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随着人类探索太空的愿望日益增长,从国际空间站到月球、甚至火星的长期任务规划正在逐步成为现实。然而,太空环境的极端条件,特别是太空辐射,对航天器的电子设备、人员健康以及长期任务的可持续性构成了重大挑战。本文将探讨太空辐射对航天任务的影响,特别关注星载计算机和电子设备受到的影响,并讨论如何应对这些挑战。
辐射是一种以射线、电磁波或粒子形式发射的能量形式。在某些情况下,辐射是可见的(可见光)或感觉到的(红外辐射),而其他形式(如X射线和伽马射线)是不可见的,只能用特殊设备观察。虽然辐射会对生物和机械系统产生负面影响,但它也可以被仔细地用来更多地了解这些系统中的每一个。
辐射可以是非电离的(低能量)或电离的(高能量)。电离辐射由具有足够能量的粒子组成,这些粒子可以将电子从其轨道上完全移除,从而产生带正电的原子。能量较低的非电离辐射没有足够的能量从它穿过的材料中去除电子。
太空辐射不同于我们在地球上所经历的辐射种类。太空辐射由原子组成,当原子在星际空间中加速到接近光速的速度时,电子被剥离了——最终,只剩下原子核。
太空辐射由三种辐射组成:被困在地球磁场中的粒子、在太阳耀斑(太阳粒子事件)期间射入太空的粒子,还有银河宇宙射线,它们是来自太阳系外的高能质子和重离子。所有这些类型的空间辐射都代表电离辐射。
表1为1989年3月太阳大耀斑爆发对在轨运行的卫星的影响,
分析表明卫星的故障有70%在于带电粒子辐射
而表2看来,单粒子翻转占比40%,为最主要的卫星故障。
卫星数量:
上图为2005-2020年期间,在上LEO(600至2000 km)的跟踪人造地球卫星数量的演变。
左:小型(<100 公斤)卫星。右:大型(>100 公斤)卫星。
小物体种群以碎片物体为主,而大型物体大多是死有效载荷和火箭级。进化显示出稳步增长。
上图为2005-2020年期间,在低低地轨道(200至600公里)中,跟踪的人造地球卫星数量的演变。
左:小型(<100 公斤)卫星。右:大型(>100 公斤)卫星,包括 Starlink 卫星。
从2016年开始,小型物体数量显示出小型活动有效载荷的快速增加(“立方体卫星革命”)。随着 Starlink 卫星在 2020 年开始占据主导地位,大型物体数量最近出现激增。在此图中,造成大量物体数量的物体很可能是肉眼可见的。
表1为空间辐射对卫星主要元器件可能产生的辐射效应。
在近地轨道(LEO)上,地球的大气层和磁场为LEO提供了一定程度的保护,但这种保护并不是完全的。这意味着星载计算机还是会受到太空辐射的影响,尽管这种影响比更高轨道或深空任务要小。主要有单粒子翻转、总剂量效应、位移损伤。
表格分析:
7 次在轨故障中有 6 次(占 85.7%)是由于单粒子翻转(SEU) 造成的。
主要原因在于两个点:
1. 缺乏在轨数据支撑,当那些单粒子翻转阈值较低的元器件在经历开关机过程后能够恢复正常运作,并且没有发现其他故障原因时,通常会假设故障是由单粒子翻转引起的。
2. 随着大规模集成元器件的广泛使用,单粒子翻转引起故障的概率也随之提高。
由表格看来,主要的问题方面包括单粒子翻转(Single Event Upsets, SEU)、总剂量效应(Total Ionizing Dose, TID)和位移损伤(Displacement Damage, DD)。
注:单粒子翻转属于单粒子效应(Single Event Effects, SEE)中的一种。
单个粒子(如重离子或高能质子)穿过半导体材料时,会产生电子-空穴对。这是由于入射粒子的能量被半导体材料的原子吸收,导致原子中的电子获得足够的能量从价带跃迁到导带,留下一个空穴。
产生的原因主要由重离子和高能质子造成,这些粒子在穿过半导体时带有相当大的动能,能够导致显著的电离。由于电子-空穴对的产生,半导体中会有多余的电荷载体,这些电荷载体可以引起电流脉冲,可能导致器件功能失效。
SEE可以导致一系列破坏性(例如永久性改变材料结构)和非破坏性(例如暂时改变器件状态)损伤。
上图中展示了三种不同的过程:
1. 重离子粒子轨迹:重离子穿过半导体,其路径上会产生大量的电子-空穴对,如图中所示。
2. 质子核反应:质子可以与半导体材料中的原子核发生核反应,产生次级粒子和电荷。
3. 短程反冲产生电离:由于质子或重离子的碰撞,半导体中的原子可能被击出原位(反冲),在短距离内产生电离,如图中所示的小黑点。
SEE主要分为三类:
注:所有这些效应都发生在FPGAs中,这意味着FPGAs在太空中对辐射特别敏感,需要特殊的防护措施来确保它们正常工作。FPGA是一种可现场编程的门阵列,它是一种半导体设备,由成千上万个可配置逻辑块(CLBs)组成,这些逻辑块可以通过编程来实现复杂的数字逻辑功能。
1. 单粒子瞬变(SET):
这是一种脉冲,可以翻转逻辑门的状态。
在组合逻辑中回可能会引起短暂的错误。
左图展示了辐射引起的瞬态现象,其中辐射导致了输出信号的瞬态改变。
2. 单粒子翻转(SEU):
这种“闪烁”被存储器捕获,导致了状态改变。在中间图中,辐射导致存储器中的一个比特发生改变(标记为“bit line C”)。
3. 单粒子功能中断(SEFI):
这会将系统置于导致功能失败的状态,无法通过正常操作解决。需要复位、断电或重新编程。
右图展示了辐射如何影响中央处理单元(CPU)和FPGA,其中辐射可能导致指令记忆体、数据记忆体或FPGA布局中的配置位发生错误。
由于单粒子翻转在之前的表格占比较多,所以单独拉一个分支来阐述
单粒子翻转(Single Event Upset, SEU)是由高能粒子(如来自太阳的质子或来自银河宇宙射线的重离子)穿过半导体材料时与半导体中的原子相互作用,它们可以在微电路中产生足够的电荷,从而改变存储在记忆单元或逻辑门中的数据位——例如,将一个0翻转为1,或者相反。
计算质子单粒子翻转率的一般性公式:
为阈值能量 , 单位MeV; 为质子单粒子翻转截面积,单位cm/bit ; 为质子微分流量。
单粒子翻转造成的主要影响:
1.不会导致永久性损坏,但可能会引起短暂的数据错误,这对于需要高可靠性的应用(如卫星通信、航天器导航系统等)来说是不可接受的。
2.可以导致各种问题,如数据损坏、软件崩溃、系统性能下降,甚至在关键任务操作中引发错误决策。
结合案例分析:
以Xilinx公司为典型案例做分析:
地球轨道高度在1000至11000公里之间的FPGA容易发生单粒子翻转事件。
该卫星运行在大约1200公里高的太阳同步轨道上,并且其轨道路径会穿过辐射水平较高的南大西洋辐射异常带,这使得卫星更容易受到空间异常辐射的影响。通过分析数据包中的时间码,确定了两次异常发生时卫星所在的具体经纬度位置都位于这一辐射异常带内。
经过一系列的试验验证、FPGA复查以及电路分析后,排除了空间温度因素和硬件故障的可能性,最终确定问题是由于FPGA没有足够的空间环境适应性,即受到了空间单粒子效应的影响所致。这表明了在轨卫星的设计中需要考虑更加健壮的防护措施来应对此类空间辐射效应。
典型防护措施的设计:
在敏感体积中沉积的能量是引起单粒子翻转的最本质因素。所以,翻转截面随沉积能量的变化曲线(σ~LET 曲线)才真正反映了单粒子翻转的物理特性。
重离子产生的单粒子翻转符合Weibull 函数分布,公式如下
,,是沉积能量,是产生翻转的沉积能量阈值(临界电荷,W是Weibull函数宽度因子, S是Weibull函数形状因子。
使用欧空局CREME软件可以计算FPGA芯片不同的饱和翻转截面和不同LET阈值下的SEU率。图1显示,SEU率随芯片饱和翻转截面的增大而线性增大,随芯片翻转阈值增大而呈指数减小。这说明,要提高在轨硬件的抗辐射性能,就应该选择饱和翻转截面较小和翻转阈值较高的芯片。
所以上天元器件要选择上述芯片,除了选用合适的元器件外,硬件抗辐射加固设计还包括资源使用率选取、设置EDAC(错误检测与修正)电路、冗余设计(包括单机冗余和三模冗余)、以及硬件计数器设置等方法。
不同晶体管尺寸对辐射反应的影响:
较大的晶体管:
较大的晶体管更容易受到TID的影响,TID是材料吸收的辐射能量的累积量,会导致长期退化。而由于体积较大,单个粒子造成的单事件对较大晶体管的影响较小。与较小的晶体管相比,较大的晶体管通常开关速度更慢,耗电更多。
较小的晶体管:
由于体积较小,单个粒子更容易引起干扰事件,因此SEE是更大的问题。较小的晶体管可能由于体积较小和不同的制造方式,对累积的电离辐射效应的敏感性较低,也可以更快地切换,通常更节能。
三种型号的Xilinx FPGA及其对TID的容忍度水平:
Virtex-4:大约300千拉德(krad)的TID容忍度
Virtex-5:大约500千拉德的TID容忍度
Virtex-7:大于500千拉德的TID容忍度(估计)
所以,随着FPGA的发展(从Virtex-4发展到Virtex-7),它们变得更能够处理TID,这表明半导体材料和制造工艺得到了改进,可能表明采用了更为精细的抗辐射硬化技术。然而,随着晶体管尺寸的趋势变小,SEE的风险增加,这就需要额外的设计考量,如错误校正和缓解技术。
在刚才的案例分析中也提到了总剂量效应(Total Ionizing Dose, TID), 此章将做具体的分析
总剂量效应(Total Ionizing Dose, TID)是太空环境中的一种辐射效应,对星载计算机和电子设备产生长期影响。这种效应是由于长时间累积的电离辐射(如X射线、伽马射线和高能粒子)导致的。
辐射粒子撞击半导体材料时,其能量会激发材料中的中性原子,产生电子-空穴对。这一新形成的物质状态本质上是不稳定的,通常情况下,电子和空穴会迅速发生复合而回归到稳定状态。然而,在工作状态下的半导体设备中,由于施加了外部偏置,内部形成了电场,该电场会驱动电子-空穴对分离,阻止它们立即复合。在半导体或绝缘材料内部,电子和空穴的迁移速度存在显著差异。通常,电子移动得更快,而空穴则移动得相对缓慢。这种速度差异在设备中的钝化层和栅氧层等部分尤为明显。在电场的影响下,较慢的空穴努力通过在栅氧层中“跳跃”的方式迁移。但是,当它们接近栅氧与半导体的界面区域时,会遇到大量的“陷阱”,这些陷阱主要是界面附近的缺陷或不完整结构,导致大部分前来的空穴被俘获,形成了紧邻SiO2/Si界面的氧化物内俘获电荷层,即正电荷层。
同时,部分空穴能够与界面附近的硅-氢(Si-H)键结合,从而释放出H+离子。这些H+离子在电场的作用下向界面进一步迁移,并与Si-H键中的氢原子反应生成H2气体,留下的悬挂键在原位置形成具有正电特性的界面态。
在电场作用下,空穴(正电荷载流子)在栅氧化层SiO2中通过“跳跃”机制迁移。这种跳跃主要是空穴在不同氧化硅网络中的氧原子之间移动。由于空穴的迁移速率相对较慢,它们在迁移过程中容易被氧化层内部的陷阱所捕获。
在电场作用下,空穴(正电荷载流子)在栅氧化层SiO2中通过“跳跃”机制迁移。这种跳跃主要是空穴在不同氧化硅网络中的氧原子之间移动。由于空穴的迁移速率相对较慢,它们在迁移过程中容易被氧化层内部的陷阱所捕获。
同时,一部分空穴可以与界面处的硅-氢(Si-H)键结合,导致H+的释放。这些H+在电场的作用下继续向界面迁移,并与其他Si-H键中的氢原子反应,形成氢气(H2)。这个过程在原位置留下悬挂键(dangling bonds),这些悬挂键会形成具有正电特性的界面态。
上图是一个简化的示意图,展示了在电场作用下空穴迁移、陷阱捕获和界面态形成的过程:
蓝色区域表示SiO2层,棕色区域表示Si层。
红色路径和圆点展示了空穴的迁移路径。
紫色圆点代表被陷阱捕获的空穴,形成的俘获电荷层位于SiO2/Si界面附近。
黑色“X”标记表示由于Si-H键断裂形成的界面态。
绿色箭头表示H+的迁移和H2的形成过程。
位移损伤是一种由辐射粒子(如高能质子、中子或重离子)引起的半导体材料内部结构损伤的过程。当这些高能粒子与半导体材料相互作用时,它们能够将足够的能量传递给材料中的原子,使这些原子从其晶格位置被“击出”,从而在材料内部形成空位和相应的间隙原子。这种现象破坏了材料的晶体结构,导致其电学性能发生变化。
位移损伤的形成:
辐射粒子(如中子或重离子)以高能量撞击半导体材料,对材料中的原子造成直接冲击。这种冲击能够将材料中的原子从其原始晶格位置“击出”,产生一个空位(即原子原来所在位置的空缺)和一个间隙原子(即被移出晶格位置的原子)。
随着大量原子被位移,材料的晶体结构遭到破坏,形成缺陷和杂质集中区域,这些区域成为电子和空穴的复合中心,影响材料的电荷载流子寿命和迁移率。
位移损伤剂量(Displacement Damage Dose, DDD),也称为非电离损伤总剂量(Total Non-Ionising Dose, TNID),是描述由于晶格原子移位造成晶格结构损伤过程中,每单位质量物质所吸收能量的量度,其国际单位是吉瓦(Gy)。为了计算位移损伤剂量,需要了解非电离能量损失(Non-Ionising Energy Loss, NIEL),这是一个物理量,用于表示带电粒子通过位移损伤在材料中每单位路径内损失的能量,单位是(),其值取决于入射粒子的类型、能量以及材料本身。
下图为质子在Si中的NIEL随粒子能量变化曲线。
卫星轨道的位移损伤剂量计算原理:
通过将非电离能量损失(NIEL)与质子能谱()相乘,并对所有能量(E)积分。
根据非电离能量损失定律,器件性能退化与其在位移损伤碰撞过程中传递的总非电离能量损失是成正比关系。这意味着,器件性能的下降可以通过量化非电离能量损失来预测。
位移损伤与TID和SEE的比较:
位移损伤通常不如单事件效应(SEE)或总电离剂量(TID)令人关注。所以对位移损伤的措施相对较泛用, 而且在现代卫星已经被解决。
但是质子可以造成位移损伤,这影响半导体中少数载流子的寿命,并可能导致双极型晶体管的增益下降和漏电流增加。
下图是在低地球轨道(Low Earth Orbit, LEO)环境中,辐射剂量随着防护屏障厚度的变化情况。这里的防护屏障厚度以铝(Al)的密度来衡量,单位是mils(千分之一英寸)。
横轴:表示防护屏障的厚度,从0到300 mils的铝。
纵轴:表示辐射剂量,以rad(辐射吸收剂量的单位)表示。
图中有四条曲线,分别表示不同类型辐射剂量随着屏障厚度增加的减少趋势:
总辐射(Total):蓝色曲线,表示所有类型辐射加起来的总剂量。
质子(Protons):绿色曲线,单独表示由质子引起的辐射剂量。
电子(Electrons):黑色曲线,单独表示由电子引起的辐射剂量。
轫致辐射(Bremsstrahlung):红色曲线,这是一种由电子减速时产生的辐射。
从图中可以看出,随着铝屏障厚度的增加,辐射剂量总体上呈下降趋势。然而,不同类型的辐射在材料中的减弱特性是不同的。例如,轫致辐射的减弱似乎较为缓慢,这是因为轫致辐射是次级辐射,其产生和减弱机制与质子和电子不同。
该图用于指导航天器设计,在低地球轨道环境中,如何选择合适的屏障厚度以减少辐射对航天器上敏感设备,如对FPGA的影响。
概括的说,主要有6点:
1. 选择或开发能够承受高能辐射的材料和组件,包括特殊的半导体材料和电路设计,以减少辐射对电子器件性能的影响。
2. 通过增加额外的屏蔽层(如铅或其他重金属)来吸收或偏转进入航天器的高能粒子,减少它们对内部设备的直接冲击。
3. 在软硬件中实现错误检测与校正机制,自动识别和修正由于辐射引起的数据错误,特别是对于存储和逻辑运算部分。
4. 开发具有自我诊断和恢复功能的系统,能够在检测到辐射引起的故障时自动切换到备用系统或修复损坏的数据。
5. 在任务设计阶段,使用详细的辐射环境模型和仿真工具,预测设备在任务期间可能遭受的辐射水平,据此优化设计和防护策略。
6. 通过在轨监测系统性能,定期进行系统诊断和维护,及时发现并修复可能的辐射损伤。
此图是一种CMOS(互补金属氧化物半导体)晶体管的设计,这种设计用于集成电路中。图中包含了如下元素:
这些设计元素结合在一起形成了CMOS晶体管的一个典型布局,护卫环(guard rings)是为了增强电路的可靠性和稳定性。
上图是CMOS器件在SOI(Silicon on Insulator)基板上的截面视图,展示了辐射对器件产生影响的示例:
图中箭头所示的辐射会在氧化层和半导体界面产生电荷,这可能影响器件的性能,尤其是在太空辐射环境下。SOI技术有助于减少这些辐射效应,因为绝缘层提供了额外的隔离。
总体来说,两张图共同体现了在设计用于辐射环境(例如太空)中的电子器件时,要考虑的一些技术和策略,以提高电子器件在这些极端条件下的稳定性和可靠性。
三模冗余(TMR)是一种常用的容错技术,通过以下步骤来处理SEU:
1. 复制电路:关键电路被复制三份,创建了三个几乎相同的模块。
2. 多数表决:每个模块独立地执行相同的操作并生成输出。一个多数表决器(majority voter)会比较这三个输出。
3. 确定正确的输出:如果一个模块由于SEU而产生错误输出,其他两个模块的一致输出将被多数表决器识别为正确,因为它们占多数(即两个模块显示相同的结果)。
在上图中,三个D触发器(代表电路的复制)的输出被送入多数表决器。如果辐射导致其中一个D触发器的输出发生变化,另外两个未受影响的D触发器将提供相同的输出,多数表决器会选择这个输出作为正确结果。
内存擦洗(Scrubbing)是一种动态的错误检测和修正方法,步骤如下:
1. 创建和维护黄金副本:黄金副本是内存内容的一个正确版本,存储在对辐射具有抵抗力的非易失性存储设备中。
2. 定期比较:系统将在运行时存储的数据与黄金副本进行定期比较。
3. 检测和修正:如果发现实际内存中的数据与黄金副本不一致,系统将把错误的数据替换为黄金副本中的正确数据。
上图具体展示了内存擦洗的过程,图中的元素包括:
1.黄金副本配置存储器(Golden Copy of Configuration Memory):
是一个存储了FPGA配置的正确版本的存储器区域。它是非易失性的,并且对辐射有很好的抵抗性。其内容被视为正确的基准数据。
2. 擦洗引擎(Scrubber):
擦洗引擎负责定期检查配置存储器中的数据,并将其与黄金副本进行比较。如果检测到任何差异,说明可能发生了SEU。
3. 比较引擎(Compare Engine):
这部分硬件或软件负责执行实际的比较操作。它读取当前配置存储器和黄金副本的数据,确定是否有任何不匹配。
4. 配置存储器(Configuration Memory):
是FPGA内部的存储区域,包含了FPGA当前的配置数据,控制着各个逻辑块的功能。
5. 逻辑块(Logic Blocks):
FPGA的基本构建单元,用于执行各种逻辑运算。每个逻辑块可以根据配置存储器中的信息被编程来执行特定的功能。
操作流程:
1. 擦洗引擎定期从黄金副本配置存储器读取正确的配置数据。
2. 擦洗引擎使用比较引擎将黄金副本的数据与配置存储器中的数据进行比较。
3. 如果比较发现配置存储器中的数据与黄金副本不一致(表明可能发生了SEU),擦洗引擎将配置存储器中的错误数据替换为黄金副本中的正确数据。
4. 修正的数据然后被用于重新配置影响的逻辑块,从而修复由SEU引起的错误。
通过这个过程,FPGA可以在不中断正常运行的情况下,纠正由宇宙射线或其他辐射源引起的随机错误。这是保证太空任务中关键硬件可靠性的重要策略。
在本文中,我们深入探讨了太空辐射对航天任务的广泛影响,特别是对星载计算机和其他电子设备的影响。通过详细分析单粒子翻转、总剂量效应和位移损伤等现象,我们不仅理解了这些效应对航天器性能可能造成的危害,还审视了一系列创新防护措施和技术,如三模冗余、内存擦洗和CMOS晶体管的特殊设计,以增强硬件对这些宇宙挑战的抵抗力。
随着人类对太空探索愿望的不断增长,保护航天器免受太空极端环境影响的重要性日益凸显。尽管太空辐射对电子设备构成重大威胁,但通过综合利用现代科技和创新工程设计,我们可以显著提高航天任务的可靠性和成功率。从选择抗辐射性更强的材料和组件到实施先进的错误检测与校正机制,每一步都是确保航天器能够在这些极端条件下正常运行的关键。
未来的航天任务将继续面临太空环境中的挑战,但随着我们对这些问题的了解不断深入,以及技术解决方案的不断发展,我们有理由相信人类将能够更好地适应和克服这些挑战。通过持续的研究和开发,结合跨学科的合作,我们将进一步提高航天器的性能和安全性,为人类在太空探索的新纪元铺平道路。
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