一种用于评估空间器件发生单粒子事件效应的概率的方法，该方法利用高能质子探测器实测的数据作为持续动态输入，利用粒子输运工具计算出不同能量粒子在卫星结构材料中的射程，并结合需要评估的空间器件的相关参数，其后依据高能粒子输入的空间通量谱结合粒子在卫星结构材料中的深度关系计算出高能粒子在目标位置处的空间通量谱，在获得目标位置处的空间通量谱后，结合不同能量下空间器件发生单粒子事件效应的概率之间的关系，最后获得在目标位置处在空间器件中发生单粒子事件效应的总概率。
1.一种用于评估空间器件发生单粒子事件效应的概率的方法，其特征在于，包括：步骤1：利用粒子输运仿真工具计算不同能量的空间粒子在卫星结构物质中的入射深度的能量-射程关系和射程-能量关系；
步骤2：获得空间器件受遮挡深度，所述受遮挡深度是指空间器件离卫星表面的深度；
步骤3：获取待评估的空间器件的参数，包括σsat、L1/e或σsat、Lth、W、S，空间器件参数由地面试验或者数值仿真获得，其中:σsat为单粒子事件效应发生概率饱和截面，
L1/e为单粒子事件效应发生概率的截面将至1/e时的相应能量点，e为自然对数底数，Lth、W、S为概率分布函数Weibull的系数值；
步骤4：以预定的时间间隔获取一个评估时间段内的空间粒子的通量数据作为输入空间环境数据；
步骤5：将步骤4获得的通量数据依据粒子的通量与其能量之间的幂律关系重建为微分能谱；
步骤6：依据步骤1所获得不同能量粒子在穿透不同深度卫星结构物质后的能量-深度关系，依据步骤2所给出来的空间器件受遮挡深度和步骤3所给出来的待评估的空间器件的参数，并依据步骤5给出来的粒子微分能谱，利用下面公式计算空间器件在不同时刻发生单粒子事件效应的概率：其中，i表示能量点,E表示粒子能量， 为空间粒子的能量向量， 为空间粒子通量谱向量， 为卫星结构深度x处的空间粒子通量微分谱向量， 为粒子能量-射程关系向量, 为粒子在卫星结构深度x处的能量向量， 为粒子能量-射程关系向量， 为空间器件发生单粒子事件效应的截面向量， 为不同能量点空间器件发生单粒子事件效应的概率，fSEE(t)为空间器件在某一时刻发生单粒子事件效应的概率总和，其中， 由不同能量点的σSEE(i)组成，单个能量点的σSEE(i)的计算方法依据所获得的空间器件的参数而定：如果获得了空间器件的σsat和L1/e，则采用下列计算公式：如果获得了空间器件的σsat、Lth、W、S，则采用下列计算公式：
2.根据权利要求1所述的用于评估空间器件发生单粒子事件效应的概率的方法，其特征在于，还包括：步骤7：采用Python或Matlab软件将计算结果可视化。
3.根据权利要求1或2所述的用于评估空间器件发生单粒子事件效应的概率的方法，其特征在于，重建能谱的能道数目不少于2道，即能量点数目不少于2个。
4.根据权利要求1或2所述的用于评估空间器件发生单粒子事件效应的概率的方法，其特征在于，输入空间粒子为空间质子，其能段低端小于10MeV、高端大于等于10MeV。
5.根据权利要求1或2所述的用于评估空间器件发生单粒子事件效应的概率的方法，其特征在于，输入空间粒子为空间电子，其能段低端小于等于500keV、高端大于等于2MeV而小于10MeV。
6.根据权利要求1或2所述的用于评估空间器件发生单粒子事件效应的概率的方法，其特征在于，步骤1中的粒子输运仿真工具包括Geant4、MCNP及SRIM。
7.根据权利要求1或2所述的用于评估空间器件发生单粒子事件效应的概率的方法，其特征在于，卫星结构物质包括金属铝、铝镁合金，空间器件物质包括硅、锗及砷化镓。
一种用于评估空间器件发生单粒子事件效应的概率的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及卫星在轨空间辐射环境效应防护管理领域，尤其涉及一种用于评估地球低轨道辐射带质子导致的空间器件发生单粒子事件效应的概率的方法。
背景技术
[0002] 空间辐射环境的高能电子、高能质子及重离子等要素都会对卫星造成辐射效应危害，其中高能电子会对卫星造成辐射剂量、充电效应，而高能质子和重离子则还会造成另外一类辐射效应，也被称之为单粒子事件效应(Single Event Effect-SEE)。
[0003] 空间粒子在穿越物质的过程中会由于受到原子核和核外电子形成的阻力而损失掉能量，而损失掉的能量将会转移给阻滞其的物质，单位内转移给阻滞物质的能量被称之为线性能量转移(Linear Energy Transfer-LET)，当LET值超过一定值就可能导致空间器件发生单粒子事件效应。根据在空间器件内的危害表现单粒子事件效应分为单粒子翻转、单粒子锁闭、单粒子瞬态等。运行在地球空间的卫星会遭受到宇宙线重离子和辐射带质子的辐照，重离子和质子都可以造成空间器件的单粒子事件效应，其中辐射带质子将通过与卫星物质发生核反应而产生重离子，进而造成卫星内的空间器件发生单粒子事件效应。
[0004] 如果卫星内的空间器件发生单粒子事件效应，轻则造成数字逻辑位的翻转，诸如由“0”变“1”或由“1”变“0”，造成干扰，重则造成空间器件烧毁等，导致单机故障、甚至整星故障，前者被称之为单粒子翻转效应(Single Event Upset-SEU)，后者被称之为单粒子烧蚀效应(Single Event Burnout-SEB)。
[0005] 由于卫星发生单粒子事件效应会对卫星造成干扰危害，因此，在卫星研制阶段、在轨管理及事后故障诊断阶段，开展对卫星空间器件发生单粒子事件效应的概率的评估是一种降低由于单粒子事件效应造成的危害的重要手段。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于，为了避免卫星在轨应用的空间器件由于空间质子造成的单粒子事件效应的危害而评估该事件效应发生的概率，本发明提供一种用于评估空间器件发生单粒子事件效应的概率的方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明提出了一种用于评估空间器件发生单粒子事件效应的概率的方法，该方法利用高能质子探测器实测的数据作为持续动态输入，利用粒子输运工具计算出不同能量粒子在卫星结构材料中的射程，并结合需要评估的空间器件的相关参数，其后依据高能粒子输入的空间通量谱结合粒子在卫星结构材料中的深度关系计算出高能粒子在目标位置处的空间通量谱，在获得目标位置处的空间通量谱后，结合不同能量下空间器件发生单粒子事件效应的概率之间的关系，最后获得在目标位置处在空间器件中发生单粒子事件效应的总概率。
[0008] 具体步骤如下：
[0009] 步骤1：利用粒子输运仿真工具计算不同能量的空间粒子在卫星结构物质中的入射深度的能量-射程关系和射程-能量关系；
[0010] 步骤2：获得空间器件受遮挡深度，这里“受遮挡深度”是指空间器件离卫星表面的深度；
[0011] 步骤3：获取待评估的空间器件的参数，包括σsat、L1/e或σsat、Lth、W、S，空间器件参数由地面试验或者数值仿真获得，
[0012] 其中:σsat为单粒子事件效应发生概率饱和截面，
[0013] L1/e为单粒子事件效应发生概率的截面将至1/e时的相应能量点，e为自然对数底数，
[0014] Lth、W、S为概率分布函数Weibull的系数值；
[0015] 步骤4：以预定的时间间隔获取一个评估时间段内的空间粒子的通量数据作为输入空间环境数据；
[0016] 步骤5：将步骤4获得的通量数据依据粒子的通量与其能量之间的幂律关系重建为微分能谱；
[0017] 步骤6：依据步骤1所获得不同能量粒子在穿透不同深度卫星结构物质后的能量-深度关系，依据步骤2所给出来的空间器件遮挡深度和步骤3所给出来的待评估的空间器件的参数，并依据步骤5给出来的粒子微分谱，利用下面公式计算空间器件在不同时刻发生单粒子事件效应的概率：
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]
[0022] 其中，i表示能量点,E表示粒子能量， 为空间粒子的能量向量， 为空间粒子通量谱向量， 为卫星结构深度x处的空间粒子通量微分谱向量， 为
粒子能量-射程关系向量, 为粒子在卫星结构深度x处的能量向量， 为粒子
能量-射程关系向量， 为空间器件发生单粒子事件效应的截面向量， 为不
同能量点空间器件发生单粒子事件效应的概率，fSEE(t)为空间器件在某一时刻发生单粒子事件效应的概率总和，
[0023] 其中， 由不同能量点的σSEE(i)组成，单个能量点的σSEE(i)的计算方法依据所获得的空间器件的参数而定：
[0024] 如果获得了空间器件的σsat和L1/e，则采用下列计算公式：
[0025]
[0026] 如果获得了空间器件的σsat、Lth、W、S，则采用下列计算公式：
[0027]
[0028] 较好地，本发明的方法还包括步骤7：采用Python或Matlab软件将计算结果可视化。
[0029] 根据本发明的一个实施例，所述空间粒子为空间质子。
[0030] 根据本发明的又一个实施例，所述空间粒子为空间电子。
[0031] 作为上述技术方案的一个实施例，所述空间电子输入的能段低端小于等于500keV、高端大于等于2MeV而小于10MeV。空间质子能段低端小于等于10MeV、高端大于等于
10MeV。
[0032] 根据本发明的一个实施例，第一步骤中的粒子输运仿真工具包括Geant4、MCNP及SRIM。
[0033] 根据本发明的一个实施例，卫星结构物质包括金属铝、铝镁合金，空间器件物质包括硅、锗及砷化镓。
[0034] 本发明的评估方法适合于地球空间运行的各类航天器，包括三轴稳定和自旋稳定的卫星。
[0035] 本发明的优点在于：针对研究空间粒子对卫星器件发生单粒子事件效应的危害分布和防护策略、方法技术的需求，利用本发明的卫星器件发生单粒子事件效应的概率的评估方法进行计算和分析，可以根据实测空间粒子的数据对器件发生单粒子事件效应的概率进行评估，从而便于在卫星工程设计、故障诊断、在轨管理等工程阶段应用。
附图说明
[0036] 图1为本发明的评估空间器件发生单粒子事件效应的概率的方法的流程图；
[0037] 图2为利用本发明评估方法得出的FPGA器件发生单粒子翻转概率的全球分布散点图。
具体实施方式
[0038] 下面结合附图和优选实施例对本发明的一种用于评估空间器件发生单粒子事件效应的概率的方法进行详细说明，此实施例中以卫星结构物质铝(Al)来作为范例进行说明[0039] 首先，步骤1：利用Geant4软件计算不同能量的空间粒子在物质铝(Al)中的入射深度的能量-射程关系和射程-能量关系，在此实施例中，可以是如表1所示的表格。
[0040] 表1为空间质子在金属铝材料输运过程的能量与深度表格对。
[0041]能量(MeV) 射程(mm)
1.0 0.01438
2.0 0.04163
… …
50.0 10.75
… …
275.0 209.58
300.0 242.04
[0042] 步骤2：获得空间器件的遮挡深度。作为示范例，本实施例中，卫星蒙皮以1mm的铝的等效厚度作为样本。
[0043] 步骤3：作为范例选取1款4百万门的FPGA(现场可编程门阵列)的单粒子翻转效应的Weibull函数系统，σsat＝3.8×10-14、Lth＝3.0、W＝12、S＝0.5。
[0044] 步骤4：选取太阳同步轨道的轨道风云三号卫星的空间粒子的通量数据作为输入，包括5个能道的电子数据，其中最低能道电子的能量大于0.15MeV，而最高能道电子的能量大于2MeV而小于5.7MeV,6个能道的质子数据，其中最低能道质子的能量为大于3MeV，最高能道质子的能量大于100MeV而小于300MeV。每间隔5分钟获取一个通量数据，取2011年12月02日至2011年12月12日作为评估时间段。在一个实施例中，所述输入高能电子数据的能段低端小于等于500keV、高端大于等于2MeV，高能质子能段低端小于等于10MeV、高端大于等于10MeV。
[0045] 步骤5：依据步骤4获得的数据，按照不同时刻粒子通量与其能量之间为幂律的关系，如果获得的粒子通量数据为积分谱数据，则依幂律关系将其重建为微分能谱，重建后的能谱不少于2个能道。
[0046] 步骤6：依据步骤1所获得的不同能量粒子在穿透不同深度的卫星结构物质(Al)后的能量-深度关系，依据步骤2所给出的空间器件的遮挡深度和步骤3所给出的待评估空间器件的参数，并依据步骤5给出的粒子微分能谱，利用下面公式计算空间器件在不同时刻发生单粒子事件效应的概率：
[0047]
[0048]
[0049]
[0050]
[0051] 其中，i表示能量点,E表示粒子能量， 为空间粒子的能量向量， 为空间粒子通量谱向量， 为在卫星结构物质深度x处的空间粒子通量微分谱向量，
为粒子能量-射程关系向量, 为粒子在卫星结构物作深度x处的能量向量，
为粒子能量-射程关系向量， 为空间器件发生单粒子事件效应的截面向
量， 为不同能量点处空间器件发生单粒子事件效应的概率，fSEE(t)为空间器件在某一时刻发生单粒子事件效应的概率的总和。
[0052] 其中， 由不同能量点的σSEE(i)组成，单个能量点的σSEE(i)的计算方法依据所获得的空间器件的参数而定：
[0053] 如果获得了空间器件的σsat和L1/e，则采用下列计算公式(5)：
[0054]
[0055] 如果获得了空间器件的σsat、Lth、W、S，则采用下列计算公式(6)：
[0056]
[0057] 根据本发明的一个实施例，还包括步骤7：采用Python或Matlab将计算结果可视化，以方便分析。
[0058] 本发明的评估方法适合于卫星内部各类半导体空间器件的单粒子事件效应发生概率的评估。此外，本发明的评估方法适合于地球空间运行各类航天器，包括三轴稳定和自旋稳定卫星。
[0059] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
