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质子单粒子效应截面预测取得重要进展

2023-11-14 08:58     来源:中国原子能科学研究院     粒子物理原子核
当存储信息出现错乱,当卫星姿态突然失控,当气象卫星错误预报了天气,当导航系统信号播发异常,这些问题可能都归咎于一个物理现象——空间辐射效应。

质子作为空间辐射环境的主要成分,会引发电子器件产生单粒子效应,这是造成航天器在轨故障乃至灾难性后果的主要因素之一。

(图源网络)

近日,原子能院抗辐照应用技术创新中心对经典的电子器件质子单粒子效应(SEE)截面预测模型——突发产生率(BGR)模型进行了证明与修正,修正后的模型有助于深入开展质子单粒子效应机制研究,并为建立更为可靠的器件空间抗辐射性能评估方法提供助力;同时,经修正的模型也适用于中子单粒子效应,为开展日益受到关注的大气中子单粒子效应研究提供了重要工具。该研究成果发表于电子器件领域国际顶级期刊《IEEE Electron Device Letters》(《电气与电子工程师协会电子器件快报》),其影响因子为4.9。论文第一作者和通讯作者为原子能院核物理研究所副研究员韩金华。

质子SEE截面预测模型是单粒子效应研究的重要方向,对于评估器件在空间中的抗辐射性能、保障航天器的安全可靠运行具有重要应用价值。作为一种已得到广泛应用的经典模型,BGR模型能够基于重离子SEE截面预测质子SEE截面。然而已有文献中缺乏具体证明过程,领域内研究者对其中的参数敏感体积的电荷收集效率C存在疑惑,且模型预测结果不理想,特别是在高能处的变化趋势与实验结果不相符。基于这些问题,研究团队开展了本次研究。

此次研究对BGR模型进行了详细证明和修正,指出参数C不应出现在模型中,引入了核反应体积的概念,使预测结果的调整范围更大。研究还对模型中关键的BGR函数的计算施加了约束条件,解决了高能质子核反应会在敏感体积内引发不合理的过大能量沉积问题,从而在高能处给出正确的质子SEE截面的变化趋势。研究团队针对4款不同特征尺寸的静态随机存取存储器(SRAM)开展了单粒子效应实验,证实修正后的BGR模型预测的质子SEE截面与原始模型相比有了显著改善。


 
 
 

修正前后BGR模型对4款不同特征尺寸SRAM器件的预测结果

该研究工作得到了国家自然科学基金青年基金和联合基金、财政部稳定支持等项目的资助。


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