地面模拟空间辐射环境下的技术方法及单粒子效应研究

元器件空间环境效应是当前国家航天、"核高基"重大专项迫切需要解决的问题，是制约我国航天事业可持续发展的瓶颈问题。本项目利用兰州重离子加速器冷却存储环提供的中高能重离子模拟空间粒子环境，系统开展航天元器件单粒子效应的地面模拟研究。针对尚未解决的科学问题，重点进行加速器重离子模拟空间辐射环境的等效性研究，重离子辐照的试验技术研究，重离子参数选择对单粒子效应试验结果的影响研究，为元器件的单粒子效应性能评估选择试验条件提供依据，建立数据评价体系。研究新型器件单粒子锁定和深亚微米集成电路单粒子瞬态脉冲的测试技术，掌握新型器件单粒子效应的形成机制和检测手段。初步建立单粒子效应的计算机模拟方法。本项目将在新一代元器件单粒子效应机理以及加速器单粒子效应模拟试验技术方法上获得一系列有价值的成果，为器件的筛选和自主研发抗辐射加固器件性能评估提供技术支撑，将充分发挥大科学工程装置的作用，为航天和国防的安全服务。

航天实践表明，单粒子效应是造成航天器工作异常和故障的重要诱因，而且随着新一代大规模集成线路在空间的应用，发生单粒子效应的频度增加、风险加剧。因此开展单粒子效应的模拟试验技术，发展加固性能评估技术，提高空间辐射环境下电子元器件的可靠性意义重大。. 本课题基于兰州重离子加速器，针对新型电子元器件（SRAM、FPGA、DSP等），系统地开展了地面加速器模拟空间辐射环境的等效性研究，获得重离子种类、离子能量及LET值对单粒子效应试验结果的影响规律；对比研究倾角和降能两种方式改变有效LET值试验结果的等效性；研究了单粒子效应试验中离子射程的影响，获得了几种SRAM器件的射程阈值；研究了高能重离子核反应对新型器件单粒子翻转的影响。研究结果对元器件单粒子效应试验选取离子参数有实际应用价值。. 研究了器件工作电压对单粒子锁定电流峰值的影响，发现单粒子锁定电流与器件工作电压呈线性关系；研究了器件单粒子锁定电流峰值对离子入射角度的依赖关系；自主设计了单粒子效应温度控制系统，实现待测器件的局部加热与恒温室整体加热，通过开展体硅SRAM与SOI SRAM器件的温度试验，验证了该温度控制系统的可靠性。开展了22nm工艺超薄体全耗尽绝缘体上硅晶体管单粒子瞬态效应（SET）研究，空间辐射单粒子瞬态脉冲宽度测量电路研究，以及0.18um部分耗尽SOI器件和电路单粒子瞬态效应研究，在深亚微米集成电路单粒子瞬态脉冲宽度在片测试技术研究方面取得了重要进展。. 课题完成了深亚微米SRAM、SRAM型FPGA，以及DSP器件的单粒子试验方法研究，形成了通用的单粒子试验指南，完成了深亚微米SRAM、SRAM型FPGA，以及DSP单粒子效应敏感性分析。SRAM型FPGA具有可多次重构、集成度高、容量大、功耗低、速度快等明显优势，目前已在众多宇航型号的电子系统中广泛应用。利用研究成果，完成了SRAM、DSP、FPGA单粒子试验，建立了数据库，在中国空间技术研究院元器件辐射效应数据库上发布，供宇航型号设计师使用。在元器件单粒子效应的计算机模拟研究方面，应用蒙特卡洛工具包Geant4 计算辐射粒子与器件材料的核反应以及次级离子在材料中的传输。基于Geant4和TCAD建立了一套评估SRAM单粒子效应的方法。