军抗辐射加固技术体系培训材料

1、军抗辐射加固技术体系培训材料徐娜军-抗辐射加固技术体系-培训材料提 纲一、抗辐射加固技术体系的内涵二、抗辐射加固技术的作用和意义三、抗辐射加固技术体系及其组成四、抗辐射加固技术体系发展趋势一、抗辐射加固技术体系的内涵1、什么是抗辐射加固技术？ 抗辐射加固技术是提高系统抗辐射损伤抗辐射加固技术是提高系统抗辐射损伤能力，确保可靠完成规定任务的技术。能力，确保可靠完成规定任务的技术。2、什么是体系？ 指一定范围内由事物或系统按照一定的秩指一定范围内由事物或系统按照一定的秩序和内部联系组合成的一个的有机整体。序和内部联系组合成的一个的有机整体。 例如：宇宙体系、导航体系 抗辐射加固技术体系 等等 一、

2、抗辐射加固技术体系的内涵3、什么是系统 一般系统论创始人贝塔朗菲的定义是：系统是相互联系相互作用的诸元素的综合体。 中国学者钱学森认为：系统是由相互作用相互依赖的若干组成部分结合而成的，具有特定功能的有机整体，而且这个有机整体又是它从属的更大系统的组成部分。 一、抗辐射加固技术体系的内涵 系统的特性：一多元性，系统是多样性的统系统的特性：一多元性，系统是多样性的统一，差异性的统一。二相关性，系统不存在孤立一，差异性的统一。二相关性，系统不存在孤立元素组分，所有元素或组分间相互依存、相互作元素组分，所有元素或组分间相互依存、相互作用、相互制约。三整体性，系统是所有元素构成用、相互制约。三整体性，

3、系统是所有元素构成的复合统一整体。的复合统一整体。 抗辐射加固的对象：系统。其组成元素主要抗辐射加固的对象：系统。其组成元素主要包括材料、电子元器件、设备、分系统、结构件包括材料、电子元器件、设备、分系统、结构件等等 具有系统复杂性的特征。具有系统复杂性的特征。 如卫星系统、星座系统等如卫星系统、星座系统等 一、抗辐射加固技术体系的内涵 工作在辐射环境中的系统，在射线/粒子等辐射的作用下会产生各种辐射效应甚至损伤，在系统的设计和制造过程中采取各种防护措施以提高系统在辐射环境中可靠完成工作的能力，并采用试验和仿真等方法对这种能力进行验证，形成各种标准规范，对批量生产具有同样能力的系统提供保证，按

4、照这一流程进行的技术活动，相互之间有机结合，形成了抗辐射加固技术体系。一、抗辐射加固技术体系的内涵特点： 抗辐射加固技术体系是核科学、空间科学、辐射物理学、材料科学、核武器技术、导弹技术、航天技术、信息技术、电子技术、数值模拟和仿真技术等多学科交叉融合的研究领域，具有显著的综合性、共用性和应用性。二、抗辐射加固技术的作用和意义 作用 抗辐射加固技术能够使工作在辐射环境中的系抗辐射加固技术能够使工作在辐射环境中的系统不因辐射效应或损伤导致功能异常、寿命缩短和统不因辐射效应或损伤导致功能异常、寿命缩短和任务失败，提高其可靠完成预定任务的能力。任务失败，提高其可靠完成预定任务的能力。 意义 民用意义

5、：和平利用空间、和平利用核能、电民用意义：和平利用空间、和平利用核能、电力、通信与网络力、通信与网络 军事意义：军用航天器、战略性武器的生存与军事意义：军用航天器、战略性武器的生存与突防突防三、抗辐射加固技术体系及其构成体系框图（一）系统工作的辐射环境1、定位、定位 系统工作的辐射环境是引发系统及其构成元系统工作的辐射环境是引发系统及其构成元素辐射效应、产生辐射损伤的根本因素，是进行抗素辐射效应、产生辐射损伤的根本因素，是进行抗辐射加固技术研究的输入条件。辐射加固技术研究的输入条件。2、对象、对象 天然辐射环境：空间辐射环境、大气层辐射天然辐射环境：空间辐射环境、大气层辐射环境、雷电电磁脉冲等

6、环境、雷电电磁脉冲等 人为辐射环境：核爆炸辐射环境、核电磁脉人为辐射环境：核爆炸辐射环境、核电磁脉冲、定向能（激光、高功率微波、粒子束）冲、定向能（激光、高功率微波、粒子束） 系统内部的辐射环境：射线系统内部的辐射环境：射线/粒子等辐射穿透粒子等辐射穿透系统壳体或蒙皮，在系统内部形成的辐射环境系统壳体或蒙皮，在系统内部形成的辐射环境（一）系统工作的辐射环境3、内涵、内涵 系统工作的辐射环境往往是一个综合的辐射系统工作的辐射环境往往是一个综合的辐射场。采用辐射探测、数值模拟的方法，研究辐射场场。采用辐射探测、数值模拟的方法，研究辐射场中射线或粒子的成份、能谱、通量、注量、时空分中射线或粒子的成份

7、、能谱、通量、注量、时空分布，研究电、磁场强度、时域、频域特征等参数，布，研究电、磁场强度、时域、频域特征等参数，建立辐射环境模型，并通过辐射场动态变化分析、建立辐射环境模型，并通过辐射场动态变化分析、辐射探测方法不确定度分析、数值模拟方法不确定辐射探测方法不确定度分析、数值模拟方法不确定度分析等研究，获得辐射环境模型的不确定度。度分析等研究，获得辐射环境模型的不确定度。（一）系统工作的辐射环境4、研究的方法和途径 试验测量：测量真实辐射环境射线试验测量：测量真实辐射环境射线/粒子、粒子、电磁场强度等辐射场电磁场强度等辐射场 参数。如空间辐射环境探测参数。如空间辐射环境探测卫星卫星 数值模拟：

8、根据辐射环境探测数据或辐射数值模拟：根据辐射环境探测数据或辐射装置的物理设计，采用理论模拟方法，建立辐射装置的物理设计，采用理论模拟方法，建立辐射环境模型，计算得到辐射场的参数。如空间辐射环境模型，计算得到辐射场的参数。如空间辐射环境模型（环境模型（AP8AE8）、典型轨道辐射环境模）、典型轨道辐射环境模型、卫星系统内部辐射剂量深度曲线等等。型、卫星系统内部辐射剂量深度曲线等等。（一）系统工作的辐射环境5、作用、作用 辐射环境对系统抗辐射加固指标的设定、辐射环境对系统抗辐射加固指标的设定、辐射效应辐射效应/损伤分析、辐射效应模拟试验方法损伤分析、辐射效应模拟试验方法的建立以及抗辐射加固技术有效

9、性验证都具有的建立以及抗辐射加固技术有效性验证都具有重要的的作用。重要的的作用。（二）辐射效应机理及损伤模式1 1、定位、定位 射线射线/ /粒子等辐射与系统相互作用，会产生粒子等辐射与系统相互作用，会产生各种辐射效应，当辐射效应改变了系统的功能各种辐射效应，当辐射效应改变了系统的功能性能、对系统完成预定任务产生严重影响时，性能、对系统完成预定任务产生严重影响时，称之为辐射损伤。系统的辐射效应机理和损伤称之为辐射损伤。系统的辐射效应机理和损伤模式研究是抗辐射加固技术研究的输入条件。模式研究是抗辐射加固技术研究的输入条件。（二）辐射效应机理及损伤模式2 2、对象：、对象： 电离总剂量效应、单粒子

10、效应、位移损伤效应、电离总剂量效应、单粒子效应、位移损伤效应、充放电效应、瞬时高剂量率效应等等。充放电效应、瞬时高剂量率效应等等。 电磁脉冲效应电磁脉冲效应 辐射热辐射热- -力学效应力学效应 等等等等 （二）辐射效应机理及损伤模式3、内涵 辐射效应机理： 从微观层次对射线从微观层次对射线/ /粒子等辐射与系统及粒子等辐射与系统及其各元素（功能材料、电子元器件、设备、壳体其各元素（功能材料、电子元器件、设备、壳体等）相互作用的物理过程和规律进行研究，揭示等）相互作用的物理过程和规律进行研究，揭示射线射线/ /粒子等辐照下系统各元素功能性能发生变粒子等辐照下系统各元素功能性能发生变化的物理机制，

11、及其在系统中传播的特征和规律。化的物理机制，及其在系统中传播的特征和规律。 一种形式的辐射可能产生数种效应，不同一种形式的辐射可能产生数种效应，不同形式的辐射可能产生相同的效应，只是程度不同。形式的辐射可能产生相同的效应，只是程度不同。 （二）辐射效应机理及损伤模式 辐射损伤模式及失效判据 射线射线/粒子等辐射作用于系统，使系统功能粒子等辐射作用于系统，使系统功能性能发生变化，无法正常完成预定任务，从行为性能发生变化，无法正常完成预定任务，从行为级对系统及其组成元素受辐照后功能性能的变化级对系统及其组成元素受辐照后功能性能的变化进行描述，称之为辐射损伤模式。对这种功能性进行描述，称之为辐射损伤

12、模式。对这种功能性能变化的程度进行的描述，称之为失效判据。能变化的程度进行的描述，称之为失效判据。 辐射效应机理是辐射损伤模式的物理基础，辐射效应机理是辐射损伤模式的物理基础，系统的辐射损伤模式及失效判据与系统的性能密系统的辐射损伤模式及失效判据与系统的性能密切相关。切相关。 （二）辐射效应机理及损伤模式4、研究的方法和技术途径 真实辐射环境的试验：如空间飞行试验、核爆辐射试验、雷电试验等 实验室模拟试验：重离子加速器、质子加速器、C060射线源等等 辐射效应仿真：基于物理的仿真 行为级仿真（二）辐射效应机理及损伤模式5、作用 辐射效应机理和损伤模式的研究，对从微观和辐射效应机理和损伤模式的研

13、究，对从微观和宏观两个角度全面了解系统辐射损伤的薄弱环节宏观两个角度全面了解系统辐射损伤的薄弱环节和传播途径，设定系统抗辐射加固的技术指标、和传播途径，设定系统抗辐射加固的技术指标、进行系统加固设计有重要的作用。进行系统加固设计有重要的作用。 辐射效应机理和损伤模式的研究，对在实验辐射效应机理和损伤模式的研究，对在实验室建立与真实辐射环境辐射效应室建立与真实辐射环境辐射效应/ /损伤等效的加速损伤等效的加速试验方法和抗辐射加固验证评估方法有重要作用。试验方法和抗辐射加固验证评估方法有重要作用。（三）抗辐射加固设计和制造技术1、定位 针对系统在辐射环境中产生的各种辐射损伤，针对系统在辐射环境中产

14、生的各种辐射损伤，采用各种防护措施，保证系统可靠工作是抗辐射采用各种防护措施，保证系统可靠工作是抗辐射加固技术体系的核心环节。加固技术体系的核心环节。 2、对象l系统抗辐射加固总体设计方法系统抗辐射加固总体设计方法l 硬件加固方法（含制造技术）硬件加固方法（含制造技术）l 软件加固方法软件加固方法l 加固性能的预测方法加固性能的预测方法（三）抗辐射加固设计和制造技术系统抗辐射加固总体设计方法l 系统抗辐射加固指标设定和分配方法 工作的辐射环境系统加固指标要求 系统内部辐射环境数值模拟 系统初步设计的辐射易损性分析 系统加固设计裕度 系统、设备、电子元器件/材料三个层次加固指标要求 （三）抗辐射

15、加固设计和制造技术抗辐射加固设计方法 系统设计辐照试验再设计辐射试验达到指标要求 抗辐射加固虚拟设计方法 系统工作的辐射环境模型库 电子元器件辐射效应模型库 材料辐射效应模型库 系统结构模型库 系统设计工具、仿真工具 抗辐射加固设计、仿真软件数字加固样机、加固性能预测（三）抗辐射加固设计和制造技术 系统抗辐射加固设计：根据系统工系统抗辐射加固设计：根据系统工作的辐射环境指标，应综合考虑系统的功作的辐射环境指标，应综合考虑系统的功能性能要求、辐射损伤、加固设计裕度以能性能要求、辐射损伤、加固设计裕度以及系统重量体积功耗要求、可靠性要求、及系统重量体积功耗要求、可靠性要求、经济性和工程可实现性要求

16、等等。经济性和工程可实现性要求等等。（三）抗辐射加固设计和制造技术硬件加固（含制造）方法 在确定的加固指标要求下，组成系统的材料、电在确定的加固指标要求下，组成系统的材料、电子元器件、结构等受辐射作用而产生永久性损伤，如集成子元器件、结构等受辐射作用而产生永久性损伤，如集成电路的单粒子锁定后烧毁、光电器件的位移损伤、接口电电路的单粒子锁定后烧毁、光电器件的位移损伤、接口电路强电磁感应烧毁等，则必须采用硬件加固的方法，对系路强电磁感应烧毁等，则必须采用硬件加固的方法，对系统进行加固设计。包括采用能够满足加固指标要求的电子统进行加固设计。包括采用能够满足加固指标要求的电子元器件、耐辐射材料、屏蔽、

17、系统增加专门的保护电路和元器件、耐辐射材料、屏蔽、系统增加专门的保护电路和装置等。装置等。（三）抗辐射加固设计和制造技术软件加固方法 在确定的加固指标要求下，系统受辐射作用在确定的加固指标要求下，系统受辐射作用未产生永久性损伤，但功能出现错误，或性能出未产生永久性损伤，但功能出现错误，或性能出现异常，对系统完成预定任务造成严重影响，如现异常，对系统完成预定任务造成严重影响，如集成电路的单粒子错误造成的系统程序跑飞、死集成电路的单粒子错误造成的系统程序跑飞、死机、强电磁干扰造成的通信误码等等，则可以采机、强电磁干扰造成的通信误码等等，则可以采用软件加固的方法，对系统进行加固设计。包括用软件加固的

18、方法，对系统进行加固设计。包括采用纠检错算法、信息定时刷新、容错设计、信采用纠检错算法、信息定时刷新、容错设计、信息保存与恢复等。息保存与恢复等。 （三）抗辐射加固设计和制造技术 系统的加固设计是一项复杂的工作，一种类型的辐系统的加固设计是一项复杂的工作，一种类型的辐射可能要产生几种效应，而一种辐射也会产生与另一种射可能要产生几种效应，而一种辐射也会产生与另一种辐射相同的效应，只是程度不同。系统中还存在复合的辐射相同的效应，只是程度不同。系统中还存在复合的辐射效应。辐射效应。 系统的抗辐射加固设计应在保证系统功能性能满足系统的抗辐射加固设计应在保证系统功能性能满足应用要求的前提下以占系统资源最

19、少、经济可实现为目应用要求的前提下以占系统资源最少、经济可实现为目标进行系统抗辐射加固总体优化设计，为此要将硬件加标进行系统抗辐射加固总体优化设计，为此要将硬件加固方法和软件加固方法有机的结合起来，从材料固方法和软件加固方法有机的结合起来，从材料/电子元电子元器件、设备和系统三个层次综合考虑，形成系统加固的方案。器件、设备和系统三个层次综合考虑，形成系统加固的方案。（三）抗辐射加固设计和制造技术4、作用 是抗辐射加固技术体系的核心。是辐射环境是抗辐射加固技术体系的核心。是辐射环境研究、辐射效应研究、辐射效应/ /损伤研究、辐照试验方法等研究损伤研究、辐照试验方法等研究的目的。的目的。 是抗辐射

20、能力验证评估方法研究的对象。抗是抗辐射能力验证评估方法研究的对象。抗辐射加固设计和制造技术研究形成的设计标准、规辐射加固设计和制造技术研究形成的设计标准、规范、指南等是抗辐射加固保证的核心组成部分范、指南等是抗辐射加固保证的核心组成部分。 （四）辐射试验与评估1、定位 对系统及其组成元素在辐射条件下功能性能变化进行的对系统及其组成元素在辐射条件下功能性能变化进行的辐照试验、验证和理论评估，是抗辐射加固技术体系重要的组成辐照试验、验证和理论评估，是抗辐射加固技术体系重要的组成部分。部分。2、对象 真实辐射环境试验：空间飞行试验等真实辐射环境试验：空间飞行试验等 实验室模拟试验：加速器试验、实验室

21、模拟试验：加速器试验、COCO6060 辐照试验等辐照试验等 评估方法：在有限辐射损伤数据信息的基础上，采评估方法：在有限辐射损伤数据信息的基础上，采用一定的理论模型，对系统或其元素的抗辐射能力进行估算，用一定的理论模型，对系统或其元素的抗辐射能力进行估算，给出具有一定置信度的评估结果。给出具有一定置信度的评估结果。（四）辐射试验与评估3、研究内容真实辐射环境试验技术 材料材料/ /电子元器件、设备、分系统和系统在电子元器件、设备、分系统和系统在真实辐射环境条件下的辐射效应真实辐射环境条件下的辐射效应/ /损伤表征参数及损伤表征参数及测量技术、辐射环境探测技术、试验数据分析处测量技术、辐射环境

22、探测技术、试验数据分析处理方法、测量不确定度确定方法，等等。理方法、测量不确定度确定方法，等等。 如：空间辐射效应飞行试验等如：空间辐射效应飞行试验等 （四）辐射试验与评估实验室辐射效应模拟试验技术 真实辐射环境真实辐射环境 实验室辐射环境实验室辐射环境 综合辐射场 单一射线/粒子 能谱宽 典型能谱 空间分布大 有限空间 时间长 有限时间 ： ：辐射效应辐射效应/损伤等效性研究损伤等效性研究（四）辐射试验与评估 辐照源的要求辐照源的要求：射线射线/ /粒子种类粒子种类 辐照条件的要求辐照条件的要求：能量、均匀性、通量能量、均匀性、通量 实验室实验室 剂量率、温度、时间等剂量率、温度、时间等 试

23、件的状态要求：最劣状态（最劣偏置）试件的状态要求：最劣状态（最劣偏置）辐照试验辐照试验 参数的测试要求：全参数、敏感参数等参数的测试要求：全参数、敏感参数等 试验不确定度试验不确定度 （四）辐射试验与评估辐射效应的等效问题辐射效应的等效问题 真实的辐照环境是一个综合辐射场，一种形式真实的辐照环境是一个综合辐射场，一种形式的辐射可能产生数种效应，不同形式的辐射可能的辐射可能产生数种效应，不同形式的辐射可能产生相同的效应，只是程度不同。产生相同的效应，只是程度不同。 如电子、质子、重离子都可能引起材料如电子、质子、重离子都可能引起材料/电子电子元器件产生电离效应，质子在产生电离效应的同元器件产生电

24、离效应，质子在产生电离效应的同时还可能产生位移损伤效应。时还可能产生位移损伤效应。（四）辐射试验与评估 在抗辐射加固技术体系中，实验室模拟试验在抗辐射加固技术体系中，实验室模拟试验主要模拟的是辐射效应。辐射效应的等效是建立主要模拟的是辐射效应。辐射效应的等效是建立实验室辐射效应模拟试验技术的物理基础。实验室辐射效应模拟试验技术的物理基础。 如如: :用实验室用实验室 COCO6060 射线源对材料射线源对材料/ /电子元器件的电电子元器件的电离辐射总剂量效应模拟空间电子、质子和重离子离辐射总剂量效应模拟空间电子、质子和重离子等对材料等对材料/ /电子元器件的综合电离辐射总剂量效应，电子元器件的

25、综合电离辐射总剂量效应，用增加辐照量并进行高温退火的加速试验方法模用增加辐照量并进行高温退火的加速试验方法模拟拟CMOSCMOS工艺空间低剂量率长时间电离辐射总剂量工艺空间低剂量率长时间电离辐射总剂量效应。等等。效应。等等。 （四）辐射试验与评估 试验对象的最劣状态 射线射线/ /粒子作用于材料粒子作用于材料/ /电子元器件、设备、系统产电子元器件、设备、系统产生的辐射效应生的辐射效应/ /损伤，与其处于辐照时的状态（偏置）有密损伤，与其处于辐照时的状态（偏置）有密切关系，不同工作状态下辐射损伤的程度会有较大差异。切关系，不同工作状态下辐射损伤的程度会有较大差异。 如如CMOSCMOS体硅集成

26、电路的电离辐射总剂量效应，在加电、体硅集成电路的电离辐射总剂量效应，在加电、不加电和加电工作三种状态下，加电状态时辐射损伤比不加电和加电工作三种状态下，加电状态时辐射损伤比不加电时辐射损伤严重。而不加电时辐射损伤严重。而SOISOI工艺集成电路则是不加电工艺集成电路则是不加电状态辐射损伤最严重。状态辐射损伤最严重。 （四）辐射试验与评估 如：集成电路如：集成电路/ /设备的单粒子错误率与集成电路设备的单粒子错误率与集成电路/ /设备设备运行的程序密切相关。运行程序调用的资源越多，产生单粒运行的程序密切相关。运行程序调用的资源越多，产生单粒子翻转的可能性就越大，单粒子错误率就越高，就越能反映子翻

27、转的可能性就越大，单粒子错误率就越高，就越能反映集成电路集成电路/ /设备自身的单粒子效应水平，相反，如果运行程序设备自身的单粒子效应水平，相反，如果运行程序调用的资源少，则产生的单粒子错误率就低，就不能够真实反调用的资源少，则产生的单粒子错误率就低，就不能够真实反映集成电路映集成电路/ /设备自身的单粒子效应水平。设备自身的单粒子效应水平。 在辐射效应模拟试验过程中，一般要求被试对象处于在辐射效应模拟试验过程中，一般要求被试对象处于最劣状态，以期对其辐射效应最劣状态，以期对其辐射效应/ /损伤进行保守的评价，以损伤进行保守的评价，以便在系统抗辐射加固设计和应用中可靠性更高。便在系统抗辐射加固

28、设计和应用中可靠性更高。（四）辐射试验与评估 辐射效应模拟试验的不确定度辐射效应模拟试验的不确定度 对引起辐射效应试验结果的不确定度因素进行对引起辐射效应试验结果的不确定度因素进行逐一分析，给出不确定度，采用适当的方法（标逐一分析，给出不确定度，采用适当的方法（标准不确定准不确定/ /扩展不确定度）给出辐照试验数据的总扩展不确定度）给出辐照试验数据的总的不确定度。的不确定度。 对于系统抗辐射加固设计裕度的确对于系统抗辐射加固设计裕度的确定和控制有重要意义。定和控制有重要意义。 （四）辐射试验与评估评估方法评估方法 由于受实验室辐射源条件的影响，由于受实验室辐射源条件的影响，实验室辐射效应模拟试

29、验的结果与真实辐射实验室辐射效应模拟试验的结果与真实辐射环境综合辐射场环境综合辐射场 效应的结果存在一定的差异，效应的结果存在一定的差异，需要在综合辐射效应机理研究的基础上，建需要在综合辐射效应机理研究的基础上，建立综合辐射效应立综合辐射效应/ /损伤的损伤的。（四）辐射试验与评估4、作用、作用 真实辐射环境试验，能够比较客观地反映系统及其真实辐射环境试验，能够比较客观地反映系统及其组成元素在真实综合辐射场条件下的辐射效应组成元素在真实综合辐射场条件下的辐射效应/ /损伤，是认损伤，是认识或发现系统及其构成元素辐射效应识或发现系统及其构成元素辐射效应/ /损伤、进行抗辐射加固损伤、进行抗辐射加固设计或加固技术验证的最为直接和客观的方法。也是建立实设计或加固技术验证的最为直接和客观的方法。也是建立实验室辐射效应模拟试验方法的重要依据。验室辐射效应模拟试验方法的重要依据。 存在问题：成本高，不能存在问题：成本高，不能 经常性开展经常性开展（四）辐射试验与评估 实验室辐射效应模拟