的和应用而发生显著变化；使用光电二极管的光电耦合器具有最高的耐受性；使用光电晶体管的光电耦合器的耐受性较小Si双极晶体管，线水平型PNP晶体管耐受性小；高耐受性异质结·工作频率为1MHz或更高的光耦合器需要对SET进行检查伤的影响在评估CTR时，应根据应用情况进行考虑。对于数字光耦合器，应在整个波长范围内评估双极晶体管具有较高的抗位移损伤能力。但是，模拟双极性IC往往会遭受位移损伤。即使线性IC的耐受性根据工艺和器件设计而发生显著变化，但已知包括水平型PNP晶移损害最大，此类线性IC在输入电流较低时使用水平型PNP晶体管部分的耐受性可能较小。在要求和DD试验结合使用。在这种情况下，将质子试验应用于TID试验标准(MIL-STD8831019、质子通量由任务持续时间、卫星轨道、辐照设施的限制(例如能量、通量)和其他因素(参阅响被提及为耗尽层中产生的载流子产生的暗电流增加以及由于少数载流子寿命变差而导致的响应变M.2.5.4发光元件光电耦合器是由LED(光源),光电探测器和光耦合器组成的混合模块，广泛用于电气隔离电路。光电耦合器的重要参数是CTR,表示为LED正向(驱动)电流与光电探测器集电极电流之比。给定各大程度上取决于设计和应用。光耦合器也受总剂量或SEE的影响。除了位移损伤外，还有必要考虑SET在高速(1MHz或更高)下使用的光耦合器中的影响光耦合器的CTR劣化主要取决于LED对位移损伤的耐受性。IC的容差根据工艺和器件设计而显著变M.3试验程序示例图M.1给出了LED的试验程序和试验流程示例。由于假定质子能量和能量密度，在实际的DD试验中宜格外注意：f)偏置条件：所有引脚接地的情况下照射试验样品；j)退化预测方法：NIEL方法。开始开始设置结束图M.1DD试验流程图b)确定控制逻辑和记忆单元不适的相对易感性(例如起始能量);将评估板安装在FPL系统的物镜下方。将评估板放置在物镜下方，使其与相机系统和激光束重N.4激光能量的LET转换LET相联系以用于单粒子翻转。对于在吸收率f(λ)和密度p的硅中深度x处吸收能量E的激光脉冲的有效等效LET,见公式(N.1)。exposureofnon-metallic[4]ISO11137-1:2006,Sterilizationofhealthcareproductsfordevelopment,validationandrout[5]ISO20998-1:2006,Measurementandcharacterizationof[6]RNC-CNES-Q-60-516“Partsriskcontrol”[7]VetteJ.I.TheAE-8Tra[10]FeynmanJ.,RuzmaikinA.,Berdichevskyupdate,JASTP,64,1679-1686,2[11]TylkaA.J.etal.,CREME96:ARevisionoftheCosmicRayEffectsonMicro-ECode,IEEETrans.Nucl.Sci.,44,2150-2160,19[12]SeltzerS.M.,UpdatedCalcSHIELDOSE-2,NISTInteragency/[15]MIL-STD-883TM1020.1,Doser[16]MIL-STD-883TM1021.3,Doserateupsettestingofdigitalmicrocir[17]ESCC25100,SingleEventEffectsTestMeth[18]Kimo