一文详解空间辐射诱发单粒子效应

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文介绍了在空间辐射环境下诱发的单粒子效应。

概述

在空间辐射环境下，高能质子与重离子的作用会诱发单粒子效应。诱发这类单粒子效应的空间辐射，主要来源于两个渠道：其一为地球磁场捕获的高能重离子与质子，其二为宇宙空间来源的高能重离子及质子。

地球磁场捕获的高能质子，主要分布于近地空间，其影响范围甚至覆盖低高度的南大西洋异常区（海拔300~1200 km）。而宇宙空间中的瞬时高能重离子，核心成分为银河宇宙射线重离子与太阳粒子事件（SEP）释放的高能重离子。其中，银河宇宙射线重离子的空间通量随时间缓慢变化，相较于太阳粒子事件中高能重离子的剧烈波动，变化趋势更为平稳。从元素构成来看，银河宇宙射线重离子几乎涵盖元素周期表中的全部元素，且其能量与成分分布还与太阳活动的11年周期紧密相关——在太阳活动最小年前后，银河宇宙射线重离子的能量水平与通量均会达到峰值。

空间环境中的瞬时高能质子，主要源于太阳粒子事件。该事件指太阳在短时间内爆发性释放高能粒子的过程，爆发持续时间通常为几小时至几天，发生频率随太阳活动周期动态变化：太阳活动最小年期间，每年仅发生数次；而到太阳活动最大年，每年发生次数可增至上千次。太阳粒子事件中喷发出的高能质子与重离子，会对高轨道卫星及深空探测航天器构成严重威胁——不仅会诱发卫星电子设备内电子器件与集成电路出现单粒子软错误或硬错误，还可能导致航天器系统故障、彻底失效，甚至造成航天任务失败。

银河宇宙射线

银河宇宙射线存在了20亿万年以上，其来源于太阳系以外，包含元素周期表中的所有元素。一般认为，在整个行星际空间，银河宇宙射线分布是各向均匀的，其全向分布特征为1~10个/(cm2·s)。银河宇宙射线成分中98%是高能质子和重离子，电子和其他粒子只占2%。银河宇宙射线重离子的能量在几十兆电子伏以上，最高达到1015 MeV，银河宇宙射线在行星际空间的传播速度很高，例如，对碳离子和铁离子而言，其传播速度接近光速。在轨卫星测量表明，银河宇宙射线重离子在太阳系内其强度分布峰值处的能量约为1GeV。

在占银河宇宙射线98%的高能质子和重离子中，其总数的87%为高能质子，12%为x粒子，其余的1%为电荷数为3~92的重离子。图1给出了银河宇宙射线重离子相对丰度分布，从图中可以看出，He离子、碳离子、氧离子和铁离子具有较高的相对丰度，原子序数(核电荷数)Z>25的元素的强度比Z<25的元素的强度要小几个数量级。银河宇宙射线重离子是诱发星载电子器件和集成电路发生单粒子效应的主要因素之一，特别是相对丰度较高的铁离子，其具有较强的穿透能力和高LET(Linear EnergyTransfer，线性能量传输)值，是在地面开展单粒子效应试验及加固性能评估中必须考虑的重要离子成分。

根据银河宇宙射线重离子相对丰度分布的特点，在单粒子效应试验中一般根据加速器和模拟源特点，选取在穿透能力和LET值方面与银河宇宙射线重离子相当的加速器离子或模拟源粒子开展试验评价与研究工作。

卫星测试数据表明，能量低于1 GeV的银河宇宙射线重离子其强度随能量的变化受太阳活动周期(平均周期为11年)的影响;也就是说，太阳活动对银河宇宙射线重离子的强度分布有一定的调制作用。当银河宇宙射线重离子进入太阳系后，受太阳风的作用，其强度有一定的衰变。银河宇宙射线重离子的这种衰变在太阳活动最小年时达到最大，而在太阳活动最大年时为最小。太阳活动周期对银河宇宙射线重离子的这种调制作用特性是航天器卫星电子设备单粒子效应试验评估和加固设计中必须考虑的变化的重要因素之一，尤其在火星探测和太阳系外探测航天器的电子系统及设备设计方面必须考虑这种动态的变化特性。在太阳和银河宇宙射线重离子成分中，存在一种反常重离子成分，主要包括氨粒子和重离子，其能量小于50 MeV/nuc，这种反常重离子是一种单电荷的不同元素的带电粒子，而通常所说的太阳和银河宇宙射线重离子几乎是由全电离的不同元素带电离子(裸离子)组成。

就卫星工程设计而言，应用的银河宇宙射线重离子行星际空间分布标准模型是Adams在1986提出;该模型为针对近地空间环境内的描述性模型，其主要依据对银河宇宙射线重离子成分的大量测量、离子能量谱分布测量及太阳活动周期的变化情况等而建立，建模依据的数据大部分是基于航天器在轨实测数据，也有通过气球和地面观测获得的结果，时间跨度约为30年。

Adams模型已在SPACERADIATION商业软件包和CREEAM96单粒子效应计算分析软件包中集成。图2分别给出了在太阳最小年和太阳最大年的条件下，CREEAM96模型计算的银河宇宙射线重离子LET积分谱。从图中可以看出，在太阳最小年的情况下，同一LET值下的银河宇宙射线重离子通量比在太阳最大年的情况下高出近半个数量级。图3给出了在太阳最小年的条件下，采用CREEAM96模型计算的不同轨道高度处银河宇宙射线重离子LET积分谱。图4给出了在太阳最大年的条件下，考虑航天器结构对银河宇宙射线重离子屏蔽[2.54 mm(100 mil)厚的等效铝]作用下，采用CREEAM96模型计算的一定轨道高度处银河宇宙射线重离子LET谱，从图中可以看出，LET值大于75 MeVcm?/mg的银河宇宙射线重离子，平均每平方厘米上3.3万年遇见一次。图5给出了银河宇宙射线能量、原子序数及微分通量分布情况。

在图5中，银河宇宙射线的离子通量率表示为离子种类及能量的变化曲线，该曲线是基于银河宇宙射线模型ISO标准ISO15390，针对同步轨道在太阳最小年情况下计算得出。从图中可以看出，较重的离子具有较高的能量(较低LET值)，或者说较轻的离子能量较低(较高LET值)。而LET值大于等于40MeVcm?/mg的所有离子种类的积分通量为1.4x10-3ion/(cm2.year·sr)。

太阳粒子事件

1. 基本特征：太阳粒子事件是太阳系规模最大的爆发事件，发生时太阳黑子附近会异常明亮；主要分为两类——持续数小时（高能电子通量较高）与持续数天（高能质子通量较高）。

2. 模型与软件集成：通过卫星高能质子测量数据建立了相关模型，如美国喷气推进实验室（JPL）的JPL-1991太阳质子事件模型，该模型已集成至SPACE RADIATION等空间辐射环境计算软件中。

3. 高能质子通量特性：同步轨道15年期间的高能质子积分通量谱显示，不同置信度下同一能量的积分通量存在差异，且质子能量越高差异越显著；其中，置信度95%时能量＞30 MeV（可引发单粒子效应）的质子积分通量为8.21×10?? proton/cm?，置信度90%时该数值为5.01×10?? proton/cm?。

4. 高能重离子特性：太阳粒子事件的高能重离子涵盖元素周期表所有元素，同步轨道15年的高能重离子LET积分通量谱为氢到铀的全成分积分，强度以事件周期内的平均值（最坏天、最坏周、峰值平均值）呈现；相关计算（如CREEAM96、SPACE RADIATION软件）依据1989年太阳粒子事件模型，但该模型未给出高能重离子计算结果的不确定度系数。

5. 实测通量范围与影响：1997-2001年主要太阳粒子事件中，高能质子积分通量变化幅度大——能量＞10.0 MeV的质子通量为10?~10?? proton/cm?，能量＞100.0 MeV的质子通量为10?~10? proton/cm?；这种大幅变化为电子器件与集成电路单粒子效应的预示分析带来挑战。

辐射带高能质子

宇宙空间带电粒子在地磁场作用下形成范伦辐射带（覆盖低地球轨道至地球同步轨道），主要捕获几兆电子伏电子与几百兆电子伏高能质子，仅后者能诱发星载电子器件/集成电路单粒子效应。高能质子多分布在内辐射带，其分布受太阳活动周期（最大年边缘强度低、最小年高）、地磁暴与太阳质子事件（影响内带外部边缘）、地磁场长期变化影响，且南大西洋异常区因地磁轴与自转轴不重合，存在高 flux 高能质子。

地磁场是辐射带分布的关键，可粗略用倾斜双极性磁铁描述，实际因理想化模型偏差大，多数应用采用IGRF系列模型作为官方标准。计算高能质子累积通量常用AP8模型（长期平均不确定度系数2），内辐射带高能质子能量达几千电子伏至几百兆电子伏，受太阳活动影响单日通量可能比计算值高2~3个数量级；以太阳同步轨道（980km高度、90°倾角）3年寿命卫星为例，单位面积接收＞0.1MeV质子约1.0×10??个，考虑AP8不确定度则超2×10??个。

南大西洋异常区高能质子

由于地磁场的异常分布，其中在辐射带内带的边缘存在带电粒子异常分布区--南大西洋异常区。在南大西洋异常区内，辐射带内带的边缘降低到较低的地球轨道范围内。南大西洋异常区在轨道高度低于800 km、轨道倾角低于40°以下的区域内，图7、图8分别给出了南大西洋异常区内500 km高度处能量高于50.0 MeV的高能质子通量分布轮廓图和440 km高度处能量大于34.0MeV的高能质子通量分布轮廓图。

地磁场的移动导致南大西洋异常区位置也在慢慢移动。试验观察结果表明，异常区位置每年以0.3°的速度向西方向漂移。这样一来，在开展低地球轨道卫星电子设备和系统单粒子效应评估试验及加固设计验证时，必须在环境分析计算中考虑南大西洋异常区位置的变化。