环境模型与不确定性分析

基于CRÈME模型的单粒子翻转计算程序代码自1996年更新形成CRÈME96版本以来，随着人们对空间辐射环境的认识逐渐深入，在空间辐射环境模型方面作了一些完善和改进工作；其中最重要的一点是发现了银河宇宙射线的分布具有22年的周期性调制特征，即银河宇宙射线强度随时间变化的分布形态在11年太阳周期的最小值期间呈现出周期性交替的峰顶平顶的形状，这种具有调制特征的模式比在旧版CRÈME软件包（指CRÈME96以前版）中使用的正弦函数更适合对银河宇宙射线强度的描述。

在对银河宇宙射线强度的描述模型方面，俄罗斯科学家Nymmik及其合作者提出了描述太阳活动对银河宇宙射线强度调制的另一种模型，他们建议采用月平均太阳黑子数目作为太阳活动对银河宇宙射线强度调制水平的指示器。由于太阳黑子数是目前太阳活动水平的一种度量，而银河宇宙射线强度受到过去从太阳传播出去的太阳风扰动的调制，所以，当下的太阳黑子数分布历史可以用来预测不久的将来太阳活动对银河宇宙射线强度的调制水平。

自从CRÈME模型开发以来，人们通过空间飞行试验测量和理论分析，在几个方面进一步增进了对太阳高能粒子事件的认识，也就是说进一步明确了辐射环境因素的不确定性影响。1996年，费曼（Feynman）等人发现太阳质子事件（SEP）中的太阳质子强度符合一个正常的对数分布，这种分布模式可用于航天器任务期间电子器件和集成电路暴露于不同规模太阳质子事件下的风险的统计估计。所以，在CRÈME模型中，有必要引入重离子富集度的第二个分布，以描述太阳质子事件中重离子含量的变化情况。在后续空间测试数据分析的基础上，Cane、麦克奎尔（McGuire）和冯·罗森文格（von Rosenvinge）发现太阳质子事件可以分为两个主要类型，即脉冲事件和长期事件。在观测到的太阳质子事件中，大多数大型事件是属于第二种类型，而且其带电离子成分构成也基本一致；另外，越来越多的测量证据表明，太阳质子事件中的高能端重离子却处于部分电离状态（不是一般认为的裸核状态），因此将有更多的机会进入处于低地球轨道运行的卫星电子设备中。目前，这种可能性仍不包含在CRÈME模型中，相关研究工作正在进一步开展。

在太阳质子事件期间，采用CRÈME模型来预示分析单粒子效应事件率也存在着一些问题。例如，在1989年太阳大耀斑期间，搭载在TDRS-1卫星上的存储器931A22获得了大量的测试数据，这些实际测试数据与采用CRÈME太阳耀斑重离子模型的预测结果进行比较，发现单粒子翻转率被高估了两个数量级以上，这表明，需要对CRÈME太阳耀斑重离子模型进行进一步的修正，在有太阳大耀斑存在期间，提高对单粒子翻转率预示的准确性。

在CRÈME太阳质子事件模型中，重离子的组成成分主要决定了单粒子翻转率的大小。然而，TDRS-1卫星测试数据仅与质子诱发翻转率的预示结果一致，其他卫星的测试结果也证明了这一点。这种采用CRÈME模型对翻转率估计过高的原由可能是模型中采用的重离子谱模型的不确定性所引起。在CRÈME模型中，假设可以通过重离子与质子的比值来标度质子谱，可采用这种办法来预测重离子微分能谱分布情况。这种方法主要是基于低能重离子的测试数据，但因为缺乏足够大的仪器来测量高能端重离子能量分布，而缺少了高能端重离子的测试数据，从而这种标度方法具有一定的不确定性。在1989年的大型SEP事件中，对几百兆电子伏/核子的重离子能谱进行了测量，该测量结果将为检验预测重离子SEP事件的CRÈME太阳耀斑重离子模型的进一步改进提供了机会。(www.xing528.com)

在环境模型带来的不确定性的进一步改进方面，如果能够在计划任务期间，计算出经历超过某一特定值的单粒子翻转率的概率，而不是如目前CRÈME程序所提供的一系列SEP模型环境那样，则用暴露风险方法重新构造SEP环境的建模问题可能是有用的，可以进一步改善环境模型带来的不确定性。

目前CRÈME模型中的异常宇宙射线谱已经完全过时，自CRÈME模型修正以来，已对单个元素的能谱及其太阳调制对其的影响进行了许多准确的测量，需要进一步对相关数据进行补充和完善。对CRÈME模型中的这一部分进行改进后，也许会表明目前CRÈME模型高估了银河宇宙射线异常成分的严重性。最后，地磁场捕获的重离子一直以来被认为是近地轨道单粒子翻转的潜在贡献者，人们通过在轨测试表明，高能氧离子可以被地磁场所捕获，并发现其来源于对反常银河宇宙射线的捕获。这些地磁场捕获的重离子是否对单粒子翻转产生重要贡献，目前还有待进一步分析确认。目前看来，在各种不同的环境条件下，上述的CRÈME模型中的所有缺陷都会导致单粒子翻转率预示的不确定性。表7-2给出了影响辐射环境的主要因素及其轨道分布情况。

表7-2　影响辐射环境的主要因素及其轨道分布情况

下面简要介绍SPACE RADIATION TM软件包中计算单粒子翻转率过程中的模型选择。在采用SPACE RADIATION TM软件包计算单粒子翻转率的过程中，一般情况下选择CRÈME模型（银河宇宙射线和太阳耀斑重离子）。当选取CRÈME模型后，选择计算时要规范12个有关环境模型参数。如m=3为标准环境模型，选择计算m=4的情况下，应对重离子反常成分进行说明，其他m值的选取分别对应着其他环境模型；另外，在低地球轨道环境情况下，应使用太阳最小年情况。详细情况可以参见SPACE RADIATION TM软件包网站及使用说明手册。在采用相关软件计算单粒子翻转率时，必须了解其应用辐射环境模型的情况，以便明确计算结果的不确定性。例如，在部分计算软件中，首先可能对银河宇宙射线调制周期（22年）情况并未在模型中考虑；其次在宇宙射线强度谱的分布方面，仍然采用正弦函数，并未采用太阳黑子的分布情况进行调制；最后，没有考虑SEP事件的影响。