文章來源：學習那些事

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。

概述

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

地球磁場捕獲的高能質(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高能重離子，核心成分為銀河宇宙射線重離子與太陽粒子事件（SEP）釋放的高能重離子。其中，銀河宇宙射線重離子的空間通量隨時間緩慢變化，相較于太陽粒子事件中高能重離子的劇烈波動，變化趨勢更為平穩(wěn)。從元素構成來看，銀河宇宙射線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活動的11年周期緊密相關——在太陽活動最小年前后，銀河宇宙射線重離子的能量水平與通量均會達到峰值。

空間環(huán)境中的瞬時高能質(zhì)子，主要源于太陽粒子事件。該事件指太陽在短時間內(nèi)爆發(fā)性釋放高能粒子的過程，爆發(fā)持續(xù)時間通常為幾小時至幾天，發(fā)生頻率隨太陽活動周期動態(tài)變化：太陽活動最小年期間，每年僅發(fā)生數(shù)次；而到太陽活動最大年，每年發(fā)生次數(shù)可增至上千次。太陽粒子事件中噴發(fā)出的高能質(zhì)子與重離子，會對高軌道衛(wèi)星及深空探測航天器構成嚴重威脅——不僅會誘發(fā)衛(wèi)星電子設備內(nèi)電子器件與集成電路出現(xiàn)單粒子軟錯誤或硬錯誤，還可能導致航天器系統(tǒng)故障、徹底失效，甚至造成航天任務失敗。

銀河宇宙射線

銀河宇宙射線存在了20億萬年以上，其來源于太陽系以外，包含元素周期表中的所有元素。一般認為，在整個行星際空間，銀河宇宙射線分布是各向均勻的，其全向分布特征為1~10個/(cm2·s)。銀河宇宙射線成分中98%是高能質(zhì)子和重離子，電子和其他粒子只占2%。銀河宇宙射線重離子的能量在幾十兆電子伏以上，最高達到1015 MeV，銀河宇宙射線在行星際空間的傳播速度很高，例如，對碳離子和鐵離子而言，其傳播速度接近光速。在軌衛(wèi)星測量表明，銀河宇宙射線重離子在太陽系內(nèi)其強度分布峰值處的能量約為1GeV。

在占銀河宇宙射線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重離子相對豐度分布，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豐度，原子序數(shù)(核電荷數(shù))Z>25的元素的強度比Z<25的元素的強度要小幾個數(shù)量級。銀河宇宙射線重離子是誘發(fā)星載電子器件和集成電路發(fā)生單粒子效應的主要因素之一，特別是相對豐度較高的鐵離子，其具有較強的穿透能力和高LET(Linear EnergyTransfer，線性能量傳輸)值，是在地面開展單粒子效應試驗及加固性能評估中必須考慮的重要離子成分。

根據(jù)銀河宇宙射線重離子相對豐度分布的特點，在單粒子效應試驗中一般根據(jù)加速器和模擬源特點，選取在穿透能力和LET值方面與銀河宇宙射線重離子相當?shù)募铀倨麟x子或模擬源粒子開展試驗評價與研究工作。

衛(wèi)星測試數(shù)據(jù)表明，能量低于1 GeV的銀河宇宙射線重離子其強度隨能量的變化受太陽活動周期(平均周期為11年)的影響;也就是說，太陽活動對銀河宇宙射線重離子的強度分布有一定的調(diào)制作用。當銀河宇宙射線重離子進入太陽系后，受太陽風的作用，其強度有一定的衰變。銀河宇宙射線重離子的這種衰變在太陽活動最小年時達到最大，而在太陽活動最大年時為最小。太陽活動周期對銀河宇宙射線重離子的這種調(diào)制作用特性是航天器衛(wèi)星電子設備單粒子效應試驗評估和加固設計中必須考慮的變化的重要因素之一，尤其在火星探測和太陽系外探測航天器的電子系統(tǒng)及設備設計方面必須考慮這種動態(tài)的變化特性。在太陽和銀河宇宙射線重離子成分中，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，而通常所說的太陽和銀河宇宙射線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)星工程設計而言，應用的銀河宇宙射線重離子行星際空間分布標準模型是Adams在1986提出;該模型為針對近地空間環(huán)境內(nèi)的描述性模型，其主要依據(jù)對銀河宇宙射線重離子成分的大量測量、離子能量譜分布測量及太陽活動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測數(shù)據(jù)，也有通過氣球和地面觀測獲得的結果，時間跨度約為30年。

Adams模型已在SPACERADIATION商業(yè)軟件包和CREEAM96單粒子效應計算分析軟件包中集成。圖2分別給出了在太陽最小年和太陽最大年的條件下，CREEAM96模型計算的銀河宇宙射線重離子LET積分譜。從圖中可以看出，在太陽最小年的情況下，同一LET值下的銀河宇宙射線重離子通量比在太陽最大年的情況下高出近半個數(shù)量級。圖3給出了在太陽最小年的條件下，采用CREEAM96模型計算的不同軌道高度處銀河宇宙射線重離子LET積分譜。圖4給出了在太陽最大年的條件下，考慮航天器結構對銀河宇宙射線重離子屏蔽[2.54 mm(100 mil)厚的等效鋁]作用下，采用CREEAM96模型計算的一定軌道高度處銀河宇宙射線重離子LET譜，從圖中可以看出，LET值大于75 MeVcm?/mg的銀河宇宙射線重離子，平均每平方厘米上3.3萬年遇見一次。圖5給出了銀河宇宙射線能量、原子序數(shù)及微分通量分布情況。

在圖5中，銀河宇宙射線的離子通量率表示為離子種類及能量的變化曲線，該曲線是基于銀河宇宙射線模型ISO標準ISO15390，針對同步軌道在太陽最小年情況下計算得出。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的所有離子種類的積分通量為1.4x10-3ion/(cm2.year·sr)。

太陽粒子事件

1. 基本特征：太陽粒子事件是太陽系規(guī)模最大的爆發(fā)事件，發(fā)生時太陽黑子附近會異常明亮；主要分為兩類——持續(xù)數(shù)小時（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：通過衛(wèi)星高能質(zhì)子測量數(shù)據(jù)建立了相關模型，如美國噴氣推進實驗室（JPL）的JPL-1991太陽質(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%時能量＞30 MeV（可引發(fā)單粒子效應）的質(zhì)子積分通量為8.21×101? proton/cm2，置信度90%時該數(shù)值為5.01×101? proton/cm2。

4. 高能重離子特性：太陽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)；相關計算（如CREEAM96、SPACE RADIATION軟件）依據(jù)1989年太陽粒子事件模型，但該模型未給出高能重離子計算結果的不確定度系數(shù)。

5. 實測通量范圍與影響：1997-2001年主要太陽粒子事件中，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的預示分析帶來挑戰(zhàn)。

輻射帶高能質(zhì)子

宇宙空間帶電粒子在地磁場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。高能質(zhì)子多分布在內(nèi)輻射帶，其分布受太陽活動周期（最大年邊緣強度低、最小年高）、地磁暴與太陽質(zhì)子事件（影響內(nèi)帶外部邊緣）、地磁場長期變化影響，且南大西洋異常區(qū)因地磁軸與自轉軸不重合，存在高 flux 高能質(zhì)子。

地磁場是輻射帶分布的關鍵，可粗略用傾斜雙極性磁鐵描述，實際因理想化模型偏差大，多數(shù)應用采用IGRF系列模型作為官方標準。計算高能質(zhì)子累積通量常用AP8模型（長期平均不確定度系數(shù)2），內(nèi)輻射帶高能質(zhì)子能量達幾千電子伏至幾百兆電子伏，受太陽活動影響單日通量可能比計算值高2~3個數(shù)量級；以太陽同步軌道（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，考慮AP8不確定度則超2×101?個。

南大西洋異常區(qū)高能質(zhì)子

由于地磁場的異常分布，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。

地磁場的移動導致南大西洋異常區(qū)位置也在慢慢移動。試驗觀察結果表明，異常區(qū)位置每年以0.3°的速度向西方向漂移。這樣一來，在開展低地球軌道衛(wèi)星電子設備和系統(tǒng)單粒子效應評估試驗及加固設計驗證時，必須在環(huán)境分析計算中考慮南大西洋異常區(qū)位置的變化。