宇宙機搭載の観測装置に用いる電子回路部の放射線耐性評価

• Material Type: 文書・図像類
• Title: 宇宙機搭載の観測装置に用いる電子回路部の放射線耐性評価
• Author/Editor: 勝瀬, 陸; 吉岡, 和夫; 桑原, 正輝; 疋田, 伶奈; 吉川, 一朗; Katsuse, Riku; Yoshioka, Kazuo; Kuwabara, Masaki; Hikida, Reina; Yoshikawa, Ichiro
• Author Heading: 勝瀬, 陸; 吉岡, 和夫; 桑原, 正輝; 疋田, 伶奈; 吉川, 一朗; Katsuse, Riku; Yoshioka, Kazuo; Kuwabara, Masaki; Hikida, Reina; Yoshikawa, Ichiro
• Publication, Distribution, etc.: 宇宙航空研究開発機構(JAXA)
• Publication Date: 2020-03-04
• Publication Date (W3CDTF): 2020-03-04
• Alternative Title: Evaluation of radiation tolerance of electronics parts used for instrument onboard spacecraft
• Periodical title: 宇宙航空研究開発機構研究開発報告 = JAXA Research and Development Report
• No. or year of volume/issue: JAXA-RR-19-004
• Volume: JAXA-RR-19-004
• Pages: 1-22
• ISSN (Periodical Title): ISSN : 2433-2216
• Text Language Code: jpn
• Subject Heading: radiation; ultra-small mission; commercial products; deep space mission
• Target Audience: 一般
• Note (General): 人工衛星や惑星探査機などに用いられる電子機器は、宇宙空間の放射線環境に曝されることで、ノイズの増加、ビット反転、消費電流の増加などの悪影響を受ける。近年、民生部品を活用することで開発にかかる費用と時間を低減し、大学の研究室規模で進める超小型探査機の開発が活発化している。しかし、このようなミッションに用いられる部品は、特に放射線耐性を考慮した設計がなされていない。そのため、装置の設計や軌道、さらにミッション期間に応じて総吸収線量を見積もり、放射線照射試験を通してその耐性を確認する必要がある。我々は、2020年度打ち上げ予定の超小型探査機EQUULEUSに搭載される極端紫外撮像機PHOENIXを開発している。PHOENIXは、地球プラズマ圏を構成するヘリウム一価イオンが太陽光共鳴散乱により発する輝線(波長 30.4 nm)を、地球-月第二ラグランジュ点近傍から準定常的に遠隔観測することで、地球周辺プラズマの大局的な動的描像を理解することを科学目的としている。超小型探査機（6Uサイズ）の枠組みにあるEQUULEUSミッションに搭載されるPHOENIXには、民生品の信号増幅回路部とFPGAを用いているため、放射線耐性の確認は必須である。そこで我々は、モンテカルロ法を用いたシミューションツール（Geant4）によって、ミッション期間を通した総吸収線量を見積もり、実際に試作機に対して放射線試験を行った。シミュレーションの結果、供試体（信号増幅回路部およびFPGA）の総吸収線量は銀河宇宙線、太陽フレア粒子、地球放射線帯粒子の内帯・外帯からそれぞれ約 1×10(exp -2) krad/yr、3×10(exp -1) krad/hr、5×10(exp -2) krad/hr、3×10(exp -1) krad/hrと見積もられた。ミッション期間を通した銀河宇宙線への曝露時間が2年間、地球放射線帯の通過時間と太陽フレア粒子への曝露時間が約1時間、太陽フレアのイベント数が2年間で4回としたとき、ミッション期間を通した総吸収線量は約 2 kradである。ガンマ線照射装置を用いた試験の結果、信号増幅回路部は12 krad、FPGAは5 kradまでの放射線耐性が確認された。なお、FPGAは総照射量が12 kradを越えた段階で消費電流の増加が確認された。さらに照射量が20 kradを越えた時点では、FPGAもしくは、付随して用いられるA/D変換素子におけるビット反転によるデータの異常が確認された。なお、電源のOFF/ONや、無通電状態を一定時間継続することでアニール効果がみられ、利得率の回復と消費電流の減少が確認された。しかし依然として、試験前と比べ約10 mA（約10%）程度の増加傾向と画像出力値に変換した際に約2,3 pixel 相当のずれが生じる利得率の変化は解消されなかった。放射線照射終了から24時間以上経過した際に確認された利得率の変動の原因は累積損傷等の影響の可能性も考えられるが、明確な因果関係は不明である。今後は、より詳細な利得率の変化を把握するために、細かい時間間隔での性能評価を実施する必要がある。; In the space environment where the spacecraft is exposed to severe radiation, the instrument may suffer for data degradation or fatal malfunction such as the increase of dark current, upset, and change in current consumption. Recently, the university-made ultra-small spacecraft has become popular. As for the mission in this class, the cost and time for development can be reduced by using the commercial products. However, the problem is that these commercial products are thought to have no radiation tolerance. Then, estimation of the total radiation dose through the mission life, and radiation test for those parts are very important. We are developing the extreme ultraviolet imager (PHOENIX : Plasmaspheric Helium ion Observation by Enhanced New Imager in eXtreme ultraviolet), onboard the ultra-small spacecraft (EQUULEUS), which will be launched in 2020 by NASA’s SLS. The imager will observe the EUV emissions (λ=30.4 nm) from He+ in the Earth’s plasmasphere from around the Earth-Moon 2nd Lagrange point. The commercial electronics parts for the analog circuit and FPGA are used for PHOENIX. The radiation tolerance for those parts must be verified. Then, we have estimated the total dose using Monte Carlo simulation (Geant4). In addition, the parts are tested under the facility for gamma-ray radiation (Cs137). The estimated values for the total dose are around 1×10(exp -2) krad/yr, 3×10(exp -1) krad/hr, 5×10(exp -2) krad/hr, and 3×10(exp -1) krad/hr from Galactic cosmic rays, Solar flare particles, Earth’s inner, and outer radiation belt particles, respectively. EQUULEUS mission is planned to be operated for 2 years in orbit. By assuming the crossing time of the Earth’s radiation belt to be 1 hour (which is feasible with respect to the normal deep-space missions), and the total duration of the direct hit of solar energetic particle event to be 1 month, the total dose for the instruments are estimated to be 1.2 krad. As a result of a radiation test, the IC used in the signal amplifying circuit and FPGA are confirmed to have a radiation resistance up to 12 and 5 krad, respectively. This means that those commercial products can be applied for the EQUULEUS mission. For FPGA, the current consumption was increased after the total dose exceeds 12 krad. Furthermore, when the total dose exceeds 20 krad, the data error which seems to be related to bit inversion effect was observed. In addition, the annealing effect was seen by turning the power off and on again. However, an increasing trend of around 10 mA (about 10% of the normal current) was remained. This remains to be elucidated.; 形態: カラー図版あり; Physical characteristics: Original contains color illustrations; 資料番号: AA1930024000; レポート番号: JAXA-RR-19-004
• DOI: 10.20637/JAXA-RR-19-004/0001
• Access Restrictions: 限定公開
• Data Provider (Database): 国立情報学研究所 : 学術機関リポジトリデータベース（IRDB）（機関リポジトリ）; https://irdb.nii.ac.jp
• Original Data Provider (Database): 宇宙航空研究開発機構 : 宇宙航空研究開発機構リポジトリ