关于NASA约翰逊航天中心候选电子器件重离子单粒子效应测试结果的学术报告

本文档是一篇发表于2022年IEEE辐射效应数据研讨会（REDW，与2022年NSREC联合举办）的学术会议论文。论文标题为《Compendium of current heavy ion single-event effects test results for candidate electronics for NASA Johnson Space Center》。其主要作者为Joshua M. Pritts, Razvan Gaza, Charles R. Bailey, 和 Kyson V. Nguyen，均来自美国国家航空航天局（NASA）约翰逊航天中心（JSC）的EV5电子设计与制造部门。论文旨在系统性地总结和介绍NASA JSC在2021年为多个载人航天项目开展的电子元器件重离子单粒子效应（Single-Event Effects, SEE）辐射测试的结果与分析。

学术背景与研究目标

本研究的核心科学领域是空间辐射效应与电子器件可靠性。随着NASA Artemis（阿尔忒弥斯）计划、Gateway（门户）月球轨道空间站、Human Lander System（HLS，人类着陆系统）以及VIPER（挥发物调查极地探索车）月球车等深空探测任务的推进，航天器电子系统将暴露于远比近地轨道（Low-Earth Orbit, LEO）严酷的深空辐射环境之中。深空辐射环境主要由银河宇宙射线（Galactic Cosmic Radiation, GCR）和潜在的太阳粒子事件（Solar Particle Events, SPE）构成，其中的高能重离子能够引发电子器件发生单粒子效应，导致功能中断、数据错误甚至永久性物理损伤，严重威胁任务安全。

长期以来，国际空间站（ISS）因其轨道特性（主要受南大西洋异常区South Atlantic Anomaly, SAA的俘获质子影响），对非关键电子设备的认证可采用低注量200 MeV质子测试。然而，对于将长期运行于深空环境的Artemis等项目，其硬件必须承受GCR和SPE的考验，因此进行全面的重离子单粒子效应测试成为强制性要求。本研究正是在此背景下展开，其核心目标是：评估一系列候选商用现货（Commercial-Off-The-Shelf, COTS）和标准电子器件在模拟空间重离子辐射下的性能与失效阈值，为Artemis、Gateway、HLS及VIPER等任务的关键硬件选型与抗辐射设计提供直接的数据支持与风险评估依据。

详细研究流程与方法

本研究并非一个单一、线性的实验，而是一个针对多种类电子器件的标准化辐射效应测试活动的总结。其工作流程主要分为测试协议制定、分场地测试执行、数据收集与分析三个主要阶段，涉及两种不同的测试方法。

第一阶段：测试协议与器件选择 研究团队根据任务需求（如任务时长、辐射环境模型、器件在系统中的关键程度）和风险容忍准则，为不同类型的电子器件选择了相应的测试策略。测试器件范围广泛，包括集成电路（如微控制器、音频处理器）、场效应晶体管（MOSFET，特别是高压SiC MOSFET）、DC-DC电源转换器以及多种COTS解决方案（如Wi-Fi收发器、无线接入点、网络交换机、高清相机）。样本量根据器件类型和测试目的而异，从1个到10个不等（详见表III）。

第二阶段：重离子测试执行 测试在两个世界知名的辐射效应设施进行，分别采用低能和高能重离子束，以覆盖不同的线性能量传输（Linear Energy Transfer, LET）范围和研究目的。 1. 低能重离子测试：在德克萨斯A&M大学（TAMU）的辐射效应设施完成。低能离子束（如论文表I所列的Ar-40和Kr-84）能提供较高的表面LET值，适用于对器件敏感区域进行高LET值的针对性表征。进行此类测试通常需要对器件进行开盖（de-lid），以移除封装材料，使离子束能直接作用于芯片硅体。测试中使用了铝降能片来精确调节入射到器件表面的离子能量和LET值。测试重点在于寻找器件发生单粒子闩锁（SEL）、单粒子烧毁（SEB）、单粒子栅击穿（SEGR）等破坏性单粒子效应（DSEE）的LET阈值，以及单粒子功能中断（SEFI）、单粒子瞬态（SET）等非破坏性单粒子效应（NDSEE）的截面数据。 2. 高能重离子测试：在布鲁克海文国家实验室的NASA空间辐射实验室（NSRL）完成。高能离子束（如论文表II所列的Fe-56, Kr-84, Nb-93, Ag-107, Tb-159, Bi-209）能量更高，穿透力更强（在硅中的射程可达数十毫米）。这种方法特别适用于那些封装复杂、难以或无法进行开盖处理的器件。研究采用了一种名为“可变深度布拉格峰扫描”的特殊技术，通过在高能离子束路径上放置高密度聚乙烯（HDPE）降能片，可以“盲目地”将离子的布拉格峰（能量沉积峰值区域）扫描通过整个器件封装内部的敏感体积，从而有效探测可能存在的弱点。这种方法对于评估如Orion MPCV等项目中使用的复杂商用器件至关重要。

第三阶段：数据记录与分析 对于每个被测器件，研究团队详细记录了以下信息（汇总于表III）：器件型号、制造商、批次代码、功能、工艺技术、样本量、测试设施与日期。测试结果则包括：具体测试配置（如偏置电压）、观察到的效应类型（SEL, SEB, SEGR, SEFI, SET）、韦布尔拟合参数（如LET阈值Lth、饱和截面σsat、形状因子W与S）、以及必要的备注。数据分析的核心是确定每个器件发生各类SEE的临界LET值、截面随LET变化的曲线，并区分效应是可恢复的还是永久性的。

主要研究结果

论文通过详尽的表格（表III）和部分图示，展示了数十种器件的测试结果。以下选取部分具有代表性的结果进行阐述：

1. COTS无线设备的潜力与风险：Doodle Labs的ACM-DB-3工业Wi-Fi收发器在NSRL进行了测试。令人瞩目的是，这款商用设备在高能重离子“盲扫”至LET值高达37 MeV-cm²/mg时仍未发生破坏性失效，显示出其在深空任务中作为Wi-Fi设计基础模块的潜力。然而，它也观察到了从LET=3.3 MeV-cm²/mg开始的单粒子功能中断（SEFI）。相比之下，其他测试的COTS无线接入点（如Aerohive AP650X, Moxa AWK-4131, Cambium Networks Xirrus XH-2-240）和网络交换机（Aitech C660）则表现各异，有的在较低LET下就发生了破坏性失效或需要断电重启的非可恢复错误，凸显了COTS器件在辐射环境下的不确定性和严格筛选的必要性。

2. 功率器件的失效分析：对多种高压MOSFET和DC-DC转换器的测试揭示了清晰的电压相关失效机制。例如，对于Solid State Devices Incorporated (SSDI)的SiC MOSFET SFC85N9051（900V），在Vds=45V, Vgs=0V条件下，LET高达37 MeV-cm²/mg也未观察到破坏性效应；但当Vds升高至90V时，在LET=28.6 MeV-cm²/mg即出现了微栅击穿（µSEGRs）并最终导致完全栅击穿（SEGR）。Vishay的SQP120N06-06 MOSFET也显示了类似的趋势：在Vds=28V时，直到LET=34.9 MeV-cm²/mg仍安全；但在Vds=40V时，LET=34.9 MeV-cm²/mg下发生了SEB和SEGR；当Vds进一步提高到45V时，失效LET阈值降至17 MeV-cm²/mg。这些数据明确表明，工作电压是影响功率器件单粒子烧毁和栅击穿敏感性的关键因素，为电路设计中的降额（derating）应用提供了定量依据。

3. DC-DC转换器的单粒子瞬态特性：对RECOM RS12-2412SZ DC-DC转换器的测试不仅关注了破坏性效应，还详细表征了其单粒子瞬态（SET）行为。测试捕获了在不同LET值下输出电压的瞬时跌落。图1展示了一个在LET=17.6 MeV-cm²/mg下的典型SET波形，而图2则展示了最坏情况下的SET，其输出电压跌落达7-11V，恢复时间超过80毫秒。研究指出，这种幅值大、恢复时间长的瞬态对后续负载电路可能是灾难性的，并建议未来测试应使用更长的观测窗口来捕捉此类瞬态。这为电源系统的冗余设计和瞬态抑制提供了关键数据。

4. 微控制器与存储器的软错误：对Atmel ATmega128L微控制器的测试发现，无论是否加电，其片内EEPROM和Flash存储器在离子辐照下均会发生数据 corruption（破坏），EEPROM在LET=37 MeV-cm²/mg、注量为6e6 ions/cm²时即出现故障。这凸显了在辐射环境中使用未受保护的存储器所固有的风险。

5. 测试方法的应用：论文通过实例验证了高能离子“盲扫”方法的有效性。对于无法开盖的复杂COTS器件，这是获取其辐射耐受性初步数据的唯一实用方法。例如，对Ximea 4K高清相机的测试，在未开盖情况下进行了高能离子扫描，成功发现了其在LET=17.6 MeV-cm²/mg下会导致非易失性存储器（NVROM）损坏的非可恢复错误。

研究结论与价值

本研究系统性地完成了对一系列候选航天电子器件的重离子单粒子效应评估，产生了大量一手辐射效应数据。其核心结论是：不同器件对空间重离子辐射的敏感性差异巨大。部分COTS器件（如特定Wi-Fi收发器）展现出超出预期的耐受性，有潜力在经过评估后用于深空任务，从而降低成本、加速开发。然而，更多的器件，特别是高压功率器件和复杂的商用网络设备，在较低的LET值或工作电压下就可能发生破坏性或功能中断性失效，必须通过严格的测试进行筛选，并在系统设计中采取相应的缓解措施（如降额使用、电路保护、错误校正与系统冗余）。

本研究的科学价值在于为空间辐射效应数据库增添了针对新一代商用器件（包括SiC功率器件、复杂COTS模块）的宝贵实验数据，揭示了其失效模式和阈值，深化了对这些器件在重离子环境下失效物理的理解。其应用价值直接且重大：为NASA当前最重要的Artemis等载人深空探测任务提供了关键的电子元器件选型依据和抗辐射设计指南，有助于降低任务风险，保障航天员安全和任务成功。论文中强调的测试方法（特别是针对不开盖器件的高能离子扫描技术）也为未来评估更复杂、封装更先进的商用器件提供了可行的工程实践路径。

研究亮点

1. 数据的时效性与工程相关性：论文汇总的是2021年进行的最新测试结果，直接服务于即将实施的Artemis等重大航天工程，数据具有极强的现实指导意义。
2. 器件覆盖面广且具有代表性：测试对象涵盖了从基础分立器件（MOSFET）到复杂系统模块（网络交换机、相机）的完整链条，特别是包含了大量有潜力的COTS解决方案，反映了当前航天电子学中“商用化”的趋势及其带来的辐射可靠性挑战。
3. 方法学的结合与应用：同时采用了低能（高LET、需开盖）和高能（低LET、可不开盖“盲扫”）两种互补的测试策略，展示了如何根据器件特点和工程约束灵活选择并执行有效的辐射评估方案。
4. 详实的数据呈现：以表格形式系统化地呈现了每个器件的完整测试配置与结果，包括具体的电压、LET阈值、截面、韦布尔参数等，数据完整、格式规范，极具参考和引用价值。
5. 聚焦深空环境挑战：研究背景明确指向近地轨道以远的深空辐射环境，测试标准和要求相应提高，为应对载人登月及更远深空探测的辐射难题提供了前沿的数据支撑。

其他有价值内容

论文在“致谢”部分感谢了TAMU和NSRL两个测试设施的工作人员，以及提供项目工程支持的众多工程师。这反映了大型辐射测试活动的协作性质。参考文献部分引用了相关领域的经典和近期工作，如COTS器件质子测试、先前的单粒子效应测试汇编、以及可变深度布拉格峰测试方法等，为读者提供了深入研究的线索，并将本研究置于更广泛的学术与工程背景之中。