太空環境下的COTS電子器件抗輻射測試需要予以重點關注

商用現貨（COTS）設備因其經過驗證的可靠性、成本效益，以及在尺寸、重量和功率（SWaP）方面的優化，其對於太空系統設計人員越來越有吸引力。隨著COTS設備在太空系統關鍵任務功能的應用日益廣泛，太空輻射對COTS電子設備帶來的風險需要予以關注。

輻射是一種電磁波或移動亞原子粒子的能量發射。在我們日常生活中，我們會遇到許多類型的輻射，包括聲、光、無線電波和無線信號等。儘管這些輻射通常都是低能量和無害的，但還是有些較高能量的輻射通過電離過程可引起材料損壞。電離輻射可在輻射通過的物質中產生帶電粒子。這些帶電粒子對半導體帶來威脅。

儘管地球上電離輻射的天然來源非常少，但近地空間電離輻射有兩個主要來源。地球附近的主要輻射源是太陽。近地空間的第二個主要輻射源是來自太陽系外的星系宇宙射線（GCR）。在太空中，電離輻射通常採用由質子、電子和重離子組成的高能量粒子的形式。這些顆粒的能量級強度範圍可以從千伏電壓到千兆伏電壓。源自太陽活動和GCR的質子被在范?艾倫輻射帶被捕獲——由地磁場約束高能粒子形成的特定區域。在范?艾倫輻射帶中被捕獲粒子中也發現了電子。源自太陽活動和GCR的重離子基本上是被剝離電子的原子核。

太陽活動，如太陽耀斑和日冕的塊狀噴射，可增加地球附近的輻射量並影響近地太空飛船遇到的輻射量。另一方面，太陽風——從太陽上部氣氛發出的帶電等離子體的水流可以將地球與GCR屏蔽，並減少地球附近的輻射量。

通常來說，最大的太陽活動和最小的太陽活動之間的周期是11年：七年的最大太陽活動可以增加范·艾倫帶中被捕獲的質子群體，但將地球從GCR中屏蔽，其次是四年的最小太陽活動，可減少范·艾倫帶中被捕獲的質子群體，同時也減少了GCRs的屏蔽（圖1）。

影響太空飛船面臨的輻射量的其他主要影響是飛船的軌道或軌跡。與范·艾倫帶和地球磁場相關的飛船軌跡可以對其經歷的輻射強度產生重大影響。

圖1：磁場渲染和范·艾倫帶

輻射對半導體材料的影響

當集成電路被電離粒子穿透時，粒子能量沉積在集成電路的半導體材料中。當大量的電離粒子隨著時間推移通過集成電路半導體材料時，沉積能量可損壞晶體結構，並影響半導體材料性能。累積的損壞是總電離劑量（TID），並用Rad或Grays（Gy）來測量。

如果單個電離粒子通過半導體材料，並在電路的有效區域中沉積足夠能量，那麼產生的結果可能對集成電路運行帶來即時的不良影響，這被稱為單事件效應（SEE）。現代電子組件中的單事件效應包括單事件故障（SEU）、單事件閉鎖（SEL）、單事件瞬變（SET）、單事件燒壞（SEB）和單事件門破裂（SEGR）。

單事件故障帶來不良影響

SEU是存儲單元狀態的無意改變。例如，SEU可能導致位觸發，或RAM中的單個位將其值從「」更改為「1」。在SEU之後，不正確的位值可能會影響單元的運行，這要具體取決於其正用於何種用途。該位值可通過正常操作重新複位。

當電離粒子在集成電路半導體材料中產生意外路徑使電流流動時，就會出現SEL。這種自維持電流路徑接通的寄生雙極晶體管產生，並表現為電路汲取的電流的增加。它可能影響電路的功能。這種增加的電流可能導致電子組件的過度散熱，並且如果SEL不通過集成電路的電力循環來減輕，則可能導致永久性損壞。

利用COTS設備減少太空輻射

那麼問題來了：可以或應該做什麼來減輕SEEs？通常來說，太空運行的系統需求是一個特定的可靠性水平，確保系統實際上將在輻射環境中運行。歷史上，設計用於太空的系統在設計階段考慮了輻射環境。然而，對太空輻射環境中使用的COTS設備進行修改時，並不總是這樣。首先，系統集成商應確定所使用設備是否滿足輻射環境要求。如果沒有，可以使用冗餘或額外的屏蔽來提高可靠性。然而，這種方法將導致可能破壞其他要求的質量增益。

案例：測試COTS數據採集系統

柯蒂斯-萊特公司的Acra KAM-500數據採集單元（DAU）是COTS硬體獲得太空輻射環境運行資格的一個例子。對DAU中使用的許多不同的KAM-500模塊進行測試，以表徵它們對SEU和SEL型擾動的敏感性。KAD/ADC/141/PT100 KAM-500模塊是一個16通道RTD型感測器模塊，提供恆定電流激勵並監測PT100感測器的電壓。

2016年5月，該模塊在瑞士的保羅·謝勒研究所（PSI）進行了測試（如圖2）。在測試期間，模塊的整個雙面PCB在運行時暴露於200 MeV質子束中。用於為模塊供電的電壓電流得到監測，並且如果任何電流超過閾值，模塊將自動重新上電。每次模塊被重新啟動時都被認為是SEL型事件。此外，對所連接的PT100感測器（使用精密100歐姆電阻進行模擬）的模塊讀數進行了監測。如果一個或多個頻道顯示超出預期準確度的值，該事件被認為是SEU。

圖2：PSI質子測試設置示例

該模塊暴露於質子束中，其平均通量為3.09E+6個質子/平方厘米·秒到1E+10個質子/平方厘米·秒。在這些暴露中，探測到20個SEL型事件和零SEU型事件。

計算SEL型事件的在軌誤差率

以下示例說明了如何使用Bendel A和品質因數（FOM）方法來估計在軌SEE事件發生率。

·質子誘導翻轉率的例子

Bendel A方法用於評估在國際空間站（ISS）軌道上的KAD / ADC / 141 / PT100模塊中的SEL質子誘導翻轉率。為使用CREME-96（一種預測SEE率的工具）來估計翻轉率，必須確定A參數。這可以通過迭代地求解Bendel A公式來完成，直到發現A的值滿足例如20個事件的實驗結果。為此，首先計算20個事件的橫截面為1E+10個質子/平方厘米的通量。接下來，使用具有不同值A的Bendel A公式計算橫截面，直到實現等於實驗橫截面的截面。這是使用腳本完成的，其輸出表示A值為13.6511854 MeV，導致橫截面為2.000E-9平方厘米。接下來，使用用於ISS軌道的KAD / ADC / 141 / PT100模塊的Bendel A模型，CREME-96用於計算預期的質子誘導翻轉率。

CREME-96中的PUP（質子翻轉）模塊的輸出顯示，KAD/ADC/141/PT100模塊預期每天看到大約2.97040E-03 SEL個事件，或每336.65天一次事件。這些是質子誘發的翻轉，且基於ISS軌道，屏蔽了118密爾的鋁。

·重離子誘發翻轉率的例子

FOM方法用於評估在ISS軌道上KAD/ADC/141/PT100模塊中SEL的重離子誘導翻轉率。首先，通過假設200 MeV測試結果表示器件的極限質子橫截面來計算KAD/ADC/141/PT100模塊的FOM。接下來，需要使用現有組件測試數據來計算ISS軌道的C值。得到的數據表明，由於ISS軌道中的重離子，KAD/ADC/141/PT100模塊每353.44天應經歷大約一個SEL類型事件。

針對單事件閉鎖的緩解技術

在太空使用COTS設備時，了解環境帶來的風險很重要。然後可以制定緩解策略，以最好地滿足任務的可靠性需求，而不會對其他諸如增加系統重量的考慮產生不利影響。

針對SEL事件的一種緩解技術是監測電壓軌上的電流，以檢測電流的峰值，然後僅對受影響的電路進行功率循環。用於SEU事件的技術是持續刷新系統中的所有RAM，以便快速刷新任何錯誤。

通過PCB或系統級的單個高能質子測試，可以對低地球軌道（LEO）太空輻射環境的現有COTS電子元器件進行表徵。這些測試的結果可以指導太空飛船系統設計人員通過詳細的系統設計或單位級重新設計來確定緩解技術的需求，以提高基於COTS的系統的可靠性。

前一個例子是在COTS模塊上進行測試，以使用Bendel A和FOM分析技術來確定軌道上的SEE事件發生率。然後可以使用這些分析獲得的數據來計算在易受輻射環境中達到最低可靠性要求的緩解技術。

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