QJ 3219-2005 航天计算机抗核幅射模拟试验方法.pdf

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1、Q.J 中华人民共和国航天行业标准FL 7021 QJ 3219-2005 航天计算机抗核辐射模拟试验方法Simulation test method of nuclear radiation for on-board vehicle computer 2005一04-11发布2005-07一01实施国防科学技术工业委员会发布060508000036 本标准由中国航天科技集团公司提出。本标准由中国航天标准化研究所归口。自U昌本标准起草单位:中国航天时代电子公司第七七一研究所。本标准主要起草人:蒋轩祥、张伟功。QJ 321 9-2005 QJ 321唤一2005航天计算机抗核辐射模拟试验方法1

2、范围本标准规定了航天计算机抗核辐射模拟试验和程序。试验分为模拟电磁脉冲试验、y瞬态剂量率辐照的试验方法。中子辐照试验一般限于电路或部件级，其试验方法可参考GJB762.1一1989(半导体器件辐射加固试验方法一中子辐照试验。本标准适用于航天计算机特别是弹载计算机的研制、试验和分析，并为计算机抗核辐射环境的适应性验证及其性能评估提供依据。2 规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包含勘误的内容或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注目期的引用文件，其最新版本适用于

3、本标准。GJB 150.1-1986 军用设备环境试验方法总则GJB 548A一1996微电子器件试验方法和程序GJB 762.1一1989半导体器件辐射加固试验方法中子辐照试验GJB 762.2一1989半导体器件辐射加固试验方法y瞬时辐照试验3 术语和定义下列术语和定义适用于本标准。3.1 扰动upset 指计算机的一种功能性瞬态故障，包括逻辑状态变化、存储数据翻转和模拟信号瞬态偏移。3.2 问锁latch-up 常规体硅工艺CMOS电路中的一种寄生可控硅现象。当外部存在大的电磁干扰(EMI)、电磁脉冲(EMP)或y瞬态剂量率辐照时就可能形成问锁触发条件。电路一旦问锁并处于维持状态后，轻则

4、导致逻辑状态错误，重则引起PN结损伤甚至烧毁的永久性故障。3.3 电磁场强度electromagnetic field strength 泛指作用于计算机试品上的电压、电流、电荷或电磁场应力。其中，最大电场强度(Emax)是表征电磁脉冲能量的主要参数之一，威胁水平级模拟可达10)Y/m以上。一旦电磁场强度超过计算机试品的易损性阔值时，功能性扰动或微电子器件损伤就会发生。3.4 半幅宽度full width at half maximum amplitude(FWHM) QJ 321弘.，.2005表征电磁脉冲(EM凹的另一主要参数。电磁脉冲(EMP)的波形可用双指数函数表示，其上升时间(Ir)

5、很短，仅为10n5量级，而衰落时间(If) 较长，可达量级。相应地，通常用FWHM来表示EMP的持续时间。3.5 贯穿点point-of-ent叮电磁阻挡层(ba时er)上屏蔽被贯穿并导致EMP能量进入的部位。按贯穿类型可分为贯穿孔和贯穿导管:按结构工程学科也可分为建筑结构的、机械的、设备结构的、电气的贯穿点。减少贯穿点和贯穿点防护是EMP加固的基本技术之一。3.6 扰动(或翻转阐僵剂量率upset tbresbold dose rates (UTDR) 引起计算机功能扰动、逻辑状态变化或数据翻转的瞬态剂量率的辐照级别，是表征计算机抗y瞬态剂量率阑值中具有最小值的参数。3.7 问锁阉值剂量率J

6、atcb-up tbreshold dose rates (LTDR) 引起计算机CMOS微电路问锁的瞬态剂量率的辐照级别，LTDR通常比UTDR离出1个量级以上。3.8 损伤阎值剂量率damage thresbold dose rates (DTDR) 引起计算机微电子器件损伤的瞬态剂量率的辐照级别，DTDR通常比UTDR高出两个量级以上。4 一般要求4.1 试验方法的分类本标准规定的核辐射环境模拟试验方法包括:方法一模拟电磁脉冲试验方法二Y瞬态剂量率试验4.2试验条件按计算机技术条件要求，参照本试验方法编制试验大纲。试验的大气条件按GJB150.1-1986的3.1.1规定。按试验性质，核

7、辐射模拟试验主要分为两类:鉴定(或例行)试验和摸底试验。摸底试验的试验条件可与任务提出方协商确定。应根据理论分析和其他应用情况，合理地确定试验的初始辐射级别和后续次序辐射级别，既能充分保证试验数据的可信度和分辨率，又能有效压缩辐照试验时间和次数。4.3 注意事项试验注意事项如下:a) 应特别注意瞬态故障的记录和判别;b) 接口应具有一定的长线驱动能力，推荐采用串行通信方式，减少试验时的对外连线;c) 充分认识测试系统的重要性和复杂性，尽可能减少各种干扰的影响，以保证试验数据的可信度;d) 充分考虑模拟试验具有的破坏性特点，在试验前采取相应的预防措施;e) 试验过程中电源加电过程，应符合试品技术

8、文件规定的加电次序:f) 对于以CMOS微电路为主体器件的弹载计算机，应特别注意接口和长线通信技术的应用正确性，2 QJ 321 9-2005 以避免由它们带来的干扰甚至月锁的不良影响。5 模拟电磁脉冲试验5.1 试验目的验证或评估航天计算机对核爆电磁脉冲环境的适应性。当进行威胁水平或亚威胁水平模拟时，本方法应视作破坏性试验。5.2试验设备5.2.1 EMP模拟器典型核爆EMP模拟器的主要技术性能如下:a) EMP冲为双指数波形;b)上升时间(tr):运10ns;c) 衰落时间(咐:s级，可选择:d) 最大电场强度(Emax): 103 V/m105V/m，连续可调。5.2.2 传输电缆在电磁

9、辐射场中连接计算机试品到测量系统的电缆应具有完好的屏蔽和接地性能，并尽可能短。电缆的屏蔽程度、位置和长度对试验有很大影响，不同的接地方式也会得到不同的试验结果。如果必须使用长电缆，两端接口都要采用线驱动器。电缆对地应具有小的分布电容和低的漏电，并要求在导线之间具有低的漏电。推荐采用双屏蔽多芯同轴电缆。5.2.3 供电电源除传输电缆外，试品的供电电源及其连线是可能影响试验结果的又一主要因素。若供电电源必须置于电磁辐射场中，则供电电源应是具备EMP加固的。不论供电电源是置于辐射场中还是屏蔽测试间内，其电源连线都应是良好屏蔽的，使电磁脉冲感应的影响足够小。5.2.4 电测量系统电测量系统应具有精确测

10、量电功能和电性能所需的准确性、稳定性和分辨率。在电磁辐射场中工作的全部装置应予以适当屏蔽，并采用合理的接地方式，特别要注意减少电磁能量贯穿点，并对所有客观存在的贯穿点进行屏蔽处理，防止因测量系统本身的处理不当给试验带来的不确定性影响。5.3 试验程序5.3.1 试验大纲试验应按试验大纲规定的要求进行。该大纲应说明试品技术状态、试验时工作状态、运行程序、故障或错误判据、试验首次轰击的初始场强、后续轰击的场强或场强增量等。5.3.2 试晶技术状态只有全面满足了规定的电功能和电特性(含长线传输)的计算机产品才可进行模拟EMP试验。试品的抽选应具有充分的代表性，一般可随机抽选或协商确定。5.3.3 试

11、晶工作状态模拟试验时，试品应取动态工作方式，运行检测程序。当出现瞬态故障或错误时，应能实时地捕捉、记录并指示，以判定该次EMP轰击的确切结果。5.3.4试验条件3 QJ 321 9-2005 应根据试验性质和要求明确模拟EPM试验条件，包括:a)试品放置方向，即试品在模拟器工作空间中可以有与电场方向垂直和平行两种放置状态。由于试品电磁贯穿点的性质和位置不同，不同放置状态的试验结果也会不同。一般情况下，、应取两种放置状态。b) 脉冲半辐宽度，即确定tf值。若试验为鉴定或例行试验，一般取!f为1附若为摸底试验，可取最大值。c)首次轰击的试验级别，即初始场强(Eo)。岛的取值应合理，一般根据理论分析

12、或相应经验而定。d) 后续轰击的试验级别或场强增量。多次轰击的场强增量的取值应合理。其基本原则如下:1 ) 一个方向上总的轰击次数不要少于5次:2) 有助于确定扰动或损伤阔值场强:3)一般最初几次轰击的场强增量可以稍大，而接近扰动或损伤闰值时轰击的场强增量应当稍小，以保证试验数据有较好的分辨率。5.3.5试验过程试验过程如下=a) 按要求将试品置于垂直或平行状态:b) 按要求连接传输电缆和测量系统，并检查屏蔽和接地的完好性:c) 试品加电并处于动态工作方式，运行检测程序:d)试品工作正常后，将模拟器置为试验大纲规定的首次试验级别即初始场强，施加第一次轰击，观测试品工作是否正常:e) 按规定的场

13、强增量要求，逐次施加后续的轰击，观测试品工作是否正常。继续这一过程，直到按试验计划要求确定了扰动或损伤阔值电场强度。5.3.6试验报告试验报告应包括试品概况、技术状态、模拟EMP试验性质、试验条件、试验过程和结果。对试验中出现的故障，应明确说明故障现象和性质(如扰动、问锁或损伤)，给出相应的阔值场强:如为摸底试验，则还应进一步分析并找出薄弱环节，提出改进建议。6 y瞬态剂量率辐照试验6.1 试验目的试验在闪光X射线机上进行，以验证或评估航天计算机对核辐射Y瞬态剂量率环境的适应性。当试验仅限于确定计算机的扰动阁值剂量率时，本方法可视作非破坏性试验:当试验还用来确定损伤i萄值剂量率时，本方法应视作

14、破坏性试验。若试验是用以确定问锁阔值剂量率时，本方法是否具有破坏性要视计算机的问锁防护措施的充分性而定。6.2试验设备6.2.1 辐射源用于本试验的辐射源可以选择强闪光X射线机。在试品辐照时，辐射源应提供一个均匀的(偏离小于20%)的辐照等级:其累积总剂量一般不要超过计算机总剂量失效级别的20%:辐照所伴随产生的电磁脉冲场强不要超过计算机扰动阂值电场强度的10%，使闪光X射线机的复合辐射效应不致影响y瞬态剂量率辐照试验的数据可信度。典型强流脉冲电子加速器的主要技术性能如下:4 QJ 321 9-2005 a) 主机充电电压:70kV; b) y射线平均有效能量=约1.2MeV- 1.7MeV;

15、 c) y脉冲半幅宽度:40ns; d) y剂量率辐照级别:1 X 107 rad (si) /s-l X 101lrad (si) /s.连续可调。6.2.2 剂量测试设备剂量测试设备包括一个测试总剂量的系统(例如热释光剂量计TLD等).脉冲波形监视器，能从电学测量中确定总剂量的有源测量仪(如PIN探测器、法拉弟杯、二次发射监测或电流变换器。采用经校准的P刑二极管可以获得辐射脉冲的波状和剂量，其测试误差应小于士20%。6.2.3 传输电缆位于辐射场中的计算机试品与位于屏蔽测试间的测试系统之间的连接应采用电缆。其中，所有的输人、输出信号应采用同轴电缆，其接口终端应与特性阻抗匹配。为了将噪声减少

16、到可接受的程度，可以采用双屏蔽电缆、三同轴电缆、拉链式套管或其他的附加屏蔽措施。6.2.4 瞬态信号测试采用示波器或数字化仪器来测量瞬态输出电压、电摞电流和剂量测试仪的输出。测试仪器的上升时间应小于10ns。6.2.5 电测量系统电测量系统应具有精确测量电功能和电性能所需的准确性、稳定性和分辨率。能实时地捕捉、记录、指示辐照时产生的瞬态故障:根据试验要求，能和剂量、剂量率测试设备一起，正确地判别、确定当计算机受到扰动、问锁或损伤时相应的剂量率阕值。鉴于Y瞬态辐照试验时会伴随产生较强的电磁脉冲效应，因而在辐射场中工作的全部装置应予以适当屏蔽，并采取合理的接地方式。特别要注意减少电磁能量贯穿点，并

17、对所有客观存在的贯穿点进行屏蔽处理，防止因测量系统本身的处理不当给试验带来的不确定性影响。6.3 试验程序6.3.1 试验大纲辐照试验应按试验大纲规定的要求进行。大纲应说明试品技术状态、试验时工作状态、运行测试程序、故障或错误判据、辐照条件、设想的逐次近似方法和脉冲系列，以较少的辐照次数确定相应的辐射级别以及阔值剂量率。6.3.2 试晶技术状态只有全面满足了规定的电功能和电特性(含长线传输)的计算机产品才可进行y瞬态剂量率辐照试验。试验样品的抽选应具有充分的代表性，一般可随机抽样或协商确定。6.3.3 试晶工作状态辐照试验时，试品应取动态工作方式，运行检测程序。当出现瞬态故障或错误时，应能实时

18、地捕捉、记录并指示，以判定该次辐照试验的确切结果。6.3.4 辐照条件应根据试验性质和要求、辐射源以及试品的特点，确定辐照试验条件，主要包括:a) 根据计算机试品的系统结构、微电子器件类型和工艺、辐射加固等情况，并参照类似产品的试验数据，分析确定计算机扰动、问锁或损伤阔值剂量率的大致范围。5 QJJ2J弘一2005b) 根据闪光X射线机的特性，以及它产生的累我总剂量对试品的影响，初步确定瞬态辐照试验可能施加的辐射脉冲次数。若辐照试验要求分别确定扰动、问锁或损伤阔值剂量率，则应对所需的辐射脉冲次数进行合理的分配。c) 根据步骤a)和步骤b)的结果分析，采用逐次近似方法、初始辐照级别、相应的辐照脉

19、冲序列，以较少的辐照次数确定所要求的阔值剂量率参数。6.3.5试验过程基本的试验过程如下:a) 按要求安装计算机试品、剂量计、辐射脉冲波形监视器、电学仪器等。b) 按要求连接、处理传输电缆和功能测试系统，并检查屏蔽和接地的完好性。c)辐射源调整到规定的工作模式，并提供规定的辐射脉冲宽度。调整定时控制系统，并提供辐射踪冲作用与辐照后测量之间所要求的时间间隔。d)进行试验系统噪声检查。检查方法可按GJB548A -1996方法1021A中有关说明。如果测得的瞬态电压超过预计参数响应的10%，则试验线路不满足要求，须经过修整以减小噪声后才能使用。e) 计算机试品加电并处于动态工作方式，运行检测程序。

20、试品工作正常后，将辐射源强度置为规定的第一个辐照试验级别，开始对试品进行辐照试验，观察试品工作是否正常。辐照瞬态剂量率的测定方法可按GJB762.2一1989有关说明。g)根据首次辐照试验结果决定增加或减小辐照级别，并按设想的脉冲序列进行后续的辐照试验。继续这一过程，直到按试验大纲要求的分辨率确定了相应的辐照阔值。6.3.6 试验报告试验报告应包括试品概况、技术状态、辐照试验性质、辐射游、情况、试验条件、试验过程和结果等。对试验中出现的故障，应明确说明故障现象和性质(如扰动、问锁或损伤)，给出相应的阔值剂量率:如为摸底试验，则还应分析找出薄弱环节，提出改进建议。6 meemwlaHH仆的问中华人民共和国航天行业标准航天计算机抗核辐射模拟试验方法QJ 3219-2005 中国航天标准化研究所出版北京西城区月坛北小街2号邮政编码:100830 北京航标印务中心印刷中国航天标准化研究所发行版权专有不得翻印2005年7月出版定价:11.00元