本发明专利技术公开了一种太阳质子事件导致航天电子器件发生单粒子翻转风险的分析评估方法，包括以下步骤：S1.建立航天电子器件靶材模型，计算目标器件SEU截面与质子能量关系；S2.分析航天器件在轨质子辐射环境要素，获取探测数据并计算SPE的辐射通量；S3.计算SPE发生过程导致的器件单粒子翻转的度量参数；S4.根据计算结果对SPE导致的SEU风险进行评估分级。采用Monte Carlo方法进行电子器件SEU截面计算，能够准确获得单能质子导致的器件敏感区的非弹性能量沉积事件。本申请能够准确有效地为航天器件的故障排查与信息纠错提供依据，并且能够直接应用于现有在轨航天器。
1、太阳质子事件（spe）发生过程中的高能质子辐射可导致在轨航天器集成电路电子器件发生一系列单粒子效应（single event effect，see)，其中单粒子翻转（single eventupset，seu）发生率较高。航天电子系统的seu是导致航天器异常和失效的重要原因之一。
2、目前在空间天气预报和预警业务中针对电子器件seu风险评估的细分领域，现有方法和标准均不够健全。造成这一局面的主要因素包括：seu现象是空间电离辐射导致靶材中电子激发、转移和收集的综合结果，微观物理机制比较复杂。seu发生概率具有明显的器件工艺结构、辐射环境及防护条件依赖性。另外，航天器运行轨道的局域辐射能谱探测与预测、及其数据融合技术仍有待发展。
3、近年来，随着航天科技、电子技术的发展，卫星发射和运营成本持续降低，在轨卫星的数量大大增加。卫星和航天技术在遥感、导航、通讯等领域的应用也日益广泛。与此同时，星载和航天集成电路向着小体积、低功耗、大容量、高传输与运行速度方向发展，其关键电子器件的单比特状态改变对应辐射能量和临界电荷量有所降低，卫星抗单粒子效应的能力研究变得更为重要。在提高太阳活动中的高能粒子辐射特征的观测水平，逐步准确计算其导致在轨电子器件seu规律的基础上，形成在轨电子器件seu预报和预警业务能力，成为空间天气业务的重要发展方向之一。
>4、在太阳质子事件发生后，依照当前行业对太阳质子事件的分级标准，无法有效评估其导致的航天电子器件单粒子翻转效应的风险。因此难以判断某太阳质子事件发生后，应该对航天电子器件进行何种程度的故障排查与信息纠错。行业急需从太阳质子具体能谱和器件响应物理机制出发的，能够有效地对太阳质子事件导致的器件单粒子翻转风险评估和报警的方案。
技术实现思路
1、针对现有技术以及存在的问题，本专利技术提供一种对太阳质子事件导致的在轨航天电子器件发生单粒子翻转效应的计算分析和风险评估方法。
2、本专利技术采用如下技术方案：
3、一种太阳质子事件导致航天电子器件发生单粒子翻转风险的分析评估方法，包括以下步骤：
4、步骤一：根据航天电子器件数据参数，包括：器件结构、cad信息、材料参数、物理平面尺寸、存储容量以及屏蔽条件，建立器件靶材模型。计算目标器件seu截面σseu与质子能量ep的关系σseu(ep)。积累典型器件信息，建立常规器件在标准防护下的seu截面数据库。
5、步骤二：获取环境要素，主要包括航天电子器件的轨道条件以及轨道附近的事件参数。并分析在太阳质子事件发生时器件轨道的质子辐射环境要素。根据卫星探测器（如ace、goes、soho）数据结合地面中子计数探测数据，计算轨道环境的太阳质子事件辐射通量，获取较宽能量范围的质子通量能谱。
6、步骤三：结合上述器件反应截面、质子的通量能谱，以及器件的尺寸和容量等参数，计算太阳质子事件过程导致的目标器件单粒子翻转的度量参数。
7、步骤四：根据步骤三所述的计算结果，对太阳质子事件导致的seu风险进行评估分析。
8、步骤三中的目标器件单粒子翻转的度量参数包括：spe导致每bit位经历的最大翻转概率ptotmax、spe过程伴随的器件每1bit历经的最大累积翻转截面σtotmax、整个器件经历的最大总翻转次数ntotmax、器件平均seu翻转率。
9、步骤四中所述风险评估分级方法为：根据典型航天器件的最大seu翻转概率ptotmax分布数据，将风险设为四个等级：
10、l0：低风险区。对应单粒子最大翻转概率阈值上限为ptotmax=；该区域的翻转概率和宁静太阳活动期的平均gcr背景辐射导致的概率接近。
11、l1：中风险，黄色预警区。对应单粒子最大翻转概率阈值上限为ptotmax=。
12、l2：高风险，橙色预警区。对应单粒子最大翻转概率上限为ptotma=。
13、l3：极端风险，红色预警区。对应单粒子最大翻转概率超过ptotmax=。此时，器件的每个bit位发生翻转的风险高于10%。很高的信息错误率可导致纠错机制失效。
14、选优的，步骤一中所述计算目标器件seu截面与质子能量的关系的方法为：采用monte carlo原理的计算模拟方法模拟单能质子与器件的相互作用过程，根据大量模拟结果对器件敏感区的能量沉积进行统计，利用seu发生的能量判据和seu截面σseu(ep)计算公式进行反应判断与截面计算，以实现宽能量范围内质子能量与器件反应截面的关系曲线准确计算。
15、进一步的，所述monte carlo原理的计算模拟方法包括：采用geant4及其基础上的拓展工具包g4see，模拟给定能区（如ep<20mev)的单能质子导致的器件敏感区的非弹性能量沉积，并与可能的实验结果对比验证。使用g4see提供的跟踪统计工具，对seu过程中入射粒子与半导体材料相互作用，在半导敏感区沉积能量，并导致材料的电子和空穴浓度及它们复合过程发生变化，进而导致单bit存储位置发生信息状态的翻转的反应过程进行精准模拟。
16、进一步的，seu截面计算公式为：
17、，其中，是能量为ep的入射质子的数目，是模拟中记录的seu事件数，为模拟靶材的表面积，在模拟中也是入射粒子源的面积，为靶材模型对应的比特数。
18、选优的，步骤二中计算轨道环境的辐射通量的方法为：综合处理ace、soho、goes等卫星的质子探测器的通量记录，以及地面中子观测站获取的现有观测数据，应用spe的参数化双幂律分布函数能谱公式，进行多参数拟合，以获取较宽能量范围内质子通量能谱数据。并与器件反应截面的关系曲线的质子能量范围相匹配，以实现完整事件伴随的seu反应概率的准确计算。
19、进一步的，参数化双幂律分布函数能谱公式为：
20、，其中，是粒子的积分通量或强度，e是粒子的每核子动能。为描述spe谱线在宽能量范围内的行为特征的四个自由参数，四个自由参数通过对卫星观测数据进行双幂律分布函数能谱公式的拟合获取。对于计算的spe事件过程中的总能谱，其通量足够大，可以忽略背景环境（银河宇宙线）的影响。
21、进一步的，计算spe导致每bit位经历的最大翻转概率ptotmax的公式为：
22、。
23、进一步的，计算spe过程伴随的器件每1bit历经的最大累积翻转截面σtotmax的公式为：
24、，其中，表示1bit器件接受粒子辐照的平均表面积，则表示1bit接受的辐照粒子数。该度量参数可反映器件材料对于spe的seu抗性，在评估器件材料性能时应换算为该度量参数。
25、进一步的，计算整个器件经历的最大总翻转次数ntotmax的公式为：
26、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种太阳质子事件导致航天电子器件发生单粒子翻转风险的分析评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种太阳质子事件导致航天电子器件发生单粒子翻转风险的分析评估方法，其特征在于，S1中计算目标器件SEU截面与质子能量的关系的方法为：采用基于Monte Carlo原理的计算模拟方法，模拟高能质子与目标器件的相互作用过程，并根据模拟结果统计敏感区的能量沉积，根据SEU发生的能量判据和SEU截面σSEU计算公式开展计算分析；所述SEU截面计算公式为：
3.根据权利要求2所述的一种太阳质子事件导致航天电子器件发生单粒子翻转风险的分析评估方法，其特征在于，所述的基于Monte Carlo原理的计算模拟方法为：采用Geant4及其基础上的拓展工具包G4SEE，模拟给定能区的单能质子导致的器件敏感区的非弹性能量沉积，并与实验结果对比，模拟过程中在微米级体积内对反应粒子的能量沉积、二次粒子种类和动量分布进行精准跟踪统计。
4.根据权利要求1所述的一种太阳质子事件导致航天电子器件发生单粒子翻转风险的分析评估方法，其特征在于，S2中计算轨道辐射环境的质子辐射通量的方法为：根据卫星观测数据，拟合太阳质子事件的参数化双幂律分布函数能谱，能谱分布函数使用四个自由参数来描述太阳质子谱线在宽能量范围内的行为特征。
5.根据权利要求1所述的一种太阳质子事件导致航天电子器件发生单粒子翻转风险的分析评估方法，其特征在于，所述参数化双幂律分布函数能谱公式为：
6.根据权利要求1所述的一种太阳质子事件导致航天电子器件发生单粒子翻转风险的分析评估方法，其特征在于，计算SPE导致每bit位经历的最大翻转概率PTotMax的公式为：
7.根据权利要求1所述的一种太阳质子事件导致航天电子器件发生单粒子翻转风险的分析评估方法，其特征在于，计算SPE过程伴随的器件每bit历经的最大累积翻转截面ΣTotMax的公式为：
8.根据权利要求1所述的一种太阳质子事件导致航天电子器件发生单粒子翻转风险的分析评估方法，其特征在于，计算整个器件经历的最大总翻转次数NTotMax的公式为：
9.根据权利要求1所述的一种太阳质子事件导致航天电子器件发生单粒子翻转风险的分析评估方法，其特征在于，计算器件平均SEU翻转率的公式为：
...
【技术特征摘要】
1.一种太阳质子事件导致航天电子器件发生单粒子翻转风险的分析评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种太阳质子事件导致航天电子器件发生单粒子翻转风险的分析评估方法，其特征在于，s1中计算目标器件seu截面与质子能量的关系的方法为：采用基于monte carlo原理的计算模拟方法，模拟高能质子与目标器件的相互作用过程，并根据模拟结果统计敏感区的能量沉积，根据seu发生的能量判据和seu截面σseu计算公式开展计算分析；所述seu截面计算公式为：
3.根据权利要求2所述的一种太阳质子事件导致航天电子器件发生单粒子翻转风险的分析评估方法，其特征在于，所述的基于monte carlo原理的计算模拟方法为：采用geant4及其基础上的拓展工具包g4see，模拟给定能区的单能质子导致的器件敏感区的非弹性能量沉积，并与实验结果对比，模拟过程中在微米级体积内对反应粒子的能量沉积、二次粒子种类和动量分布进行精准跟踪统计。
4.根据权利要求1所述的一种太阳质子事件导致航天电子器件发生单粒子翻转风险的分析评估方法，其特征在于，s2中计算轨道辐射环境的质...
【专利技术属性】
技术研发人员：方乐程，顾斌，陈祥，叶爽，丁留贯，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：
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