诱发单粒子效应的空间辐射环境

曹 洲，薛玉雄，把得东，安 恒，石 红，杨生胜

(兰州空间技术物理研究所，真空低温技术与物理重点实验室，甘肃兰州730000)

1 引言

卫星电子系统和设备中采用的电子器件和集成电路在空间辐射环境中由于高能质子和重离子的作用而诱发单粒子效应。诱发电子器件和集成电路发生单粒子效应的空间辐射环境主要有两个来源，一个是地球磁场捕获的高能重离子和质子，另一个是来自宇宙空间的瞬时高能重离子和高能质子。地球磁场捕获的高能质子主要分布在近地空间范围内，甚至延伸到处于低高度的南大西洋异常区300～1 200 km。宇宙空间瞬时高能重离子的主要成份是银河宇宙射线重离子和太阳粒子事件(SEP)中的高能重离子，宇宙射线重离子的空间通量是随时间逐渐变化的，与太阳粒子事件中的高能重离子的变化相比较，其变化是比较缓慢的。宇宙射线重离子的元素成份几乎包含元素周期表中的所有元素。宇宙射线重离子的能量和成份分布与太阳活动的11年周期也密切相关，在接近太阳活动最小年时，宇宙射线重离子的能量和通量达到峰值。空间的瞬时高能质子主要来自于太阳粒子事件(SEP)，太阳粒子事件是指太阳在短时间内的能量粒子喷发，太阳粒子事件爆发的典型时间一般为几个小时或几天，事件发生的频率随着太阳活动周期的变化而变化，在太阳最小年期间，每年可能发生几次太阳粒子事件，而在太阳活动最大年时，每年可以发生上千次太阳粒子事件。太阳粒子事件中喷发出的高能质子和重离子对高轨道卫星，尤其是导航通讯类卫星构成严重威胁，会诱发卫星电子设备中集成电路或器件发生单粒子效应，从而造成系统故障或任务的失败。

2 辐射带中的高能质子

带电粒子由于地磁场的作用而被捕集在地球周围形成辐射带，亦即范艾伦辐射带［1－3］。辐射带从低地球轨道横跨到地球同步轨道，辐射带中主要捕集的带电粒子为能量达到几兆电子伏的电子和能量到达几百兆电子伏的高能质子。但只有高能质子可以在星载电子设备和器件 (如FPGA)中诱发产生单粒子效应。地球辐射带高能质子主要分布在内辐射带内，其能量处在几兆电子伏到几百兆电子伏的范围内，通量峰值范围很宽，从150～250 MeV的能量范围内，其通量值均很高。另外，由于地磁场轴线和地球自转轴没有重合，在南大西洋异常区内存在通量密度异常高的高能质子。

2.1 太阳同步轨道卫星的质子通量分布

在计算辐射带中高能质子入射到卫星电子系统中的累积通量时，采用AP8模型和地磁场模型。该模型计算的不确定度系数为2，该不确定度对长期平均计算而言，一般计算的平均时间要在半年以上。由于太阳活动的影响，卫星电子系统可能在某一天所接受到的高能质子入射通量比计算结果高出2～3个数量级。目前计算质子通量分布的软件包都基于AP8模型和地磁场模型，如美国辐射协会推出的space radiation软件包和ESA推出的OMERE软件包。

如图1所示给出了太阳同步轨道3年寿命卫星的质子通量分布，其中轨道高度为980 km，轨道倾角为90°。计算采用 space radiation软件包，质子能量范围为 0.1～400 MeV。从计算结果可以看出，卫星在该轨道运行3年，单位面积上可以接受1×1015个质子(能量大于0.1 MeV)的照射，如果考虑到AP8模型的不确定度，则单位面积上将有高于2×1015个质子照射。

图1 太阳同步轨道(980 km，90°)质子积分通量谱

如图2所示给出了低地球轨道1年寿命卫星的质子通量分布，其中轨道高度为800 km，轨道倾角为98°。计算采用OMERE软件包，质子能量范围为0.1～300 MeV。从计算结果中可以看出，卫星在单位时间内单位面积上可以接受2×104个质子(能量大于0.1 MeV)的照射，另外，计算中选取不同地磁场模型时，结果有一定差异。

图2 低地球轨道(800 km，98°)质子积分通量谱

2.2 南大西洋异常区高能质子分布

由于地磁场的异常分布，其中在辐射带内带的边缘存在带电粒子异常分布区—南大西洋异常区［4－6］。在南大西洋异常区内，辐射带内带的边缘降低到较低的地球轨道范围内。南大西洋异常区在轨道高度低于800 km、规道倾角低于40°以下的区域内，图3(a)、(b)分别给出了南大西洋异常区内500 km高度处能量高于50 MeV的高能质子通量分布轮廓图和440 km高度处能量大于34 MeV的高能质子通量分布轮廓图。

图3 南大西洋异常区质子通量分布

众所周知，地球磁场在不断的变化。由于地磁场的移动，南大西洋异常区位置也在慢慢移动。实验观察结果表明，异常区位置每年以0.3°的速度向西方向漂移。这样一来，在开展低地球轨道卫星电子设备和系统抗单粒子效应评估试验时，必需在环境分析计算中考虑南大西洋异常区位置的变化。

3 银河宇宙射线重离子

银河宇宙射线来源于太阳系以外，一般认为，在整个行星际空间其分布是各向均匀的。银河宇宙射线成份中98%是高能质子和重离子，电子和其它粒子只占2%。银河宇宙射线重离子的能量在几十兆电子伏以上，最高达到1012MeV;在轨卫星测量表明，银河宇宙射线重离子在太阳系内其强度分布峰值处的能量约为1 GeV。在占银河宇宙射线98%的高能质子和重离子中，其总数的87%为高能质子，12%为α粒子，其余的1%为电荷数为3～92重离子。如图4所示给出了银河宇宙射线重离子相对丰度分布，从图中可以看出，α粒子、碳离子、氧离子和铁离子具有较高的相对丰度。银河宇宙射线重离子是诱发星载电子设备发生单粒子效应的主要因素之一，特别是相对丰度较高的铁离子，其具有较强的穿透能力和高LET值，是在地面开展单粒子效应模拟试验及加固评估中必须考虑的重要离子成份。根据银河宇宙射线重离子相对丰度分布的特点，在单粒子效应模拟试验及加固评估中一般根据加速器和模拟源特点，选取在穿透能力和LET值方面与银河宇宙射线重离子相当的加速器离子或模拟源粒子开展试验评价与研究工作。

图4 银河宇宙射线丰度分布

卫星测试数据表明，能量低于1GeV的银河宇宙射线重离子其强度随能量的变化受太阳活动周期(平均周期为11年)的影响;也就是说，太阳活动对银河宇宙射线重离子的强度分布有一定的调制作用。当银河宇宙射线重离子进入太阳系后，受太阳风的作用，其强度有一定的衰变。银河宇宙射线重离子的这种衰变在太阳活动最小年时达到最大，而在太阳活动最大年时为最小。太阳活动周期对银河宇宙射线重离子的这种调制作用是长寿命航天器卫星电子设备单粒子效应模拟试验及加固评估中必须考虑的重要因素之一，尤其在火星探测和太阳系外探测航天器的电子系统及设备设计方面必须考虑这种动态的变化特性。在太阳和银河宇宙射线重离子成份中，存在一种反常重离子成份，这种反常重离子是一种单电荷的不同元素的带电粒子，而通常所说的太阳和银河宇宙射线重离子几乎是由全电离的不同元素带电离子组成。

银河宇宙射线重离子行星际空间分布特性的描述模型有SPACE RADIATION模型和CREEAM96模型，如图5所示分别给出了在太阳最小年和太阳最大年条件下，CREEAM96模型计算的银河宇宙射线重离子LET谱。在太阳最小年情况下，同一LET值下的银河宇宙射线重离子通量比在太阳最大年情况下高出近半个数量级。

图5 银河宇宙射线重离子LET积分谱(Z=1～92)

4 太阳粒子事件的高能质子和重离子

有关研究表明［7－10］，太阳粒子事件一般有两个主要的类型，一种类型的持续时间为几个小时，这种类型的太阳粒子事件中高能电子通量比较高;另一种类型的持续时间为几天，这种类型的太阳粒子事件发生时，测定的高能质子通量比较高。人们通过各种卫星携带的高能质子测量设备的测试和分析，建立了太阳粒子事件的高能质子模型，如美国喷气推进实验室(JPL)提出的 JPL－1991太阳质子事件模型［7］，该模型已被许多空间辐射环境计算软件所集成，如工作计算中采用的SPACE RADIATION软件包中就集成了JPL－1991太阳质子事件模型。如图6所示给出了利用相关软件计算的在同步轨道15年期间内，太阳粒子事件中的高能质子积分通量谱。从图中可以看出，不同置信度下给出的同一能量下的积分通量不同，随着质子能量的增高，这种差别越明显。从图中也可以明显看出，在置信度为95%情况下，能引起单粒子效应(如锁定和烧毁)能量大于30 MeV的质子积分通量为8.21×1010cm2。而在置信度为90%情况下，能引起单粒子效应(锁定和烧毁)质子能量大于30 MeV的积分通量为5.01×1010cm2。

图6 太阳粒子事件质子积分通量谱

太阳粒子事件产生的高能重离子成份包括元素周期表中的所有元素［11－13］，如图7所示，在同步轨道15年期间内，太阳粒子事件中的高能重离子LET积分通量谱。计算采用CREAME96软件包，计算中给出的是从氢到铀的所有成份的积分LET谱，强度分布是在一个事件周期内的平均值，如最坏天平均值、最坏周平均值和峰值平均值。在CREAME96和SPACE RADIATION计算软件中，依据的计算模型是1989年太阳粒子事件模型，应该注意的是，在1989年太阳粒子事件模型中没有给出高能重离子计算结果的不确定度系数。

图7 太阳粒子事件重离子积分通量谱

5 总结

对诱发电子器件和集成电路发生单粒子效应的空间辐射环境进行了总结，指出辐射带中的高能质子、银河宇宙射线重离子和太阳粒子事件的高能质子和重离子是主要环境因素。对地磁场捕获的高能质子，采用基于AP8模型和地磁场模型的计算软件，计算低地球轨道高能质子通量的分布情况，如太阳同步轨道卫星在轨运行3年后，单位面积上可以接受到高于2×1015个质子的照射。也对南大西洋异常区高能质子的分布情况作了说明。对银河宇宙射线重离子，通过计算结果的比较分析，明确太阳活动周期对其的影响程度。分别计算地球同步轨道太阳粒子事件中的高能质子积分通量谱和高能重离子LET积分通量谱，并对不同置信度和不同平均值下给出了结果。

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