空间单粒子翻转甄别与定位系统原理样机的设计及试验

赵振栋，陶文泽，李衍存，成 毅，张庆祥，安 恒，全小平，张晨光

(1.兰州空间技术物理研究所，甘肃 兰州 730000；2.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094；3.成都理工大学，四川 成都 610059)

单粒子翻转(SEU)一直是影响空间电子设备可靠性的一项因素，可导致电子设备在轨出现异常，严重时会造成航天器故障。SEU引起的航天器在轨异常和故障难以准确甄别，为了掌握SEU甄别与定位技术、机理及其辐射环境感知能力，更好地了解大容量SRAM型辐照敏感器件的空间应用风险，提高航天器关键电子设备的辐射防护能力，需研制SEU效应甄别与定位原理样机。

结合位置灵敏的硅探测器和SRAM型辐照敏感器件，实现对随机发生的SEU效应甄别提供时间、位置和粒子LET值等信息。硅探测器作为一种常用的粒子探测器，具有结构简单、位置分辨率好、兼容性强等特点，并在实验物理、核仪器和空间环境探测等领域有大量应用[1-2]。SRAM型器件SEU的检测和防护已有大量研究[3-5]，而同时探测辐照敏感器件发生SEU的物理位置和粒子能量、翻转率等特性的探测方法，以及二者之间的关联性研究，在国内外未有相关文献报导。本文提出一种SEU甄别与定位技术方法，研制原理样机，采用波形数字化技术实现多道粒子甄别与能量信号测量，通过数据回读比较法实现SRAM器件翻转逻辑定位检测。

1 SEU甄别与定位探测技术原理

硅探测器与目标器件在垂直方向相互临近安装，粒子入射到硅探测器的位置区域与目标器件逻辑翻转的物理位置对应。一方面，硅探测器被分割为阵列网格，电子学设计多个探测通道，高能粒子撞击到硅探测器的某一网格位置可被探测到；另一方面，目标器件发生SEU的逻辑位置可通过电路检测到。目标器件内部的逻辑位置与器件的物理位置存在对应关系，因此可根据目标器件被高能粒子击中的物理位置获得器件内部的逻辑位置。同时根据硅探测器的能量分辨特性，可获得高能粒子的能量、入射时间。空间高能粒子位置与器件翻转逻辑位置的对应关系如图1所示。当硅探测器获得高能粒子信号后，可获得目标器件内部可能受到高能粒子轰击的逻辑位置，此时这些逻辑位存在发生SEU的可能性，由此可对目标器件的逻辑资源进行检测。

图1 高能粒子位置与器件翻转逻辑位置的关系Fig.1 Relationship between high energy particle physical position and device upset logical position

2 系统总体设计

SEU甄别与定位原理样机由硅探测器和电子学单元组成。硅探测器敏感到入射的高能粒子，产生脉冲信号；电子学单元测量入射到视窗内的有效高能粒子信号，包括粒子能量和入射时间等信息。同时，电子学单元实时巡检SRAM器件逻辑，若发生翻转，可获取SRAM发生翻转的逻辑地址(位置)，即实现导致SRAM发生翻转的入射高能粒子的甄别与逻辑位置定位。通过激光模拟单粒子试验获取SRAM器件物理翻转位置，并与逻辑位置比对。系统信号流如图2所示，其包括硅探测器、前端信号处理电路、偏置电源、二次电源变换电路、信号调理滤波电路、高速A/D转换电路、粒子甄别触发电路、SRAM SEU巡检电路、FPGA配置电路、通信电路等。

图2 系统的信号流图Fig.2 Signal flow of system

3 位置灵敏探测器

如图3所示，样机使用的位置灵敏探测器是硅PIN型的半导体粒子探测器，由北京大学研制。划分为4×4的栅格，按照“Z”字型进行栅格编号，并与16个测量通道逐一对应。各栅格为边长为4.5 mm的正方形，厚度为300 μm。

图3 硅探测器封装视图Fig.3 Package view of silicon detector

为保障栅格单元正常工作在高电压下，设计了半径为0.3 mm的圆角，每个相邻栅格间距为0.1 mm。探测器采用PCB板封装形式，双面镂空，通过金丝压焊，将硅探测器栅格与PCB的焊盘连接。经过测量，硅探测器实际尺寸为4.54 mm，粒子入射位置分辨率由硅探测器尺寸决定，因此粒子入射位置空间分辨率为4.54 mm，达到位置分辨率优于5 mm的指标要求。

4 电子学设计

系统电子学位置灵敏和能量测量的设计路线是：首先经过前置放大器放大，再经过主放调节滤波后通过多道高速A/D转换、运算，结合高速比较器进行粒子触发甄别，实现单粒子的能量和位置甄别运算；目标器件的SEU巡检电路是通过逻辑比较技术判断SEU事件。

4.1 前置放大电路

偏置电源Vbias由探测器的偏压范围决定，本文设计为60 V。由于硅探测器的输出信号非常微弱，对噪声很敏感，所以硅探测器的偏置电源需经过滤波处理，设计了一个π型无源滤波网络，形成一个窄带带通滤波器，中心频带约为75 kHz，带宽范围约为0.6 kHz，滤除开关电源的高频和低频噪声。U1选用JFET输入级的运算放大器，具有低噪声、高带宽的特点。D1为简化的硅探测器，高压反偏后输出电流(电荷)信号，经过积分电路后转换为电压信号，积分时间由R3和C4决定。实用设计电路如图4所示。

4.2 主放和信号调理电路

前置放大电路经过U2组成主放电路，电阻R4=R6=49.9 Ω，作用是高频信号阻抗匹配，防止接大电阻时信号反射；同时U2电路通过CR和RC网络实现脉冲波形的成形，所以经过信号放大、脉冲成型、极零相消后V2点处输出波形的电压范围为0～2 V、半高宽为3～7 μs。然后经过跟随电路和偏置电路，V3点处输出-1～1 V电压，其中VCC_1V偏置电压通过LDO变换而得。关于波形主放和信号调理实用电路如图4所示。

图4 信号主放和调理电路Fig.4 Main signal amplifier and adjust circuit

4.3 多道波形信号寻峰电路

1)高速模数转换单元

一般寻峰测量技术包括峰值保持模拟测量方法和高速ADC波形数字化方法[6]。本系统中粒子信号波形经过前级的放大成型为一个约5 μs半高宽的正脉冲，且如果选用峰值保持方案时，多个测量通道的系统功率会很大。所以选择波形数字化方案，电路要求选用分辨率≥1位、带宽>300 MHz、转化速率>50 MSPS的高速ADC，才能更好地实现寻峰性能(原理样机选用AD9649BCPZ-80[7]设计)。一般高速模数转换器件是差分输入形式，每片ADC的输入级通过差分ADC驱动器AD8138S将单端模拟输入信号转换为差分输出信号。基于高速模数转换器的单通道波形高速采集电路如图5所示。

图5 单通道波形高速采集电路Fig.5 High speed acquisition circuit of single channel signal waveform

2)多道时钟管理单元

高速ADC对时钟非常敏感，主要体现在时钟的低噪声、低抖动和方波方面，本系统选用多片高速ADC，所以设计了一个时钟管理电路，用于扇出多路高性能时钟。系统采用低抖动、高精度晶体振荡器作为时钟源，然后经过一个变压器耦合变换为差分时钟，再通过具有低抖动特性的高性能时钟扇出集成电路和多路差分时钟(原理样机选用CDCLVD1216[8]设计)，多道时钟管理电路如图6所示。

图6 多道时钟管理电路Fig.6 Multichannel clock management circuit

4.4 粒子到达时间及触发电路

粒子到达硅探测器的精确时间也是系统的一个重要指标，用于甄别和分辨某时刻到达探测器的粒子能量。图7为时间触发电路，其触发电路V4与图4中的输出V3对应连接，首先经过一个倍数调节电路，然后该波形电压与数模转换器TLV5638可编程产生的阈值电压经过高速比较器RHR801比较，得到粒子到达的触发标记，并按照本地时间记录粒子到达触发的时间。

图7 时间触发电路Fig.7 Time triggered circuit

4.5 SRAM型器件SEU检测电路

SRAM型器件包括SRAM、FPGA、Soc等，对单粒子较敏感，易发生SEU事件。一般SRAM型器件的SEU检测是基于数据回读比对的方法[9]，本系统SEU目标器件采用SRAM，SRAM的容量不宜选择太大，否则因为逻辑位地址和逻辑位太多而导致回读周期较长。原理样机中选用32k×8 bit的HM62256B(实际空间应用时可选用抗辐照器件，如B7156ARH)，器件开盖裸露出内部晶圆体。根据文献[10]，每次最大读写访问时间为70 ns，所以周期巡检时间T=2.29 ms。由于HM62256B是5 V供电，所以在SRAM的地址、数据和控制端与FPGA之间增加1片电平转换驱动器，实现5 V和3.3 V之间的电平转换。

SRAM SEU检测电路的基本原理是：FPGA以SRAM读写的最大速率向SRAM的地址范围(000000000000000～FFFFFFFFFFFFFFF)中写入循环累加的8位数，然后从SRAM中读出，并与写入的数据进行作差比对。如果出现“1”，则证明某地址下的某个逻辑位发生SEU；如果出现“0”，则证明某地址下的某个逻辑位未发生SEU。最后将检测出差值为“1”的逻辑地址和逻辑位作为遥测数据下传。

4.6 控制与数据处理单元

1)数据采集控制与通信

系统选用单片FPGA BQR2V3000作为主控模块，外围配置Flash、晶振、系统复位电路，主串配置方式。采用RS-422进行数据通信，波特率为115 200 bps。

2)FPGA逻辑编码设计

FPGA逻辑功能设计如图8所示，外部晶振产生的时钟经过FPGA的DCM生成多个模块的激励时钟。SRAM读取模块将接收注入及SRAM数据回读指令，向SRAM配置写入数据，然后巡检翻转时间、地址和位，回读数据后通过FIFO缓存。高速A/D转换电路通过配置控制模块和16个通道的脉冲判读及统计处理，产生的触发时间/峰值经过FIFO缓存，产生的脉冲计数直接送入数据打包和发送模块。FPGA接收高速比较器触发的信号，用于甄别粒子信号的到来，当信号到来时才开始寻峰和时间采集处理。FPGA接收遥控参数，经过DAC模块处理后可修改脉冲触发电路阈值。所有FIFO的数据经过数据打包和发送模块处理，最后通过UART模块实现数据的通信。由于系统具有16个测量通道，且信号需实时高速传输，遥测参数多、数据量大，而RS422以最大速率115 200 bps传输较难实现。考虑到辐照单粒子是随机的，为减小数据传输效率，采取分包传输的策略，包含粒子信息的数据分为遥测包1和遥测包2，SRAM SEU数据分为遥测包3和遥测包4。

图8 FPGA逻辑功能模块设计框图Fig.8 FPGA logic function module design block diagram

粒子信息数据分包传输的具体方法为：如果判断有脉冲触发，则按遥测包1传输，遥测参数包含通道号、脉冲峰值电压、脉冲到达时刻、单位秒时间脉冲计数、总脉冲计数和累积翻转计数；若判断未出现脉冲触发，则按遥测包2传输，遥测参数全填充“0”。SRAM SEU分包传输的具体方法为：如果检测有逻辑位发生翻转，则按遥测包3传输，遥测参数包含翻转时间、地址、位；如果检测没有逻辑位发生翻转，则按遥测包4传输，遥测参数全填充“0”。

5 样机系统测试

5.1 原理样机结构布局

原理样机采用分层设计思路，包含3块电路板，从上往下分别是偏置电压变换电路板、探测器前置放大电路板、后端数据采集与控制电路板。硅探测器安装于前置放大电路板中心位置，机壳盖板设计60°的张角开孔，开孔屏蔽体一直延伸到前端板中心镂孔附近，这种设计可屏蔽高能粒子对开口附近板上其他元器件造成的损伤，并通过反射将入射视窗的粒子能全部打到探测器上，原理样机外观视图如图9所示。

图9 原理样机外观视图Fig.9 Appearance view of principle prototype

5.2 样机指标测试及试验

1)最大计数率及SRAM翻转巡检周期时间分辨率测试

在实验室环境，由信号发生器单次连续触发产生10k个幅值为0.22 V脉冲信号，加载到电子学单元的其中一个输入通道上，测得实际读出也为10k个脉冲计数，如图10所示。

图10 单粒子最大计数率测试Fig.10 Maximum single particle count rate test

向SRAM器件的地址中循环写入累加数，首地址写入0x0000、末地址写入0x7FFF，而比对的首末地址分别为0x0001和0x7FFE，这样就可检出首末地址的时间值，时间差作为整个器件的巡检周期时间。表1列出了SRAM翻转巡检周期的时间分辨率，根据测试结果，确定SRAM器件的巡检周期时间为13.76 ms。

表1 SRAM翻转巡检周期的时间分辨率Table 1 SUE detection cycle time resolution of SRAM

2)质子辐照试验

质子及重离子引起SEU效应在本质上相同，质子直接电离沉积的能量能引起SRAM的SEU效应[12-13]。2020年6月19日，在西北核技术研究所200 MeV质子辐照实验平台上开展了质子能量响应试验，试验分别在10、20、40、60、80、100 MeV能量下进行测试。加速器直接引出的束流能量为60 MeV和100 MeV，其他能量通过铝板减速获得。图11为探测器系统对10、20、40、60、80、100 MeV质子的能谱响应曲线。

图11 10～100 MeV能量范围质子对系统的响应标定Fig.11 Response of system calibration by proton with energy in range of 10-100 MeV

通过上述数据，可得到质子各能量对应的峰值及对应的道址，结合硅探测器系统标定数据，可得到探测器中质子LET值的试验值(图12)。由图12可看出，低能质子LET值试验值与理论值的差异较大，高能部分差异较小，这可能主要是因为低能部分质子是通过高能质子降能得到的，降能之后质子能量离散性较大，导致能量测量与实际值差异较大。本试验验证了系统可测量的最低LET值达到6.06×10-3MeV·cm2/mg，远低于1 MeV·cm2/mg。

图12 系统在10～100 MeV能量质子的LET值Fig.12 LET value of test system with proton in energy range of 10-100 MeV

3)激光模拟单粒子试验

脉冲激光在器件单粒子效应研究中具有广泛的应用，可用激光诱导模拟单粒子试验[14-15]。本次激光模拟单粒子试验在兰州空间技术物理研究所完成，试验装置的参数设置为：脉宽，30 ps；波长，1 064 nm；能量，10 nJ。激光模拟SEU测试记录列于表2，试验结果包括翻转时间、地址和翻转位以及累计翻转次数，其验证了SRAM器件SEU检测功能有效。

表2 激光模拟SEU测试Table 2 Test of laser simulating SEU

6 结论

本文设计了一种SEU甄别与定位系统原理样机，可用于空间电子产品元器件的在轨SEU检测应用。通过分析设计、测试和试验得到空间SEU甄别与定位系统原理样机的技术指标为：可探测高能粒子的LET值，≥6.06×10-3MeV·cm2/mg；入射粒子的位置分辨率，优于5 mm；最大计数率，>10 000 s-1；SEU巡检周期时间分辨率，13.76 ms。原理样机可用于SRAM型辐照敏感器件的SEU甄别与定位技术的机理研究，以及为辐射环境感知防护能力提供工程技术支撑，也可转化为工程型号产品。