航空電子設(shè)備大氣中子單粒子效應(yīng)輻射應(yīng)力計(jì)算方法

嚴(yán)拴航，陳冬梅，施發(fā)健，王群勇

（1.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710089；2.北京圣濤平試驗(yàn)工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，北京 100089）

引言

航空電子設(shè)備的日常工作環(huán)境是2萬(wàn)米以下的大氣中子輻射環(huán)境[1]。高能中子撞擊航空電子設(shè)備中半導(dǎo)體集成電路的關(guān)鍵指令或關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理單元，會(huì)發(fā)生1變0或0變1的錯(cuò)誤現(xiàn)象。如果關(guān)鍵指令或關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理單元出現(xiàn)的錯(cuò)誤現(xiàn)象從器件級(jí)傳遞至板級(jí)、設(shè)備級(jí)甚至系統(tǒng)級(jí)，則很可能導(dǎo)致災(zāi)難性或危害性的故障，影響飛機(jī)的安全性與可靠性。因此，定量精準(zhǔn)地計(jì)算航空電子設(shè)備大氣中子單粒子效應(yīng)故障率是風(fēng)險(xiǎn)決策飛機(jī)的安全性的關(guān)鍵[1-8]。我國(guó)已經(jīng)轉(zhuǎn)化了部分國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[9-11]，目前正主導(dǎo)航空電子設(shè)備大氣中子單粒子效應(yīng)故障率計(jì)算方法的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)編制立項(xiàng)工作，其中，大氣中子單粒子效應(yīng)輻射應(yīng)力的計(jì)算、半導(dǎo)體集成電路的大氣中子單粒子效應(yīng)本征敏感特性的獲取，以及航空電子設(shè)備大氣中子單粒子效應(yīng)的故障傳遞率是這一故障率計(jì)算方法的核心與難點(diǎn)。本文僅解決大氣中子單粒子效應(yīng)輻射應(yīng)力的計(jì)算這一難點(diǎn)。

1 航空電子設(shè)備NSEE輻射應(yīng)力計(jì)算方法

1.1 計(jì)算難點(diǎn)

目前各類國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，大氣中子單粒子效應(yīng)輻射應(yīng)力的計(jì)算方法通常采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)典型值6 000個(gè)/cm2h（E＞10 MeV）[1]。然后，根據(jù)波音模型的簡(jiǎn)易查表方法折算為航空電子設(shè)備正常工作的飛行高度與緯度的大氣中子單粒子效應(yīng)輻射應(yīng)力。這一現(xiàn)狀，存在以下問(wèn)題：

1）采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)典型值不能精確計(jì)算飛行航線的中子輻射應(yīng)力。

不同高度、緯度、經(jīng)度的大氣中子輻射應(yīng)力相對(duì)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)典型值來(lái)說(shuō)，可能相差幾倍。其范圍大約為 3 000～18 000個(gè)/cm2h（E＞10 MeV）。加之，先進(jìn)深亞微米半導(dǎo)體集成電路的中子輻射敏感閾值下降至E＞1 MeV，則其范圍大約為3 000～30 000個(gè)/cm2h（E＞1 MeV）。由于航空電子設(shè)備在整個(gè)生命周期會(huì)執(zhí)行不同飛行航線的任務(wù)，在遭受不同大氣中子輻射應(yīng)力影響下的安全性風(fēng)險(xiǎn)必然不同，可靠性與維修性策略也必然不同，可用性應(yīng)用保障也自然不同。在飛機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不同設(shè)計(jì)階段，具體采用的半導(dǎo)體集成電路信息完備情況不同，相應(yīng)的飛行航線中子輻射應(yīng)力變化可能較大。因此，精確計(jì)算飛行航線的中子輻射應(yīng)力需要全面充分地考慮航空電子設(shè)備可能遭遇的最大應(yīng)力，或滿足風(fēng)險(xiǎn)接受許可的最佳應(yīng)力，而不能粗略地僅僅采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)典型值。如果工程應(yīng)用最低要求3倍誤差，那么，作為工程應(yīng)用最終故障率計(jì)算的重要三要素之一的中子輻射應(yīng)力計(jì)算，其誤差不應(yīng)大于這一最低要求。并且，由于過(guò)設(shè)計(jì)的成本代價(jià)昂貴，因此，精確計(jì)算飛行航線的中子輻射應(yīng)力成為迫切需要。

2）飛行航線的中子輻射應(yīng)力計(jì)算不易操作。

在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62396-1附錄D中給出了波音模型的簡(jiǎn)易查表方法，可以參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)典型值6 000個(gè)/cm2h（E＞10 MeV），折算航空電子設(shè)備正常工作的飛行高度與緯度的大氣中子單粒子效應(yīng)輻射應(yīng)力。但是，須專業(yè)人士在掌握附錄D兩個(gè)表與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)典型值的相關(guān)關(guān)聯(lián)關(guān)系后，才能夠正確地使用附錄D。不能夠僅僅通過(guò)高度、緯度、經(jīng)度的輸入，即可獲得大氣中子輻射應(yīng)力。

1.2 計(jì)算目的

按照航空電子設(shè)備的飛行航線，輸入關(guān)鍵半導(dǎo)體集成電路器件的特征尺寸，飛行高度、緯度、經(jīng)度，飛行時(shí)間范圍，計(jì)算航空電子設(shè)備遭受的大氣中子輻射應(yīng)力。

1.3 適用范圍

適用工作環(huán)境：大氣層2.5萬(wàn)米以下的工作環(huán)境。

綜上所述，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代背景，高校圖書館的發(fā)展應(yīng)該重視其服務(wù)水平以及服務(wù)質(zhì)量的提升，進(jìn)一步大膽創(chuàng)新發(fā)展圖書館的服務(wù)模式，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，不斷提升高校圖書館的建設(shè)水平。“互聯(lián)網(wǎng)+”對(duì)于高校圖書館的建設(shè)來(lái)說(shuō)，既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，在這樣的背景下，高校圖書館應(yīng)不斷進(jìn)行服務(wù)模式的創(chuàng)新，才能迎接信息時(shí)代所帶來(lái)的沖擊和挑戰(zhàn)，更加符合新時(shí)代下社會(huì)和諧穩(wěn)定發(fā)展的要求，不斷為廣大的高校師生以及社會(huì)用戶做好服務(wù)工作。

適用計(jì)算對(duì)象：帶有復(fù)雜半導(dǎo)體輻射敏感器件的航空電子設(shè)備。

1.4 圣濤平模型

圣濤平（STEA）基于Boeing與NASA模型發(fā)展而得的修正模型如下[12-15]：

式中：

f—大氣中子有效注量率（#/cm2·h）。

f0—高度12.2 km，北緯45 °，10 MeV以上大氣中子的注量率（#/cm2·h），值為6 000。

AE—高度12.2 km，北緯45 °時(shí)，微電路閾值能量以上大氣中子注量率與10 MeV以上大氣中子注量率的比值（無(wú)量綱）。

AXY—高度12.2 km，不同經(jīng)度X緯度Y，其大氣中子注量率與6 000的比值（無(wú)量綱）。

AZ—北緯45 °，不同高度大氣中子注量率與6 000的比值（無(wú)量綱）。

AC—北緯45 °，高度12.2 km，不同太陽(yáng)活動(dòng)階段，大氣中子注量率與6 000的比值（無(wú)量綱）。通常情況取1。

1.5 圣濤平模型應(yīng)用步驟

第二步：輸入航空電子設(shè)備的飛行航線經(jīng)度、緯度。查表2[16]或3[16]，獲得截止剛度。

第三步：輸入截止剛度，查表4，獲得Axy。

第四步：輸入高度，查表5，獲得Az。

第五步：輸入飛行時(shí)間范圍，查表6，獲得AC。

第六步：應(yīng)用圣濤平模型，計(jì)算中子輻射應(yīng)力。

對(duì)于特定的飛行路線，用戶可以根據(jù)任務(wù)的重要程度，采用平均注量率，或采用峰值注量率，或IEC 62396-1推薦的6 000 n/cm2·h，或極端天氣下的ESW中子注量率（詳見IEC TR 62396-6[6]）。大氣中子平均注量率的計(jì)算如（2）式所示：

式中：

fav—大氣中子輻射平均注量率（#/cm2·h）。

2 航空電子設(shè)備NSEE輻射應(yīng)力計(jì)算查找表

2.1 敏感器件閾值能量AE因子表

通過(guò)查看表1中的器件特征工藝尺寸，獲得能量閾值及相應(yīng)的AE因子。

2.2 截止剛度查詢表 [16]

如表2、表3。

表1 AE因子表[1]

表2 全球經(jīng)緯度對(duì)應(yīng)的截止剛度（0～180°）[16]

2.3 經(jīng)度緯度AXY因子表

查詢表2或3中的緯度、經(jīng)度，得到截止剛度。然后在表4中查截止剛度得到Axy。

2.4 高度AZ因子表

通過(guò)查看表5中的高度獲得Az。

2.5 太陽(yáng)活動(dòng)Ac因子表

通過(guò)查看表6中的飛行時(shí)間范圍與標(biāo)桿時(shí)間太陽(yáng)活動(dòng)的預(yù)期狀態(tài)類似情況，獲得太陽(yáng)活動(dòng)Ac因子。極端天氣，詳細(xì)情況參見IEC TR 62396-6[6]。

表3 全球經(jīng)緯度對(duì)應(yīng)的截止剛度（180～360°）[16]

表4 Axy因子表

表5 AZ因子表

表6 Ac因子表

3 結(jié)論

本文提出了航空電子設(shè)備大氣中子單粒子效應(yīng)輻射應(yīng)力計(jì)算方法，即圣濤平模型及其因子查找表。尚待國(guó)內(nèi)空間探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證。