文章來(lái)源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了在空間輻射環(huán)境下誘發(fā)的單粒子效應(yīng)。

概述

在空間輻射環(huán)境下，高能質(zhì)子與重離子的作用會(huì)誘發(fā)單粒子效應(yīng)。誘發(fā)這類(lèi)單粒子效應(yīng)的空間輻射，主要來(lái)源于兩個(gè)渠道：其一為地球磁場(chǎng)捕獲的高能重離子與質(zhì)子，其二為宇宙空間來(lái)源的高能重離子及質(zhì)子。

地球磁場(chǎng)捕獲的高能質(zhì)子，主要分布于近地空間，其影響范圍甚至覆蓋低高度的南大西洋異常區(qū)（海拔300~1200 km）。而宇宙空間中的瞬時(shí)高能重離子，核心成分為銀河宇宙射線(xiàn)重離子與太陽(yáng)粒子事件（SEP）釋放的高能重離子。其中，銀河宇宙射線(xiàn)重離子的空間通量隨時(shí)間緩慢變化，相較于太陽(yáng)粒子事件中高能重離子的劇烈波動(dòng)，變化趨勢(shì)更為平穩(wěn)。從元素構(gòu)成來(lái)看，銀河宇宙射線(xiàn)重離子幾乎涵蓋元素周期表中的全部元素，且其能量與成分分布還與太陽(yáng)活動(dòng)的11年周期緊密相關(guān)——在太陽(yáng)活動(dòng)最小年前后，銀河宇宙射線(xiàn)重離子的能量水平與通量均會(huì)達(dá)到峰值。

空間環(huán)境中的瞬時(shí)高能質(zhì)子，主要源于太陽(yáng)粒子事件。該事件指太陽(yáng)在短時(shí)間內(nèi)爆發(fā)性釋放高能粒子的過(guò)程，爆發(fā)持續(xù)時(shí)間通常為幾小時(shí)至幾天，發(fā)生頻率隨太陽(yáng)活動(dòng)周期動(dòng)態(tài)變化：太陽(yáng)活動(dòng)最小年期間，每年僅發(fā)生數(shù)次；而到太陽(yáng)活動(dòng)最大年，每年發(fā)生次數(shù)可增至上千次。太陽(yáng)粒子事件中噴發(fā)出的高能質(zhì)子與重離子，會(huì)對(duì)高軌道衛(wèi)星及深空探測(cè)航天器構(gòu)成嚴(yán)重威脅——不僅會(huì)誘發(fā)衛(wèi)星電子設(shè)備內(nèi)電子器件與集成電路出現(xiàn)單粒子軟錯(cuò)誤或硬錯(cuò)誤，還可能導(dǎo)致航天器系統(tǒng)故障、徹底失效，甚至造成航天任務(wù)失敗。

銀河宇宙射線(xiàn)

銀河宇宙射線(xiàn)存在了20億萬(wàn)年以上，其來(lái)源于太陽(yáng)系以外，包含元素周期表中的所有元素。一般認(rèn)為，在整個(gè)行星際空間，銀河宇宙射線(xiàn)分布是各向均勻的，其全向分布特征為1~10個(gè)/(cm2·s)。銀河宇宙射線(xiàn)成分中98%是高能質(zhì)子和重離子，電子和其他粒子只占2%。銀河宇宙射線(xiàn)重離子的能量在幾十兆電子伏以上，最高達(dá)到1015 MeV，銀河宇宙射線(xiàn)在行星際空間的傳播速度很高，例如，對(duì)碳離子和鐵離子而言，其傳播速度接近光速。在軌衛(wèi)星測(cè)量表明，銀河宇宙射線(xiàn)重離子在太陽(yáng)系內(nèi)其強(qiáng)度分布峰值處的能量約為1GeV。

在占銀河宇宙射線(xiàn)98%的高能質(zhì)子和重離子中，其總數(shù)的87%為高能質(zhì)子，12%為x粒子，其余的1%為電荷數(shù)為3~92的重離子。圖1給出了銀河宇宙射線(xiàn)重離子相對(duì)豐度分布，從圖中可以看出，He離子、碳離子、氧離子和鐵離子具有較高的相對(duì)豐度，原子序數(shù)(核電荷數(shù))Z>25的元素的強(qiáng)度比Z<25的元素的強(qiáng)度要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。銀河宇宙射線(xiàn)重離子是誘發(fā)星載電子器件和集成電路發(fā)生單粒子效應(yīng)的主要因素之一，特別是相對(duì)豐度較高的鐵離子，其具有較強(qiáng)的穿透能力和高LET(Linear EnergyTransfer，線(xiàn)性能量傳輸)值，是在地面開(kāi)展單粒子效應(yīng)試驗(yàn)及加固性能評(píng)估中必須考慮的重要離子成分。

根據(jù)銀河宇宙射線(xiàn)重離子相對(duì)豐度分布的特點(diǎn)，在單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中一般根據(jù)加速器和模擬源特點(diǎn)，選取在穿透能力和LET值方面與銀河宇宙射線(xiàn)重離子相當(dāng)?shù)募铀倨麟x子或模擬源粒子開(kāi)展試驗(yàn)評(píng)價(jià)與研究工作。

衛(wèi)星測(cè)試數(shù)據(jù)表明，能量低于1 GeV的銀河宇宙射線(xiàn)重離子其強(qiáng)度隨能量的變化受太陽(yáng)活動(dòng)周期(平均周期為11年)的影響;也就是說(shuō)，太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)銀河宇宙射線(xiàn)重離子的強(qiáng)度分布有一定的調(diào)制作用。當(dāng)銀河宇宙射線(xiàn)重離子進(jìn)入太陽(yáng)系后，受太陽(yáng)風(fēng)的作用，其強(qiáng)度有一定的衰變。銀河宇宙射線(xiàn)重離子的這種衰變?cè)谔?yáng)活動(dòng)最小年時(shí)達(dá)到最大，而在太陽(yáng)活動(dòng)最大年時(shí)為最小。太陽(yáng)活動(dòng)周期對(duì)銀河宇宙射線(xiàn)重離子的這種調(diào)制作用特性是航天器衛(wèi)星電子設(shè)備單粒子效應(yīng)試驗(yàn)評(píng)估和加固設(shè)計(jì)中必須考慮的變化的重要因素之一，尤其在火星探測(cè)和太陽(yáng)系外探測(cè)航天器的電子系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)計(jì)方面必須考慮這種動(dòng)態(tài)的變化特性。在太陽(yáng)和銀河宇宙射線(xiàn)重離子成分中，存在一種反常重離子成分，主要包括氨粒子和重離子，其能量小于50 MeV/nuc，這種反常重離子是一種單電荷的不同元素的帶電粒子，而通常所說(shuō)的太陽(yáng)和銀河宇宙射線(xiàn)重離子幾乎是由全電離的不同元素帶電離子(裸離子)組成。

就衛(wèi)星工程設(shè)計(jì)而言，應(yīng)用的銀河宇宙射線(xiàn)重離子行星際空間分布標(biāo)準(zhǔn)模型是Adams在1986提出;該模型為針對(duì)近地空間環(huán)境內(nèi)的描述性模型，其主要依據(jù)對(duì)銀河宇宙射線(xiàn)重離子成分的大量測(cè)量、離子能量譜分布測(cè)量及太陽(yáng)活動(dòng)周期的變化情況等而建立，建模依據(jù)的數(shù)據(jù)大部分是基于航天器在軌實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，也有通過(guò)氣球和地面觀測(cè)獲得的結(jié)果，時(shí)間跨度約為30年。

Adams模型已在SPACERADIATION商業(yè)軟件包和CREEAM96單粒子效應(yīng)計(jì)算分析軟件包中集成。圖2分別給出了在太陽(yáng)最小年和太陽(yáng)最大年的條件下，CREEAM96模型計(jì)算的銀河宇宙射線(xiàn)重離子LET積分譜。從圖中可以看出，在太陽(yáng)最小年的情況下，同一LET值下的銀河宇宙射線(xiàn)重離子通量比在太陽(yáng)最大年的情況下高出近半個(gè)數(shù)量級(jí)。圖3給出了在太陽(yáng)最小年的條件下，采用CREEAM96模型計(jì)算的不同軌道高度處銀河宇宙射線(xiàn)重離子LET積分譜。圖4給出了在太陽(yáng)最大年的條件下，考慮航天器結(jié)構(gòu)對(duì)銀河宇宙射線(xiàn)重離子屏蔽[2.54 mm(100 mil)厚的等效鋁]作用下，采用CREEAM96模型計(jì)算的一定軌道高度處銀河宇宙射線(xiàn)重離子LET譜，從圖中可以看出，LET值大于75 MeVcm?/mg的銀河宇宙射線(xiàn)重離子，平均每平方厘米上3.3萬(wàn)年遇見(jiàn)一次。圖5給出了銀河宇宙射線(xiàn)能量、原子序數(shù)及微分通量分布情況。

在圖5中，銀河宇宙射線(xiàn)的離子通量率表示為離子種類(lèi)及能量的變化曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)是基于銀河宇宙射線(xiàn)模型ISO標(biāo)準(zhǔn)ISO15390，針對(duì)同步軌道在太陽(yáng)最小年情況下計(jì)算得出。從圖中可以看出，較重的離子具有較高的能量(較低LET值)，或者說(shuō)較輕的離子能量較低(較高LET值)。而LET值大于等于40MeVcm?/mg的所有離子種類(lèi)的積分通量為1.4x10-3ion/(cm2.year·sr)。

太陽(yáng)粒子事件

1. 基本特征：太陽(yáng)粒子事件是太陽(yáng)系規(guī)模最大的爆發(fā)事件，發(fā)生時(shí)太陽(yáng)黑子附近會(huì)異常明亮；主要分為兩類(lèi)——持續(xù)數(shù)小時(shí)（高能電子通量較高）與持續(xù)數(shù)天（高能質(zhì)子通量較高）。

2. 模型與軟件集成：通過(guò)衛(wèi)星高能質(zhì)子測(cè)量數(shù)據(jù)建立了相關(guān)模型，如美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的JPL-1991太陽(yáng)質(zhì)子事件模型，該模型已集成至SPACE RADIATION等空間輻射環(huán)境計(jì)算軟件中。

3. 高能質(zhì)子通量特性：同步軌道15年期間的高能質(zhì)子積分通量譜顯示，不同置信度下同一能量的積分通量存在差異，且質(zhì)子能量越高差異越顯著；其中，置信度95%時(shí)能量＞30 MeV（可引發(fā)單粒子效應(yīng)）的質(zhì)子積分通量為8.21×101? proton/cm2，置信度90%時(shí)該數(shù)值為5.01×101? proton/cm2。

4. 高能重離子特性：太陽(yáng)粒子事件的高能重離子涵蓋元素周期表所有元素，同步軌道15年的高能重離子LET積分通量譜為氫到鈾的全成分積分，強(qiáng)度以事件周期內(nèi)的平均值（最壞天、最壞周、峰值平均值）呈現(xiàn)；相關(guān)計(jì)算（如CREEAM96、SPACE RADIATION軟件）依據(jù)1989年太陽(yáng)粒子事件模型，但該模型未給出高能重離子計(jì)算結(jié)果的不確定度系數(shù)。

5. 實(shí)測(cè)通量范圍與影響：1997-2001年主要太陽(yáng)粒子事件中，高能質(zhì)子積分通量變化幅度大——能量＞10.0 MeV的質(zhì)子通量為10?~101? proton/cm2，能量＞100.0 MeV的質(zhì)子通量為10?~10? proton/cm2；這種大幅變化為電子器件與集成電路單粒子效應(yīng)的預(yù)示分析帶來(lái)挑戰(zhàn)。

輻射帶高能質(zhì)子

宇宙空間帶電粒子在地磁場(chǎng)作用下形成范倫輻射帶（覆蓋低地球軌道至地球同步軌道），主要捕獲幾兆電子伏電子與幾百兆電子伏高能質(zhì)子，僅后者能誘發(fā)星載電子器件/集成電路單粒子效應(yīng)。高能質(zhì)子多分布在內(nèi)輻射帶，其分布受太陽(yáng)活動(dòng)周期（最大年邊緣強(qiáng)度低、最小年高）、地磁暴與太陽(yáng)質(zhì)子事件（影響內(nèi)帶外部邊緣）、地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化影響，且南大西洋異常區(qū)因地磁軸與自轉(zhuǎn)軸不重合，存在高 flux 高能質(zhì)子。

地磁場(chǎng)是輻射帶分布的關(guān)鍵，可粗略用傾斜雙極性磁鐵描述，實(shí)際因理想化模型偏差大，多數(shù)應(yīng)用采用IGRF系列模型作為官方標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算高能質(zhì)子累積通量常用AP8模型（長(zhǎng)期平均不確定度系數(shù)2），內(nèi)輻射帶高能質(zhì)子能量達(dá)幾千電子伏至幾百兆電子伏，受太陽(yáng)活動(dòng)影響單日通量可能比計(jì)算值高2~3個(gè)數(shù)量級(jí)；以太陽(yáng)同步軌道（980km高度、90°傾角）3年壽命衛(wèi)星為例，單位面積接收＞0.1MeV質(zhì)子約1.0×101?個(gè)，考慮AP8不確定度則超2×101?個(gè)。

南大西洋異常區(qū)高能質(zhì)子

由于地磁場(chǎng)的異常分布，其中在輻射帶內(nèi)帶的邊緣存在帶電粒子異常分布區(qū)--南大西洋異常區(qū)。在南大西洋異常區(qū)內(nèi)，輻射帶內(nèi)帶的邊緣降低到較低的地球軌道范圍內(nèi)。南大西洋異常區(qū)在軌道高度低于800 km、軌道傾角低于40°以下的區(qū)域內(nèi)，圖7、圖8分別給出了南大西洋異常區(qū)內(nèi)500 km高度處能量高于50.0 MeV的高能質(zhì)子通量分布輪廓圖和440 km高度處能量大于34.0MeV的高能質(zhì)子通量分布輪廓圖。

地磁場(chǎng)的移動(dòng)導(dǎo)致南大西洋異常區(qū)位置也在慢慢移動(dòng)。試驗(yàn)觀察結(jié)果表明，異常區(qū)位置每年以0.3°的速度向西方向漂移。這樣一來(lái)，在開(kāi)展低地球軌道衛(wèi)星電子設(shè)備和系統(tǒng)單粒子效應(yīng)評(píng)估試驗(yàn)及加固設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)，必須在環(huán)境分析計(jì)算中考慮南大西洋異常區(qū)位置的變化。