在外层空间和其他严酷的辐射环境中，高能离子和质子刺穿并影响附近的电子系统。被称为单事件效应（请参阅），粒子辐射可以导致设备中的软或硬错误。由于只有一个硬错误使太空任务处于危险之中，因此航空工程师必须确保所有关键的电子设备都可以承受see。为了更好地了解这种现象，他们可以使用模拟准确地分析离子 - 材料相互作用。
什么是单事件效果？
看到的是由带电颗粒（例如高能质子）引起的电路中的电干扰，击中了固体材料。这些颗粒的影响 - 来自太阳，辐射带和银河宇宙射线 - 创建孔，使电子能够通过材料传播。在移动时，这些自由电荷载体最终在停止节点之前重新组合。在那里，额外的电荷会导致电压发生变化，进而导致柔软或硬错误。这些误差对于航空航天应用尤其有问题，尽管它们也可以在辐射水平高的区域（例如近核测试地点）发生在地球上。
范·艾伦皮带中的带电颗粒围绕着数千英里的地球，可能会导致宇宙飞船的景观。地球地质的投影基于M.J. Brodzik和K.W.的图像。诺尔斯（参考。1）。
软与硬错误
如果在空间的关键系统中仅发生一个硬错误，则可能会拼写任务的终结。例如，2003年万圣节太阳风暴产生的高能颗粒影响了航天器上的许多设备，包括火星辐射环境实验（Marie），发生故障，从未恢复过。原因是硬错误可能具有破坏性，有时到需要更换整个设备或系统的程度。值得庆幸的是，并非由See造成的所有错误都是如此破坏。软误差通常不会破坏性，可以通过电源重置固定。
软误差的一个示例是单个事件障碍，它发生在数字电子设备的两个关键组成部分中：内存和逻辑系统。这些系统是微处理器不可或缺的，例如主板和航天器上的科学仪器。微处理器中的错误可能会导致整个设备的行为不正确，而导致一点从0翻转为1，反之亦然。使用这种类型的软误差，系统通常能够继续运行，并且可以通过逆转更改来解决问题。
硬错误包括单事件闩锁，倦怠和门破裂，会导致更永久的效果。例如，单事件锁存器可能导致工作电流太高，从而导致设备停止正常工作。丢失的数据；最终，该设备的破坏。这些闩锁通常发生在用互补的金属氧化物 - 氧化型（CMOS）技术建造的集成电路中，该技术通常用于微控制器和微处理器。倦怠和门破裂发生在例如电动MOSFET中，例如天气卫星和GPS。这些错误导致电压超过局限性，从而使设备故障。
卫星中的严重错误可能会导致数据丢失，并最终导致系统被破坏。
航空航天工程师必须确保所有重要的电子设备都避免了软错误和硬错误。但是，由于对技术的需求不断增加，功能越来越小，尺寸较小，速度和较低的电压越来越多。尽管在成本和绩效方面有利，但这些因素意味着关键费用（不满意节点所需的最低费用）越来越小。结果，较低的能量颗粒具有更高的造成看到的机会，使设备更容易受到错误的影响，即使在地球上也是如此。
通过了解电荷颗粒如何影响材料，航空工程师可以设计可以承受甚至无敌的电子设备。为了检查这种互动，他们可以使用comsolMultiphysics®软件并附加粒子跟踪模块，如基准示例所示。
与comsol®软件建模粒子材料相互作用
在此示例中，高能量质子向固体硅的块移动，其初始能量值范围从1 KEV到100 MeV。一旦击中材料，质子就会经历电离损失，从而减慢颗粒的速度和核停止，从而使它们偏向于随机方向。
为了轻松捕获质子的行为，您可以利用带电的粒子跟踪界面。使用粒子 - 物质相互作用节点，您可以考虑能量损失以及质子散射的方式。此外，您可以使用其中一个子节点描述质子对材料的影响。例如，电离损失子节点将相互作用视为沿粒子运动相反方向移动的连续力，而核停止子节点将其视为放慢粒子并沿随机方向偏转的离散力。
接下来，重要的是要确定颗粒的穿透深度（即离子范围），因为这会影响它们是否会使附近的电子设备电动化并因此引起SEE。为了找到这个深度，您可以使用两种方法：
- 使用辅助因变量模仿连续减慢近似（CSDA），该变量假设质子会以稳定的速率放慢速度
- 通过将质子的速度投影到其原始运动方向来计算预计范围
接下来，您可以看到这些方法与已发表文献的结果相比。
比较模拟和实验结果
质子倾向于在较低的能量上随机移动，因为它们受到核停止的影响更大。由于这种效果导致他们的能量不断变化，因此您可以看到CSDA范围与频谱下端的实验结果不完全一致。但是，正如预期的那样，预计范围与实验非常匹配。
对于更高的能量，电离损失更多地控制着质子的轨迹，从而使它们的运动更加线性。因此，随着能量的增加，CSDA与实验之间的一致性也是如此。同样，投影范围与实验很好地对应。
左：初始能量的粒子轨迹范围从1 keV到100 meV。右：CSDA（黑色星号）和投影范围（黑色圆圈）与已发表文献（红色星号）的结果进行比较。
模型和实验中的方法之间的良好一致性表明，COMSOL®软件为工程师提供了准确检查离子材料相互作用所需的工具。然后，他们可以使用这些知识来确保设计抵抗看到的电子系统。
下一步
想自己尝试基准示例吗？单击下面的按钮将带您到应用程序库，您可以在其中下载ION范围基准模型和MPH文件的文档。
参考
- Brodzik，M。J.和K. W. Knowles。2002。轻松网格：一套多功能的等级预测和网格在M. Goodchild（ed。）离散的全球网格。美国加利福尼亚州圣塔芭芭拉：国家地理信息与分析中心。
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