[논문]양성자 가속기를 이용한 MPC860의 우주방사선 인증 시험

선종호; 김성준; 정성근; 민경욱; 최원호

doi:10.5139/jksas.2004.32.5.116

양성자 가속기를 이용한 MPC860의 우주방사선 인증 시험
Radiation Qualification of MPC860 for Space Application with Proton Accelerators 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.32 no.5, 2004년, pp.116 - 121

선종호 (쎄트렉아이) , 김성준 (한국과학기술원 물리학과) , 정성근 (쎄트렉아이) , 민경욱 (한국과학기술원 물리학과) , 최원호 (한국과학기술원 물리학과)

초록
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사이클로트론 가속기를 이용한 양성자 우주환경의 모사시험이 수행되었다. 모사시험에 사용된 사이클로트론은 양성자를 약 $10^6-10^8\;protons/cm^2/s$의 선속에서 200 MeV까지 가속 할 수 있다. 가속된 양성자는 우주에서 사용될 MPC860 소자에 입사되었으며, 양성자 조사에 의한 소자의 누적 반응과 순간 반응이 모두 관찰되었다. 주된 순간 반응은 저장된 데이터의 변화였으나, 간헐적인 기능 정지 현상도 관찰되었다. 누적 반응은 소자 내에서 소모되는 전류의 증가로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Simulation of proton irradiation in space is undertaken with a cyclotron accelerator. The cyclotron is capable of accelerating protons up to 200MeV with nominal fluxes near $10^6-10^8\;protons/cm^2/s$. Accelerated protons are irradiated onto a MPC860 for space application. Both the transient and cumulative responses of the device are found due to the proton irradiation. The primary transient response of the device is modification of the stored data in the circuit, whereas intermittent functional interrupts are also found. The cumulative response of the device is the increase of current consumption by the device.

주제어

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문제 정의

그러나 반도체 시장은 지상에서 사용되는 상용화 부품 (Commercial Grade Component)°1 시장규모를 결정하게 됨에 따라 많은 제작자들이 상대적으로 시장규모가 작은 우주용 방사선부품을 더 이상 생산하지 않게 되었고, 소자의 방사선특성은 많은 경우 위성 제작자의 노력에 의해 직접 구해져야 되게 되었다. 본 논문에서는 MPC₈₆0과같이 상용으로 개발되어진 소자를 우주용으로 사용하려 할 경우 수행되어져야 하는 방사선 모사실험에 대한 소개와 방법을 기술하고자 한다. 다음 장들에서 방법론, 장치 그리고 실험에서 얻어진 데이터들이 설명된다.

제안 방법

SEE 실험에 추가하여, 양성자 에 대한 TID 반응을 조사였다. 실험 결과 MPC₈₆0에 입사된 양성자에 의한 누적선량이 25 krad(Si)에 이르면 소모 전류가 증가하기 시작하는 것이 밝혀졌으며이러한 전류 증가는 누적 방사선량이 80 krad(Si) 를 넘어서면서 MPC₈₆0에 대한 회복 불능의 손상이 발생할 때까지 계속되었다.
본 실험을 통하여 모사를 수행하여 본 결과 누적 효과인 TID와 순간 반응인 SEU 모두 MPC₈₆0에 나타남을 알 수 있었다. SEU의 발생 빈도를 측정하였으며, 초기 설계에서 SEU 발생률 예측에 입력 자료로 필수적인 SEU 단면적을 계산하였다. 이를 바탕으로한 SEU 발생빈도 예측은 다음논문에 게재하였다.
40에서 200 MeV까지의 양성자 에너지는 조사 영역 바로 앞에 위치하는 구리판의 두께로 조절한다. 감쇠기(degrader) 내에서의 다중 산란에 의한 선속의 감소를 바탕으로 선속 계산을 교정하였다.
위성에서 사용될 전자 부품에 대한 방사선 인증 시험을 위해 양성자 가속기 중의 하나인 사이클로트론 시설을 이용한 양성자 우주 환경 모사실험이 수행되었다. 본 실험을 통하여 모사를 수행하여 본 결과 누적 효과인 TID와 순간 반응인 SEU 모두 MPC₈₆0에 나타남을 알 수 있었다.
된다. 전송된 데이터는 정확한 수치(16진수로 0x55555555)와 비교하여 프로세서 내의 오류 발생 가능성을 검사한다. 일단 오류가 발생하면, 실시간으로 메시지가 출력되며 결과가 Control PC 에 저장된다.

대상 데이터

이런 경우 MPC₈₆0 보드의 재부팅이나 전력 재순환(power recycle)이 필요하게 된다. Latch-up 발생에 의한 MPC₈₆0의 손상을 막기 위해 MPC₈₆0 보드로의 전원을 차단할 수 있는 스위치가 준비되었다. 이 스위치는 2.
본 논문의 실험은 Indiana University Cyclotron Facility (IUCF)에서 수행되었다. 이 장치는 주로 핵물리 실험에 사용되었으나 현재에는생물, 재료, 전자 분야의 방사선 효과를 연구하는데 사용되고 있다.
본 실험에 사용된 MPC₈₆0은 3개의 내부 프로세서, Calculation Core, System Interface Unit (SIU), 그리고 Communication Module (CM)로구성된다. Calculation Core는 산술 연산을 수행하는 반면, CMe 생성된 데이터를 조사실 바깥의 Control PC에 저장시키기 위한 전송을 조정한다.
본 실험에서는 197.6, 150.6, 104.2, 그리고 54.7 MeV의 4가지 에너지를 사용하여 MPC₈₆0을 조사한다. 200MeV가 넘는 빔의 에너지를 원하는에너지로 낮추기 위해서 감쇠기가 사용된다.
실험 장치는 방사선원, MPC₈₆0, 구동 회로 및 감시 회로로 구성된다. 장치들 간의 연결 구성은 Fig.
메모리 upsete 프로세서 내의 dual-port RAM에서 발생한 bit 오류들의 총 개수이다. 이 실험에서 사용된 RAM의 크기는 2048×8 bit이다. 단일 사건 기능 정지 (Single Event Functional interrupt, SEFI) 는 전력 재순환이 이뤄지기 전까지 연산, 데이터 전송 등의 기능이 마비된 경우를 뜻한다.
10은 양성자에 의한 MPC₈₆0의 반응을 나타낸다. 이 실험을 위해 3개의 MPC₈₆0O] 사용되었다. 각 소자는 3개의 빔 에너지에 할당되었으며, 각 소자의 기능이 완전히 정지할 때까지 계속 조사되었다.

성능/효과

실험 결과 MPC₈₆0에 입사된 양성자에 의한 누적선량이 25 krad(Si)에 이르면 소모 전류가 증가하기 시작하는 것이 밝혀졌으며이러한 전류 증가는 누적 방사선량이 80 krad(Si) 를 넘어서면서 MPC₈₆0에 대한 회복 불능의 손상이 발생할 때까지 계속되었다. MPC₈₆0이 사용될 위성에서의 누적방사선 요구사항은 10 虹ad(Si)까지 인데 반해 본 실험의 결과는 약 25krad(Si)까지 TID에 의한 전력소모의 증가가크게 나타나지 않는 것을 보여줌으로 MPC₈₆0이임무를 수행하는데 큰 영향이 없을것이라는 예측을 가능하게 해준다.
수행되었다. 본 실험을 통하여 모사를 수행하여 본 결과 누적 효과인 TID와 순간 반응인 SEU 모두 MPC₈₆0에 나타남을 알 수 있었다. SEU의 발생 빈도를 측정하였으며, 초기 설계에서 SEU 발생률 예측에 입력 자료로 필수적인 SEU 단면적을 계산하였다.
조사였다. 실험 결과 MPC₈₆0에 입사된 양성자에 의한 누적선량이 25 krad(Si)에 이르면 소모 전류가 증가하기 시작하는 것이 밝혀졌으며이러한 전류 증가는 누적 방사선량이 80 krad(Si) 를 넘어서면서 MPC₈₆0에 대한 회복 불능의 손상이 발생할 때까지 계속되었다. MPC₈₆0이 사용될 위성에서의 누적방사선 요구사항은 10 虹ad(Si)까지 인데 반해 본 실험의 결과는 약 25krad(Si)까지 TID에 의한 전력소모의 증가가크게 나타나지 않는 것을 보여줌으로 MPC₈₆0이임무를 수행하는데 큰 영향이 없을것이라는 예측을 가능하게 해준다.

후속연구

양성자 실험의 주 목적이 MPC₈₆0의 SEE를 조사하는 것이지만, 양성자의 이온화 방사선의 누적 효과인 TID 효과를 검사할 기회도 제공한다. Fig.

참고문헌 (5)

Barth, J., IEEE Nuclear and Space Radiation Effect Conference Short Course, Section I, 1997.
Schwank, J., IEEE Nuclear and Space Radiation Effect Conference Short Course, Section Ill, 2002.
Weatherford, T., IEEE Nuclear and Space Radiation Effect Conference Short Course, Section IV, 2002 .
Stapor, W.J., J.P. Meyers, J.B. Langworthy, and E.L. Peterson, "Two Parameter Model Calculations for Predicting Proton Induced Upsets", IEEE Transactions on Nuclear Science, NS-37, 1966, 1990.
Foster, C. C., Berg, C.M., Hall, E. R., Kiein, S. B., Przwoski, B. V. & Murray, K. M., Applications of Accelerators in Research and Industry, edited by J. L. Duggan and I. L. Morgan, AlP Press, New York, 647, 2001.

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