基于脉冲激光定位的SRAM单粒子闩锁事件率预估

器件单粒子闩锁效应(SEL)预估方法一般是建立在只有一个敏感体积单元的长方体(RPP)模型上,静态随机存储器(SRAM)单粒子闩锁敏感区的定位试验结果表明敏感体积单元不仅有一个.利用脉冲激光定位SRAM K6R4016V1D单粒子闩锁效应敏感区的试验结果对器件在轨SEL事件率进行了修正计算.首先利用脉冲激光定位SRAM SEL敏感区,获得敏感区的分布情况,并确定整个器件敏感体积单元的数量.然后针对不同的空间轨道、辐射粒子以及敏感体积厚度和敏感体积单元数进行了相应的器件SEL事件率计算,并对计算结果进行了分析讨论.结果表明,重离子引起的SEL事件率随敏感体积单元数量的增大而减小;修正敏感体积单元数量对预估质子引起的SEL事件率非常必要,否则将会过高评估质子直接电离作用对SEL事件率的贡献.      

质子引发的单粒子翻转率估算的研究

根据质子单粒子翻转事件的物理本质,及空间高能质子环境特性,给出了一种基于重离子单粒子翻转实验数据基础之上的估算质子引发的单粒子翻转的方法.利用这种方法计算了几种器件的翻转情况,与地面模拟实验及飞行观测结果符合得非常好.      

临近空间大气中子诱发电子器件单粒子翻转模拟研究

根据重离子试验数据, 采用长方体(RPP)模型, 用GEANT4软件工具包编程, 建立了垂直于器件表面入射的中子诱发电子器件的单粒子翻转模型. 考虑敏感体积及其附近的次级粒子对单粒子翻转的贡献, 统计了次级粒子在敏感体积内沉积能量的微分能谱分布, 对在敏感体积内沉积不同能量的次级粒子对单粒子翻转的贡献进行了区分计算, 模拟计算结果与地面试验结果符合较好.      

质子单粒子翻转截面计算方法

在分析质子与硅反应的基础上,建立了质子单粒子翻转截面理论计算模型,提出了模拟计算方法。计算得到了不同能量的高能质子与硅反应产生的次级粒子种类、截面、能谱和双微分截面。采用Monte Carlo方法模拟质子与硅的反应;应用TRIM程序计算次级粒子的射程;计算得到次级粒子在存储单元的灵敏区内沉积的能量,产生的电荷。通过与临界电荷的比较,判断是否导致单粒子翻转,从而得到单粒子翻转截面。计算得到的单粒子翻转截面与实验数据符合较好。     

SRAM型FPGA单粒子翻转效应加固方法

应用重离子加速器和皮秒脉冲激光器开展Virtex-Ⅱ FPGA（Field Programmable Gate Array）单粒子效应加固方法有效性研究.实验结果表明,同时应用三模冗余和动态刷新加固方法能够完全纠正单粒子效应产生的功能错误.实验获得数据加密算法在不同单粒子效应加固方法下功能错误截面,发现少量的存储位翻转就可以导致程序功能错误;程序功能对存储位翻转较敏感.分析Virtex-Ⅱ FPGA不同加固方法在不同卫星轨道的有效性,同时应用动态刷新和三模冗余加固方法,可以完全校正由于存储位翻转造成的功能错误.重离子加速器和脉冲激光器实验结果同时表明,脉冲激光可以模拟重离子加速器研究单粒子效应加固方法有效性.     

星用大容量静态存储器多位翻转实验研究

给出典型大容量静态存储器(SRAM)的多位翻转实验研究 结果。用HI-13串列型静电加速器和兰州重离子加速器(HIRFL)加速的重离子轰击样品,用 一套基于 网络协议的高分辨率SRAM单粒子效应检测系统检测发生的多位翻转。实验结果表明多位翻转 可以由多种机制产生：在两种Hitachi SRAM中检测到的同一字节多位翻转(SMU)是由单个离 子产生的电荷被相邻敏感节点共享所致;当IDT71256中写入测试图形“00”时,其外围电路 中产生的单粒子瞬时脉冲(SET)引起多达8位的SMU;离子大角度掠射下,IDT71256中检测到 了同一事件多位翻转(SEMU)。同时预示了两种Hitachi大容量SRAM在地球同步轨道和两条太 阳同步轨道发生SMU的频度。     

星载SRAM型FPGA可靠性快速评估技术

空间辐射环境严重影响星载SRAM (Static Random Access Memory)型FPGA (Field Programmable Gate Array)的可靠性,提出了星载SRAM型FPGA可靠性快速验证评估方法.在传统故障注入验证的基础上,引入可靠性预评估技术,在逻辑门级分析单粒子翻转对FPGA配置信息位的影响,同时对TMR (Triple Modular Redundancy)冗余方式进行单粒子翻转关键位置评估.然后构成不同敏感级别的故障序列,最后根据应用需求选择不同故障序列进行故障注入从而有效快速评估系统可靠性.该方法与逐位翻转相比,能够在保证故障覆盖率的同时,有效地减少实验时间,提高实验效率.     

空间高能粒子与器件布线层核反应后次级粒子LET分布研究

空间高能质子和重离子是导致元器件发生单粒子效应的根本原因,为准确评估元器件在轨遭遇的单粒子效应风险,必须清楚高能质子、重离子与器件材料发生核反应的物理过程及生成的次级重离子LET（Line EnergyTransfer）分布规律。针对典型CMOS工艺器件模拟计算了不同能量质子和氦核粒子在器件灵敏单元内产生的反冲核、平均能量及线性能量转移值,并分析了半导体器件金属布线层中重金属对次级重离子LET分布的影响规律。计算结果表明：高能粒子与器件相互作用后产生大量次级重离子,且高能质子作用后产生的次级粒子的LET值主要分布为0～25MeV·cm²/mg;高能氦核粒子作用后产生的次级粒子的LET值主要分布为0～35 MeV·cm²/mg;有重金属钨（W）存在时能提高次级粒子的LET值,增加了半导体器件发生单粒子效应的概率,该研究结果可为元器件单粒子效应风险分析、航天器抗单粒子效应指标确定提供重要依据。     

SRAM型FPGA单粒子效应逐位翻转故障注入方法

针对SRAM(Static Random Access Memory)型FPGA(Field Programmable Gate Array)空间应用的可靠性评测问题,提出一种逐位翻转的故障注入试验方法,利用动态重配置技术,通过检测逻辑电路设计配置存储单元中的单粒子翻转敏感位数量和位置,可计算出动态翻转截面和失效率,绘出可靠度变化曲线.分别对采用TMR(Triple Modular Redundancy)防护设计的和未采用TMR防护设计的SRAM型FPGA乘法器模块进行了故障注入试验,验证了得到的敏感位位置的正确性,并计算出各自的可靠性参数和曲线.     

存储器空间单粒子翻转率预测

根据SSO上两卫星搭载的三个PREM测得的空间中重离子LET谱,以及利用Weibull分布模型拟合出的不同器件的σ-LET曲线,对由空间中重离子引起的单粒子翻转的翻转率进行了预测估算.将预测值与实测值对比,分析了影响翻转率的因素.对于相同器件,翻转率与设备在卫星上的位置和朝向有关.位于卫星尾部面向后退（-x）方向的翻转率高于位于底部对地（+z）方向的器件翻转率;太阳活动水平高的时间段翻转率高于太阳活动水平低的时间段.探测器接收的重离子微分LET谱的强度和硬度决定了器件的单粒子翻转率.在高于翻转LET阈值时,LET谱的强度越高,其硬度和翻转率越大.不同器件的翻转率也不相同.      

航天器介质深层充电模拟研究

针对航天器介质深层充电问题,提出了一种基于蒙特卡罗模拟和充电动力学RIC模型的介质电荷分布及电场预估新方法,利用地面试验验证了其正确性.航天器介质平板充电过程被简化为屏蔽铝板与分层介质组成的Geant 4模型,通过统计方法计算出了实际入射束流下Teflon介质内的注入电流密度和剂量率分布曲线,利用RIC模型获得了背面接地时介质中的电荷密度和电场分布,利用脉冲电声法(PEA)对不同束流密度辐照下的Teflon内部空间电荷密度进行了测量.数值模拟和地面试验结果表明,Teflon在100 keV能量电子辐照下,电荷密度和电场随着束流密度的增加而不断增大,其电荷密度峰值位置约为0.042 mm,且背面接地时接地侧电场最大.由于Geant 4粒子输运模拟和RIC模型具有通用性,因此该方法适用于各种航天器介质材料.      

CRRES卫星内部充电的模拟计算与验证

基于Geant 4软件建立一种用于计算航天器内部充电所产生电场的方法.分析载有IDM仪器的CRRES卫星当时所处的空间电子环境,使用该方法进行内部充电模拟,并将模拟结果与IDM仪器所测得的放电脉冲数据进行对比,不仅验证了该方法的有效性,更重要的是深入认识了引起航天器内部充电的空间环境特征以及材料特性对充放电效应的影响.介质内最大电场的模拟计算结果与CRRES卫星实际观测到的放电现象吻合;在材料的各项参数中,与辐射感应电导率有关的kp系数对稳态电场有很大影响,为了定量研究内部充电效应,需要在实验室精确地测定kp系数;材料的暗电导率、密度以及材料的分子构成等也与内部充电效应有关,对这些参数细致地研究有助于对内部充电效应的认识.      

基于TCAD仿真建模的瞬时剂量率效应研究

针对一款百万门级0.18 μm互补金属氧化物半导体（0.18 μm CMOS）工艺抗辐射加固的微处理器电路,提出了采用TCAD仿真建模技术对加固电路开展瞬时剂量率效应研究的方法,仿真结果表明通过保护环结构加固设计,可有效提升电路的抗瞬时剂量率效应性能,并利用瞬时剂量率辐射源进行了仿真有效性的试验验证。结果表明,采用TCAD仿真手段得到的瞬时光电流峰值与试验得到的光电流峰值误差小于5%,证实了仿真研究电路瞬时剂量率效应方法的有效性。     

Comparisons of several transport models in their predictions in typical space radiation environments

We have used several transport codes to calculate dose and dose equivalent values as well as the particle spectra behind a slab or inside a spherical shell shielding in typical space radiation environments. Two deterministic codes, HZETRN and UPROP, and two Monte Carlo codes, FLUKA and Geant4, are included. A soft solar particle event, a hard solar particle event, and a solar minimum galactic cosmic rays environment are considered; and the shielding material is either aluminum or polyethylene. We find that the dose values and particle spectra from HZETRN are in general rather consistent with Geant4 except for neutrons. The dose equivalent values from HZETRN and Geant4 are not far from each other, but the HZETRN values behind shielding are often lower than the Geant4 values. Results from FLUKA and Geant4 are mostly consistent for considered cases. However, results from the legacy code UPROP are often quite different from the other transport codes, partly due to its non-consideration of neutrons. Comparisons for the spherical shell geometry exhibit the same qualitative features as for the slab geometry. In addition, results from both deterministic and Monte Carlo transport codes show that the dose equivalent inside the spherical shell decreases from the center to the inner surface and this decrease is large for solar particle events; consistent with an earlier study based on deterministic radiation transport results. This study demonstrates both the consistency and inconsistency among these transport models in their typical space radiation predictions; further studies will be required to pinpoint the exact physics modules in these models that cause the differences and thus may be improved.     

CMOS器件单粒子效应电荷收集机理

针对90 nm CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）工艺,采用三维数值模拟方法,研究了反相器中NMOS（Negative channel-Metal-Oxide-Semiconductor）晶体管与PMOS（Positive channel-Metal-Oxide-Semiconductor）晶体管的单粒子瞬变（SET,Single Event Transient）电流脉冲,深入分析了PMOSFET（Positive channel-Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）与NMOSFET（Negative channel-Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）发生单粒子效应时电荷输运过程和电荷收集机理.研究结果表明,由于电路耦合作用,反相器中晶体管的电荷收集与单个晶体管差异显著;反相器中PMOS晶体管电荷收集过程中存在寄生双极放大效应,NMOS晶体管中不存在寄生双极放大效应;由于双极放大效应,90 nm工艺下PMOS晶体管产生的SET电压脉冲比NMOS晶体管产生的电压脉冲持续时间更长,进而导致PMOS晶体管的SET效应更加敏感.研究结果为数字电路SET的精确建模、进行大规模集成电路SET效应模拟提供了参考依据.      

HXMT的空间环境本底计算

硬X射线调制望远镜(HXMT)是一颗宽波段X射线(1～250 keV)天文卫星,其核心载荷高能X射线望远镜(HE)工作于硬X射线能区(20～250 keV),致力于实现硬X射线的高灵敏度巡天观测,描绘硬X射线天图,并对特殊天体作高灵敏度定点观测.为了获得高灵敏度,必须有效地抑制本底.本底主要是由轨道环境中的粒子(γ射线、质子、电子、中子)与探测器相互作用产生的.本文结合大量的描述近地空间本底的文献和最新的实测数据,整理出一套自洽的近地空间本底粒子的数据和公式,便于应用.并通过Geant 4软件模拟计算给出了HXMT的本底及本底随时间和轨道的变化.      

大气中子实时计算模式

为实时评估0~100km高度范围内的大气中子全球分布,对宇宙线在地磁场和大气中的传输过程进行了分析.利用蒙特卡罗方法工具包Geant4,预先计算不同能量的粒子在大气层中产生的次级粒子能谱分布,形成大气次级粒子数据库,并与相关模型进行对比,验证了该数据库的有效性和可靠性.以实测或预报的空间环境参数作为输入,计算同步轨道银河宇宙线和太阳质子事件能谱以及100km高度上的地磁垂直截止刚度,最终得到大气层顶上的粒子能谱.通过对大气次级粒子数据库的线性插值,实现1h分辨率的大气中子能谱和辐射剂量全球分布的实时计算.      

Evaluation of solar proton spectra using balloon cosmic ray observations and Monte Carlo simulation results

We have developed a method to evaluate the spectrum of solar energetic protons at the top of the Earth’s atmosphere from the measurements of our balloon cosmic ray experiment. By using the Monte Carlo PLANETOCOSMICS code based on Geant4 we compute the interaction of solar protons [10 MeV–10 GeV] with the Earth’s atmosphere. We obtain the angular and energy distributions of secondary particles (p, e⁻, e⁺, photons, muons) at different atmospheric levels as a function of primary proton spectra. By comparing the calculated depth dependence of the particle flux with the data obtained by our balloon experiment we can deduce the parameters of the solar proton spectrum that best fit the observations. In this paper we discuss our solar proton spectrum estimation method, and present results of its application to selected solar proton events from 2001 to 2005.     

反向蒙特卡罗方法在卫星辐射分析中的研究与应用

反向蒙特卡罗方法(AMC/RMC)是Geant4中一个强有力的偏置技术. 粒子产生于包含灵敏体的反向界面并在几何体中被反向追踪直至外界面或溢出能量阈值, 其计算时间只集中于对结果有贡献的粒子径迹. 与正向蒙特卡罗方法(FMC)相比, RMC更高效, 特别是当灵敏体远小于几何体其他部分和外界面时, 其优势更明显. 通过RMC与FMC的比较, 验证了RMC应用于卫星辐射剂量分析的准确性. RMC与SHIELDOSE2和SSAT的比较说明了RMC是高精度卫星辐射剂量的优选方法.      

基于网格的电路功能可靠性仿真系统

功能可靠性仿真是建立系统功能与可靠性一体化分析的综合仿真技术,论述了电路功能可靠性仿真系统的体系结构、功能及其实现的故障建模、故障虚拟注入、仿真器集成、故障自动判别等主要技术方法.为解决电路功能可靠性仿真系统中长仿真时间和大数据量存储的难点,提出了基于网格计算技术的体系结构,研究了仿真服务、分析服务和数据管理服务的实现方法,建立了通过网格平台向电路功能可靠性仿真系统提供虚拟计算和存储的能力,减少了系统分析所需要的仿真时间,实现了大量仿真结果数据的分布式存储.基于上述技术思想,实现了以TyrensGrid为网格平台、PSpice为仿真内核的TG-CFRS软件原型,证明了基于网格的电路功能可靠性仿真技术的有效性.