阅读说明：本技术 一种基于单片阵列粒子探测器的卫星单粒子翻转监测方法 (Satellite single event upset monitoring method based on monolithic array particle detector ) 是由 李衍存 郝志华 张庆祥 蔡震波 马继楠 乐群星 王建昭 向宏文 贾晓宇 王颖 秦 于 2019-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于单片阵列粒子探测器的卫星单粒子翻转监测方法,包括步骤如下：设计粒子探测器；不同种类粒子的鉴别和处理；建立敏感器件与粒子探测器中粒子数目和LET值的关系；建立敏感器件单粒子翻转位数与粒子探测器测量数据的关系；确定卫星敏感器件在轨异常与空间高能粒子的关联性。本发明的方法实现了卫星敏感器件单粒子翻转效应的在轨监测,能够获得卫星单粒子翻转敏感器件位置处的高能粒子环境,确定卫星异常与空间高能粒子的关联性。(The invention relates to a satellite single event upset monitoring method based on a monolithic array particle detector, which comprises the following steps: designing a particle detector; identifying and processing different kinds of particles; establishing a relation between the sensitive device and the number of particles in the particle detector and an LET value; establishing a relation between single particle upset digits of the sensitive device and measurement data of the particle detector; and determining the relevance of the in-orbit anomaly of the satellite sensitive device and the space energetic particles. The method realizes the on-orbit monitoring of the single event upset effect of the satellite sensitive device, can obtain the high-energy particle environment at the position of the satellite single event upset sensitive device, and determines the relevance of the satellite abnormality and the space high-energy particles.)

一种基于单片阵列粒子探测器的卫星单粒子翻转监测方法

技术领域

本发明涉及一种卫星单粒子翻转监测方法，属于空间辐射技术领域。

背景技术

空间中的质子、重离子入射到电子元器件中，会引发单粒子翻转效应，造成逻辑混乱，影响卫星在轨可靠运行。随着航天技术的飞速发展，航天任务日益复杂和多样化，为满足任务需求，大量采用了商用CPU、大容量FPGA、DSP等高性能器件。这些器件工艺尺寸小、容量高、单粒子翻转阈值低，其单粒子翻转效应问题更为严重。

由于缺乏有效的在轨高能粒子环境数据支撑，当单机在轨发生异常时，如该异常可通过复位、关机开机等恢复，在单机所用器件的单粒子翻转阈值较低、且没有找到其他异常原因的情况下，一般认为单机异常是单粒子翻转导致。因此在轨异常归因于单粒子翻转，很多情况缺乏依据，并且与空间中的放电、电磁环境等造成的异常难以区分，这给后续分析、处理、设计改进等带来困难。

目前空间高能粒子环境监测，一般采用专业的高能粒子探测器。此类探测器常采用多片传感器组成的望远镜式结构，可精确测量粒子种类、能量、通量等参数。但此类探测器设计复杂，一般会形成单独的单机，与卫星设备在空间上隔离，无法测量卫星敏感器件处的高能粒子环境。由于空间高能粒子空间分布是随机的，当此类探测器得到高能粒子信号后，无法确定卫星敏感器件位置处是否存在高能粒子，探测器数据和卫星设备敏感器件异常之间不存在对应关系，无法判断卫星异常是由单粒子翻转效应引发。

对于采用多片探测器构成的粒子探测器探头，为确保粒子同时入射到多片探测器上，此类探头对空间粒子的测量角度比较小；而且由于探测器结构复杂，入射到探测器的粒子和入射到敏感器件的粒子经历的屏蔽厚度差异较大，同一个粒子在探测器和敏感器件中的LET值存在较大差异。

专利“一种在轨粒子探测与单粒子效应监测系统”(申请号：CN201810611919.2)提出了一种基于粒子探测器的单粒子效应监测系统，但该专利中的粒子探测器由2个硅半导体探测器和1个闪烁体探测器构成，结构复杂，无法获得入射粒子的位置信息，未给出空间粒子在探测器和器件中数目和LET值的差异，也未确定器件单粒子翻转与入射粒子之间的关联性。

因此，为建立卫星在轨异常与单粒子翻转效应的确切关系，需要一种简单、适用性强的可测量卫星敏感器件所遭受的高能粒子环境的监测方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明公开了一种基于单片阵列粒子探测器的卫星单粒子翻转监测方法，该方法能够获得卫星单粒子翻转敏感器件位置处的高能粒子环境，确定卫星异常与空间高能粒子的关联性。

本发明所采用的技术方案是：一种基于单片阵列粒子探测器的卫星单粒子翻转监测方法，包括步骤如下：

(1)设计粒子探测器；

(2)通过比较粒子探测器获得的粒子LET值进行不同种类粒子的区分；

(3)建立敏感器件与粒子探测器中粒子数目和LET值的关系，获得空间粒子进入到卫星敏感器件和粒子探测器的数目，以及粒子在卫星敏感器件和粒子探测器中粒子LET值的差异；

(4)建立敏感器件单粒子翻转位数与粒子探测器测量数据的关系，计算质子在卫星敏感器件中产生的单粒子翻转位数n_p、重离子在卫星敏感器件中产生的单粒子翻转位数n_h；

(5)在卫星敏感器件在轨发生异常后，通过粒子探测器测量得到空间高能粒子环境数据，判断卫星敏感器件的异常是否与空间高能粒子有关。

所述粒子探测器采用PIN硅半导体探测器，PIN硅半导体探测器根据探测器厚度d，采用如下公式得到粒子LET值：

其中，ΔE为空间粒子在PIN硅半导体探测器中的沉积能量；d为探测器厚度；ρ为探测器材料的密度。

所述粒子探测器的测量数据包括粒子的LET值参数、粒子数目、入射位置和时间信息；粒子数目通过对探测器电流脉冲的计数得到；粒子探测器采用多单元结构，其中一个单元用于空间质子测量，其余单元用于空间重离子测量，每个单元中心均有对应的坐标，当粒子探测器输出信号时，根据单元的编号，查找对应的单元坐标，获得粒子的入射位置；通过采集粒子探测器中信号产生的时间，获得高能粒子入射的时间信息。

所述粒子探测器输出电流脉冲信号，电流脉冲信号经过电荷灵敏前置放大器和主放大器，形成电压脉冲信号；电压脉冲信号通过峰值保持，再经过A/D变换为数字量，在卫星上实现存储和下传。

粒子探测器尺寸与卫星敏感器件尺寸保持1:1比例关系，粒子探测器应与卫星敏感器件在空间上靠近。

步骤(2)的具体方法为：

舍弃低于0.005MeV·cm²/mg的信号，屏蔽电子的信号；

将粒子LET值在0.005MeV·cm²/mg～1MeV·cm²/mg范围内的粒子划分为质子，根据测量得到的质子LET值，得到对应的质子能量E_p；

将粒子LET值高于1MeV·cm²/mg的粒子划分为重离子，根据重离子LET值分析器件翻转位数。

步骤(3)的具体方法为：

通过对粒子探测器中不同LET值的区分，获得了空间质子和重离子的粒子数目和LET值数据；

采用Geant4粒子输运软件，构建包含卫星敏感器件、粒子探测器、PCB板、单机外壳的仿真模型，采用余弦定律分布的粒子源，仿真分析空间粒子进入到卫星敏感器件和粒子探测器的数目，以及粒子在卫星敏感器件和粒子探测器中粒子LET值的差异。

质子在卫星敏感器件中产生的单粒子翻转位数n_p：

其中，η为粒子探测器中得到粒子信号后，粒子入射到敏感器件上的概率；F_p为粒子探测器在轨监测得到的质子通量；N为卫星敏感器件的bit位数；E_p为根据粒子探测器在轨LET值测量值查表得到的质子能量；λ₁为粒子探测器获得的质子能量与卫星敏感器件中质子能量的差异；σ_{sat_p}、E_th、W_p、s_p分别为卫星敏感器件在质子辐照下的饱和翻转截面、翻转阈值、威布尔函数宽度参数、威布尔函数形状参数。

重离子在卫星敏感器件中产生的单粒子翻转位数n_h：

其中，F_h为粒子探测器在轨监测得到的重离子通量；λ₂为重离子在探测器中的LET值与在敏感器件中LET值的差异，LET为粒子探测器在轨得到的重离子LET测量值；σ_{sat_h}、LET_th、W_h、s_h分别为卫星敏感器件在重离子辐照下的饱和翻转截面、LET阈值、威布尔函数宽度参数、威布尔函数形状参数。

所述步骤(5)中，在同时满足下面条件时，判断卫星敏感器件的异常由空间高能粒子导致：

a、根据步骤(1)获得的粒子入射位置，与卫星敏感器件发生异常的位置相对应；

b、根据步骤(1)获得的粒子入射时间，与卫星敏感器件发生异常的时间相对应；

c、根据步骤(4)计算得到的卫星敏感器件单粒子翻转数目大于1。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明中的粒子探测器仅由1片硅半导体探测器构成，结构简单。由于单粒子翻转效应取决于空间粒子的LET值，采用1片硅半导体探测器即可实现LET的测量，可为器件单粒子翻转位数的计算提供输入数据。

(2)本发明可获得空间粒子的入射位置信息；粒子探测器采用多单元结构，每个单元中心均有对应的坐标。粒子入射到其中某个单元上时，仅该单元会产生信号。当粒子探测器输出信号时，根据单元的编号，查找对应的单元坐标，可以获得粒子的入射位置。

(3)本发明中卫星敏感器件和粒子探测器所遭受的高能粒子环境具有高度关联性；采用单片粒子探测器设计，探测器尺寸与卫星敏感器件等尺寸设计，且粒子探测器与卫星敏感器件空间上紧密安装的方式，可确保卫星敏感器件和粒子探测器所遭受的高能粒子环境具有高度关联性。

本发明采用的单片探测器设计，可有效增大粒子的探测角度范围，并且采用粒子探测器与敏感器件紧密安装的方式，入射到探测器的粒子和入射到敏感器件的粒子经历的屏蔽厚度基本相同，同一个粒子在探测器和敏感器件中的LET值差异较小。采用本发明的方案，粒子探测器测量得到的高能粒子，有70％会入射到卫星敏感器件上；粒子探测器和卫星敏感器件中高能粒子的LET值，仅相差27％。

(4)本发明可简单区分空间不同粒子对敏感器件单粒子效应的影响；空间不同种类粒子的LET值存在差异，可根据粒子探测器的LET值测量数据，通过设置不同的阈值，简单区分空间电子、质子、重离子。电子基本不产生单粒子效应，可直接排除，主要考虑质子和重离子的影响。

(5)本发明确定了卫星敏感器件在轨异常与空间高能粒子的关联性；根据卫星敏感器件单粒子翻转位数和粒子探测器数据之间的定量关系、粒子的入射位置与敏感器件的位置关系、以及粒子的入射时间和敏感器件发生异常的时间关系，可以判断卫星敏感器件在轨异常与空间高能粒子的关联性。

附图说明

图1是本发明建立的基于单片阵列粒子探测器的卫星单粒子翻转监测方法流程图；

图2是粒子探测器设计示意图；

图3是粒子探测器与卫星敏感器件位置关系俯视图；

图4是粒子探测器与卫星敏感器件位置关系正视图；

图5是粒子探测器输出信号处理方式；

图6是采用GEANT4进行粒子探测器和目标器件联合输运仿真示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明的方法进行说明。

如图1所示，一种基于单片阵列粒子探测器的卫星单粒子翻转监测方法，包括步骤如下：

(1)粒子探测器设计

粒子探测器采用PIN硅半导体探测器，探测器厚度为0.03cm。PIN硅半导体探测器可以获得粒子沉积能量ΔE，根据探测器厚度d，采用下面的公式可得到粒子LET值：

其中ΔE为空间粒子在PIN硅半导体探测器中的沉积能量，单位为MeV；d为探测器厚度，单位为cm，本发明涉及的探测器，d＝0.03cm；ρ为探测器材料的密度，单位为mg/cm³，对于硅基半导体ρ＝2.33×10³mg/cm³。

粒子探测器尺寸应与卫星敏感器件尺寸保持1:1比例关系，粒子探测器应采用多单元结构。由于空间质子通量比重离子通量高2个数量级以上，为避免重离子信号淹没在质子信号中，采用质子和重离子分开测量的方式。探测器的多个单元中，其中一个单元用于空间质子测量，其余单元用于空间重离子测量。粒子探测器应与卫星敏感器件在空间上尽量靠近。

图2给出了4×4共16个单元的探测器结构，每个单元的边长为4.5mm，单元间距为0.1mm，其中左上角的探测器用于空间质子测量，其余单元用于空间重离子测量。

图3、图4分别给出了粒子探测器与卫星敏感器件空间位置对应关系的俯视图、正视图。粒子探测器与卫星敏感器件尺寸相同，从俯视图看二者应完全重合。二者距离应尽量接近，图4正视图中二者距离为3mm。

粒子探测器输出电流脉冲信号，电流脉冲信号经过电荷灵敏前置放大器和主放大器，形成电压脉冲信号。电压脉冲信号通过峰值保持，再经过A/D变换为数字量，在卫星上实现存储和下传，如图5所示。

粒子探测器的测量数据除包括粒子的LET值参数外，还应包含粒子数目、入射位置和时间信息。粒子数目通过对探测器电流脉冲的计数得到；粒子探测器采用多单元结构，每个单元中心均有对应的坐标，粒子入射到其中某个单元上时，仅该单元会产生信号，当粒子探测器输出信号时，根据单元的编号，查找对应的单元坐标，可以获得粒子的入射位置；通过采集粒子探测器中信号产生的时间，获得高能粒子入射的时间信息。

(2)不同种类粒子的鉴别和处理方法

空间环境中存在电子、质子、重离子等各种类型的粒子，引发器件单粒子效应的主要是质子和重离子，电子一般不引发单粒子效应，因此探测器应将电子信号排除。步骤(1)中涉及的粒子探测器，可获得粒子的LET值信息，通过比较粒子LET值完成不同种类粒子区分。

A)电子

舍弃低于0.005MeV·cm²/mg的信号，可以屏蔽电子的信号。

B)质子

LET值(0.005～1)MeV·cm²/mg范围内的粒子按照质子对待，最多会对质子通量造成15％的偏差。

质子在卫星敏感器件中产生单粒子翻转与能量有关，采用Bethe-bloch公式计算质子LET值与能量的对应关系，获得下表。查找下表，可以得到对应的质子能量E_p。

C)重离子

LET值高于1MeV·cm²/mg的粒子，按照重离子进行分析，低于该LET值的重离子很难在器件中产生单粒子翻转。

重离子在卫星敏感器件中产生单粒子翻转与LET有关，可直接根据重离子LET值分析器件翻转位数。

(3)建立敏感器件与粒子探测器中粒子数目和LET值的关系

通过对粒子探测器中不同LET值的区分，获得了空间质子和重离子的粒子数目和LET值数据。由于卫星敏感器件和粒子探测器在空间位置上无法做到完全重叠，二者所遭遇的空间粒子的数目和LET值存在一定差异。建立敏感器件与粒子探测器中的粒子数目和LET值的关系，是获得卫星敏感器件单粒子翻转位数与粒子探测器测量数据关系的重要基础数据。

采用Geant4粒子输运软件，构建包含卫星敏感器件、粒子探测器、PCB板、单机外壳的仿真模型，如图6所示。采用余弦定律分布的粒子源，仿真分析空间粒子进入到卫星敏感器件和粒子探测器的数目，以及粒子在二者中LET值的差异。

采用H、He、C、N、O、Ne、Si、Fe空间8种常见粒子进行了仿真，这8种粒子总通量占空间整个粒子通量的99.8％。仿真结果获得了无效比例和探测效率两个参数，其中无效比例为入射到探测器但未入射到器件粒子数与入射到器件粒子数的比值，探测效率为同时入射到探测器和器件粒子数与入射到器件粒子数的比值。无效比例表示粒子探测器的测量结果中没有入射到器件的部分，探测器效率表示粒子探测器的测量结果中入射到器件的部分，结果见下表。

上述仿真结果显示，粒子探测器的测量数据中，有30％左右没有入射到器件上，有70％左右会入射到器件上。因此当粒子探测器获得一个高能粒子信号后，有70％的概率会入射到器件上。

同时仿真了8种粒子的LET值在粒子探测器和卫星敏感器件之间的差异，结果见下表，可以看到二者差异在±27％以内。

序号	离子类型	LET值最小偏差(％)	LET值最大偏差(％)
				1	H	-20.9	+24.8
2	He	-8.4	+26.9
				3	C	-15.3	+20.7
4	N	-10.3	+6.0
				5	O	-14.3	+1.3
6	Ne	-8.5	+17.8
				7	Si	-16.3	+1.2
8	Fe	-6.7	+2.3

通过上述仿真分析，确定了卫星敏感器件高能粒子环境与粒子探测器测量数据的关系，其中粒子探测器测量数据中有70％会入射到卫星敏感器件上，粒子探测器和卫星敏感器件的LET值差异在±27％以内。

(4)建立敏感器件单粒子翻转位数与粒子探测器测量数据的关系

质子和重离子在卫星敏感器件中产生单粒子翻转的机理不同，因此分析二者产生单粒子翻转位数的方法也不相同。

A)质子

质子在卫星敏感器件中产生单粒子翻转与能量有关，单粒子翻转位数可采用下面的公式确定：

其中n_p为质子在卫星敏感器件中产生的单粒子翻转位数，单位为bit。η为粒子探测器中得到粒子信号后，粒子入射到敏感器件上的概率，在本发明设计的粒子探测器及安装条件下，η＝0.7。F_p为粒子探测器在轨监测得到的质子通量，单位为cm^-2·s^-1。N为卫星敏感器件的bit位数，单位为bit。E_p为根据粒子探测器在轨LET值测量值，查表得到的质子能量，单位为MeV。λ₁为粒子探测器获得的质子能量与卫星敏感器件中质子能量的差异，在本发明涉及的粒子探测器及安装条件下，通过仿真分析可以得到λ₁＝0.40。σ_{sat_p}、E_th、W_p、s_p分别为卫星敏感器件在质子辐照下的饱和翻转截面(单位为cm²/bit)、翻转阈值(单位为MeV)、威布尔函数宽度参数(单位为MeV)、威布尔函数形状参数(无量纲)，这四个参数是卫星敏感器件的固有参数，通过地面质子加速器单粒子试验获取。

B)重离子

重离子在卫星敏感器件中产生单粒子翻转与LET有关，单粒子翻转位数可采用下面的公式确定：

其中n_h为重离子在卫星敏感器件中产生的单粒子翻转位数，单位为bit。η、N的含义及数值与公式(2)相同。λ₂为重离子在探测器中的LET值与在敏感器件中LET值的差异，通过仿真分析可以得到λ₂＝0.27。F_h为粒子探测器在轨监测得到的重离子通量，单位为cm^-2·s^-1。LET为粒子探测器在轨得到的重离子LET测量值，单位为MeV·cm²/mg。σ_{sat_h}、LET_th、W_h、s_h分别为卫星敏感器件在重离子辐照下的饱和翻转截面(单位为cm²/bit)、LET阈值(单位为MeV·cm²/mg)、威布尔函数宽度参数(单位为MeV·cm²/mg)、威布尔函数形状参数(无量纲)，这四个参数是卫星敏感器件的固有参数，通过地面重离子加速器单粒子试验获取。

(5)确定卫星敏感器件在轨异常与空间高能粒子的关联性

卫星敏感器件在轨发生异常后，当粒子探测器测量得到空间高能粒子环境数据后，在同时满足下面条件时，可判断卫星敏感器件的异常由空间高能粒子导致：

A)第(1)步获得的粒子入射位置，可与卫星敏感器件发生异常的位置相对应。

B)第(1)步获得的粒子入射时间，可以与卫星敏感器件发生异常的时间相对应。

C)第(4)步计算得到的卫星敏感器件单粒子翻转数目大于1。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。