通过离子-材料相互作用基准保护航空航天电子设备

在外太空和其他恶劣的辐射环境中，高能离子和质子会穿透材料并影响附近的电子系统。这种被称为单粒子效应（SEE）的粒子辐射可以导致设备软或硬错误。只要有一个硬错误就会使太空任务面临风险，因此航空航天工程师必须确保所有关键电子设备都能承受单粒子效应的影响。为了更好地理解这种现象，工程师使用仿真技术能够准确地分析离子-材料之间的相互作用。

什么是单粒子效应？

单粒子效应是由带电粒子（例如高能质子）撞击固体材料引起的一种电路中的电气干扰。这些来自太阳、辐射带和银河宇宙射线的粒子冲击会产生空穴，使电子能够穿过材料。在移动的过程中，这些自由电荷载体最终会在一个节点上停止之前重新组合。在节点上，额外的电荷会导致电压变化，并导致软错误或硬错误。这些错误对于航空航天应用来说尤其成问题，尽管它们也可能发生在地球上具有高辐射水平的区域，例如核试验场附近。

环绕地球数千英里的范·艾伦带中的带电粒子可能会在宇宙飞船中引起单粒子效应。地球陆地的投影，基于 MJ Brodzik 和 KW Knowles 拍摄的图像(参考文献 1)。

软错误与硬错误

如果太空中的关键系统中发生一个硬错误，那么可能意味着任务的结束。例如，2003 年万圣节太阳风暴产生的高能粒子影响了航天器上的许多设备，包括 火星辐射环境实验 (MARIE)，这些设备发生故障后再也没有恢复。原因是硬错误可能具有破坏性，有时甚至需要更换整个设备或系统。不过，庆幸的是，并不是所有由单粒子效应引起的错误都具有如此严重的破坏性。软错误通常没有破坏性，可以通过电源重置来修复。

一个软错误的例子是单粒子翻转，它发生在数字电子设备的两个关键组件中：存储器和逻辑系统。这些系统是微处理器不可或缺的一部分，例如主板和航天器上的科学仪器。微处理器中的一个错误可能会导致整个设备的行为不正确，仅仅由于一个比特从 0 翻转到 1，反之亦然。对于这种类型的软错误，系统通常能够保持运行，并且可以通过反转更改来解决这个问题。

硬错误，包括单粒子锁定、烧毁和门破裂，会导致更持久的影响。例如，单粒子锁定会导致工作电流过高，致使器件无法正常工作；数据丢失；最终，导致器件毁坏。这些锁定通常发生在采用互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术构建的集成电路中，该技术通常用于微控制器和微处理器。例如，功率 MOSFET（诸如用于气象卫星和 GPS 的功率 MOSFET）会发生烧毁和栅极破裂。这些错误会导致电压超出限制，从而使器件失效。

卫星中的硬错误会导致数据丢失并最终导致系统被破坏。

航空航天工程师必须确保所有重要的电子设备都避免软错误和硬错误。然而，由于对具有更多功能、更小尺寸、更快速度和更低电压的技术需求的不断增长，这项任务变得越来越具有挑战性。虽然它在成本和性能方面具有优势，但这些因素意味着临界电荷（扰乱一个节点所需的最小电荷）会越来越小。因此，低能粒子更有可能导致单粒子效应，使设备更容易出错——即使在地球上也是如此。

通过了解带电粒子如何影响材料，航空航天工程师可以设计出能够承受甚至不受单粒子效应影响的电子设备。为了考查这种相互作用，他们可以使用 COMSOL Multiphysics^® 软件和附加的粒子追踪模块，如下面的基准示例所示。

使用 COMSOL^® 软件模拟粒子-材料的相互作用

在这个示例中，高能质子向一块固体硅块移动，初始能量值范围在 1 keV ~100 MeV。一旦它们撞击到材料，质子就会发生电离损失，使粒子速度减慢，并发生核阻止，向随机方向偏转。

要轻松捕获质子的行为，我们可以利用 COMSOL 软件的带电粒子追踪 接口。使用粒子-物质相互作用 节点，可以考虑能量损失以及质子如何散射。此外，还可以使用其中的一个子节点来描述质子对材料的影响。例如，电离损失 子节点将相互作用视为一个沿粒子运动相反方向移动的连续力，而核阻止 子节点则将它视为一个减慢粒子速度并使其沿随机方向偏转的离散力。

接下来，重要的是确定粒子的穿透深度（即离子范围），因为这会影响它们是否会电离附近的电子设备，从而导致单粒子效应。要找到这个深度，我们可以使用两种方法：

1. 使用辅助因变量来模拟连续慢化近似，它假定质子将以稳定的速率减速
2. 通过将质子的速度投影到其原始运动方向来计算投影范围

接下来，我们将展示使用这些方法的结果与已发表文献结果相比的情况。

比较仿真和实验结果

质子倾向于以较低的能量向随机方向移动，因为它们更容易受到核阻止的影响。由于这种效应会导致它们的能量不连续变化，因此我们可以看到连续慢化近似射程与较低端的光谱实验结果并不完全一致。然而，正如预期的那样，投影射程与实验结果非常一致。

对于更高的能量，电离损失更多地控制质子的轨迹，使它们的运动更加线性。因此，随着能量的增加，连续慢化近似和实验之间的一致性也会增加。同样，投影射程与实验也很吻合。

左：初始能量从 1keV 到 100MeV 的粒子轨迹。右：连续慢化近似（黑色星号）和投影射程（黑色圆圈）与已发表文献（红色星号）的结果的比较。

模型和实验方法之间的良好一致性表明，COMSOL^® 软件为工程师提供了准确考查离子-材料相互作用所需的工具。并且，他们可以利用这些知识自信地设计出能够抵抗单粒子效应的电子系统。

下一步

想自己动手尝试基准示例吗？单击下面的按钮，进入 COMSOL 案例库，您可以下载离子射程基准模型和 MPH 文件。

参考文献

1. Brodzik, M. J. and K. W. Knowles. 2002. EASE-Grid: A Versatile Set of Equal-Area Projections and Grids in M. Goodchild (Ed.) Discrete Global Grids. Santa Barbara, California USA: National Center for Geographic Information & Analysis.