单粒子翻转率的计算方法

在航天器设计研制中，依据工程设计效费比的需求，需要对电子器件和集成电路的空间单粒子翻转率进行预示分析。我们知道，如果空间单粒子翻转率过高，则增加了电子器件和集成电路空间应用的失效风险，反之，则需要降低电子器件和集成电路单粒子效应的敏感性，从而提高航天器设计研制费用；这就需要对电子器件和集成电路的空间单粒子翻转率作出精确预示分析。在空间单粒子翻转率预示计算分析时，需要了解空间辐射环境特征及器件或集成电路对辐射环境响应方面的基本知识，这些基本知识已在前面几章作了详细介绍。本章主要结合单粒子翻转率计算模型和已广泛应用的相关软件包程序，介绍空间单粒子翻转率计算分析的基本过程和方法，重点介绍基于地面模拟试验测试数据的计算预示分析方法，同时，也介绍一些其他计算分析方法。

在20世纪80年代，在地面试验测试和理论分析研究工作基础上，Pickel和Blandford等人开展了空间单粒子翻转率的计算分析研究，提出了重离子诱发空间单粒子翻转率计算的基本方法，即描述单粒子效应“敏感体积”的长方形平行管道（RPP）模型方法；他们基于提出的RPP模型方法，第一次开发出了名为“宇宙射线诱发错误率”（CRIER）的单粒子翻转率预示分析程序。随后，在一系列理论和试验研究工作成果的基础上，特别是随着对空间辐射环境的进一步认识，美国海军实验室的Adams及其合作者开发出了另一称为“微电子设备的宇宙射线效应”（CRÈME）的单粒子翻转率预示分析程序，并在1985年进行了修改完善，形成了CRÈME86版本。CRÈME计算程序后来被广泛应用于航天工程项目的设计研制中，也被集成在其他相关应用软件包中。CRÈME计算程序与CRIER计算程序基本功能一样，但CRÈME计算程序由于在环境计算分析方面更为详尽而被更广泛地使用。例如在计算银河宇宙射线地球轨道空间分布方面，CRÈME计算程序详尽考虑了地磁屏蔽、空间天气及屏蔽材料特性等诸多因素的影响。在Pickel和Blandford等人提出的空间单粒子翻转率计算方法中，当进行电子器件和集成电路空间单粒子翻转率预示计算时，需要知道器件或集成电路的测试数据和制造工艺参数作为相关输入数据，在最简化计算的情况下，器件或集成电路测试数据至少包括LET阈值和翻转横截面，工艺参数至少需要确定出敏感体积大小，或器件敏感体积深度。制造工艺参数的获取一般可以通过制造商获取，但在工程设计中，有时很难通过制造商获取器件或集成电路工艺参数，这时候就需要通过“反向工程”的办法来获取相关工艺参数信息，以便开展单粒子翻转率的计算分析工作。

1986年，Adams及其合作者第一次基于基本的CRÈME单粒子翻转率预示分析程序，形成了计算功能相对完善的CRÈME86版本的计算程序，后来经过十年多的发展，对CRÈME86版本的计算程序进行了不断地改进和完善，如对CRÈME86版本的计算程序进行重新改写后形成的MACREE计算程序，但后来被广泛应用的空间单粒子翻转率计算程序包是CRÈME96，该程序至今仍被应用在工程设计中，并被集成在许多工业软件包和商业软件中，如美国辐射协会SPACE RADIATION软件包和欧洲ESA开发的开放式商业化软件OMERE等。最初开发的CRÈME计算程序是由FORTRAN语言编写的不同模块组成。例如，其中计算辐射环境的模块可以实现较完备的多环境因素计算分析，可针对任何地球轨道航天器所携带的电子设备中的电子器件和集成电路，计算出其所处航天器位置处的宇宙射线微分能谱、积分能谱及LET谱等，计算中的输入参数涉及行星际空间和磁层空间的天气参数、航天器轨道参数、电子设备周围的屏蔽条件参数等。其他计算模块计算时的输入参数包括了诸如器件特性参数等。在CRÈME计算程序中，有些输入参数包括在输入数据文件中，例如宇宙射线重粒子在半导体硅材料和屏蔽铝材料中的阻止本领和射程以及地磁截止刚度等参数以列表的数据格式包括在输入数据文件中。CRÈME计算程序的输出文件包括离子能量、LET谱和器件或集成电路的空间单粒子翻转率数值。在随后对CRÈME计算程序的不断完善中，值得一提的是Daly等人在计算程序中直接引入了试验中获取的单粒子翻转截面随LET值变化的测试数据及其拟合处理，这样就避免了试验测试上难以获得饱和横截面的难点。

在CRÈME86版本的基础上，CRÈME96版本主要进行了五个方面的改进与完善。第一，对银河宇宙射线模型、反常银河宇宙射线模型及近地环境太阳能量粒子组成进行了修订与完善；第二，优化了地磁传输计算方法；第三，对核输运相关的计算程序进行了优化；第四，对单粒子翻转率计算方法进行了补充和完善，不仅有质子诱发单粒子翻转率计算，而且也包括质子直接电离诱发的单粒子翻转率计算；第五，软件改进了易使用的图形界面及在线使用的方法介绍等。(www.xing528.com)

一般来说，空间单粒子翻转率的计算分析过程主要包括辐射环境、计算模型和试验测试数据应用三个方面，图7-1给出了空间单粒子翻转率的计算分析过程示意。从图中可以看出，计算分析涉及的三个主要过程分别为：第一，诱发单粒子效应的空间辐射环境，即重离子和高能质子环境分布特征及其描述模型，例如空间辐射环境中的重离子LET谱和航天器内部的LET谱分布特征等。第二，单粒子效应计算模型，即重离子和高能质子与电子器件相互作用过程特征及其描述模型，如描述电荷收集基本过程和主要特点的长方形平行管道（RPP）模型。第三，地面重离子和质子加速器试验测试获得的相关数据，如试验获取的集成电路单粒子翻转截面随重离子LET值变化曲线，单粒子翻转截面随质子能量值变化曲线等。

图7-1　空间单粒子翻转率的计算分析过程示意图