消除不确定性：MPTB试验对COTS器件翻转率预估的影响

在空间单粒子翻转率预示分析研究的不断发展过程中，结合空间单粒子翻转率在轨实测数据的分析，人们也研究了预测数据和实际测试数据之间的差异，这种数值上的差别在某些特殊情况下甚至达到数量级以上，为了明确造成这种差别的原因，人们开展了相关研究，明确了一些造成这种差异的不确定性因素。这些不确定的主要因素包括：①空间辐射环境模型中包括的动态辐射环境描述信息不全面，如离子的动态微分能谱和积分能谱分布并不完善；②计算过程涉及的离子与材料相互作用模型不完善或不适合，例如描述离子电离径迹的模型应用不正确；③测试获得的翻转截面数据并不十分完全和准确，例如一般都没有包含与器件工作状态及离子入射角度等相关的翻转截面的地面测试数据，这可能与空间的实际情况具有一定差异；④商业化器件（COTS器件）或部件的应用为翻转率准确预测带来了很大不确定性，这是由于COTS器件之间的辐射响应会有很大的变化；⑤测量实践获得的相关数据的充分性不足，比如我们在空间和地面测试中使用了不同的软件和不同的部件，难以通过比对分析明确单粒子翻转率计算中存在的某些不确定因素等。

为了确定单粒子翻转率计算中的某些不确定因素，针对辐射效应，特别是单粒子翻转效应，科学家和工程师们开展了专门的空间飞行试验与测试研究，如美国发射的化学释放与辐射效应综合卫星CRRES及微电子与光电子器件试验测试（MPTB）卫星等。其中，MPTB试验项目的目标之一就是通过消除上述的一些不确定性来识别单粒子翻转率预估分析中引入误差的主要来源。下面介绍MPTB试验概况，首先，MPTB试验项目对空间中的离子谱进行连续性监测，以消除环境中的不确定性。其次，为了将COTS器件的可变辐射响应问题降到最低，在空间和地面测试中使用了同一批次制造的相同器件（这并不意味着辐射响应没有差异，不过是将这种响应差异做到最小化）。最后，预期应用于空间的电子器件和集成电路被安装在与地面测试相同的板上进行地面试验测试，并且在两种情况下使用相同的测控与应用软件。MPTB试验采取的这些措施使得将翻转率数值的误差来源缩小到辐射环境的错误模型或者是使用COTS器件的原由成为可能。同时，该试验结果可用于评价COTS器件在翻转率预估中引入的不确定性。

MPTB试验中包括了许多的测试器件，诸如，静态存储器（SRAM）、微处理器、模/数转换器（ADC）、人工神经网络、光纤数据总线等电子器件和集成电路。试验中选择器件的依据之一是未来的特殊空间任务可能对这些器件具有可能的需求，另外，对辐射响应表现出异常特征的一些器件也被选作测试样品器件。在器件选择方面，从单粒子翻转角度来看，首先应当选择存储器，MPTB试验中选择的两个存储器分别为日立公司（NEC）制造的（4 Mbit×4）DRAM和AMD公司制造的（256×4）SRAM。NEC DRAM是一种商业上的采用塑料封装方式的高密度存储器，该器件在工艺及其他方面没有针对辐射效应进行加固设计；AMD 93L422 SRAM的选择是基于该器件以前曾在CRRES卫星上进行过空间飞行，因此它的数据可以作为当前数据比较的基准点；其次，相关测试表明，该器件的质子诱发单粒子翻转也十分敏感。(www.xing528.com)

MPTB试验卫星所处的辐射环境随时间的变化很大，这是因为其轨道是一个较大倾角（63°）的高度椭圆化（39 200 km×1 200 km）轨道，轨道范围从倾斜到地球辐射带之下，一直延伸到地球同步轨道以外。所以，当航天器沿着这个大椭圆轨道上运行一圈后，电子器件和集成电路将暴露在辐射带中被捕获的质子和电子的强流中，在这里，既有单粒子效应发生，也会出现总剂量损伤；而在该大椭圆轨道的远地点，高能宇宙射线的强度相对较低，在这里主要发生单粒子效应。

上面简述了为了明确单粒子翻转率计算中的某些不确定因素而开展的卫星试验测试，就现阶段人们的认知来说，这些不确定因素包括环境模型的不确定性，试验测试数据的不确定性以及其他综合不确定性等。