近地空间银河宇宙线重离子单粒子效应势力分布

韩建伟 空间抗辐射 2022-02-28 12:48

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作者：韩建伟


单粒子效应是当前航天工程抗辐射的重中之重，其中背景银河宇宙线对近地几乎所有轨道都有影响，辐射带质子主要影响低轨道空间。小抗在之前的“造器件、用器件，器件该抗多少LET值的单粒子”一文中列出了如图1所示的近地空间银河宇宙线LET谱的分布，在“空间抗辐射家族势力分布图”一文中以Xilinx 的Virtex-2 FPGA为例，分析计算了如图2所示的银河宇宙线重离子与质子及辐射带质子造成的单粒子翻转的空间分布，由此可以概览单粒子效应的空间势力范围：质子单粒子效应空间分布与内辐射带质子分布正相关，宇宙线重离子单粒子效应分布主要与轨道高度和倾角正相关，但是尚无对后者空间分布的系统描述。

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图1 近地空间银河宇宙线LET谱分布

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图2 Xilinx Virtex-2 FPGA在近地空间发生的单粒子翻转分布

在本文中，小抗利用如图3自主开发的“空间环境效应分析软件包”（SEEAP，有单机版和网络版两款软件可用）进行了系统的分析计算，深入剖析诱发单粒子效应的银河宇宙线重离子的空间分布。计算主要采用太阳活动平静年最恶劣太阳活动条件下的银河宇宙线模型、以及3mm铝屏蔽等条件，得到舱内LET积分谱（大于某LET值的所有粒子的通量）。

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图3 空间环境效应分析软件包（SEEAP）

图4是针对92度倾角、不同高度圆轨道的银河宇宙线粒子LET积分通量的分布，对于极轨道，宇宙线粒子无论种类、能量、LET值均有一定机会到达
◆中高轨通量无明显差异、趋于饱和；
◆中轨以下，随着高度降低通量有一定降低，1000km约为20000km的1/3，随着高度降低进一步小幅度减小。
图5进一步以LET≥1MeV.cm2/mg为基准，描绘出其他更高LET值粒子在92度倾角、不同高度圆轨道的相对强度。对于地球极轨道
◆不同LET值粒子的相对强度随高度基本稳定不变；
◆相对于LET≥1（MeV.cm2/mg）的粒子，LET≥5、10、15、37、75的粒子相对强度量级分别为1/10、1/100、1/100、1/百万、1/亿，即选择LET阈值相对较高的器件，在轨发生单粒子效应的风险呈若干数量级地减小。

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图4 不同LET值银河宇宙线粒子强度随地球极轨道高度的分布

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图5 地球极轨道不同高度不同LET值银河宇宙线粒子强度比 

对于非地球极轨道，随着高度降低和轨道倾角减小，地磁场对宇宙线粒子的偏转作用逐渐增强，相应的粒子强度有所下降，在轨发生单粒子效应的风险减缓。如图6-8分别是600km、1400km、20000km银河宇宙线强度随轨道倾角的变化。
◆在600km高度，350以下倾角各LET值宇宙线粒子均无法到达，在轨不会遭受银河宇宙线诱发的单粒子效应风险；
◆在600km高度500以上倾角，宇宙线强度随倾角增大在极轨附近饱和；
◆在1400km高度，除了LET≥37的宇宙线不能到达200以下倾角，其他各LET值宇宙线粒子均可以到达该高度的各倾角轨道、强度随倾角增大在极轨附近饱和。
◆在20000km高度，只有LET≥1的部分低LET值宇宙线受到500以下倾角轨道的地磁场偏转强度稍有减小，其他更高LET值宇宙线粒子基本全部到达各个倾角轨道。

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图6 600km不同LET值银河宇宙线粒子强度随轨道

倾角的分布

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图7 1400km不同LET值银河宇宙线粒子强度随

轨道倾角的分布

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图8 20000km不同LET值银河宇宙线粒子强度随
轨道倾角的分布

最后，稍作如下小结。

◆对于地球极轨道不同高度，低、中高轨道银河宇宙线粒子强度差异不超过5倍，均需要认真进行抗重离子单粒子效应设计。

◆选择LET阈值为1、5、15、37、75 MeV.cm2/mg等的器件,在地球极轨道发生重离子单粒子效应的风险从100%降低为1/10、1/100、1/百万和1/亿。

◆对于600km、350以下的低高度低倾角轨道，宇宙线粒子难以到达，重离子诱发的单粒子效应风险极小。

◆但是，对于低地球轨道，类似图2的辐射带质子对LET阈值≤15、尤其是LET阈值≤1的现代数字器件造成的单粒子翻转及锁定极频繁，甚至超过中高轨银河宇宙线的作用，需要认真进行抗质子单粒子效应设计。





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