2022 年度修士論文

CubeSat を用いた民生部品の低地球軌道上における Total Ionizing Dose Effect の測定と地上試験用装置の開発
Measurement of Total Ionizing Dose Effect on Low-Earth Orbit of Consumer Components Using CubeSat andDevelopment of board for Ground Test
学籍番号：213D5003
氏名：大星 旭弘
指導教員：趙 孟佑

1. 研究目的と背景
これまで、人工衛星には宇宙用の部品が称されてきた。しかし、宇宙用の部品は高価かつ、入手に時間がかかるなど、開発を遅延させる原因の 1 つとなってきた。そこで、低コストで誰でも手に入れることができる COTS（Commercial Off-The-Shelf）と呼ばれる民生品が特に超小型衛星で多く使用されてきた。しかし、民生品は宇宙での動作を保証されていない。そこで衛星で使用する前に宇宙環境を模擬して試験を行う必要がある。しかし、宇宙環境を正確に模擬して試験を図 2-1 TMCR mission 基板行うことは難しく、加速試験を行わざるを得ないこと

BIRDS4 で行った TMCR ミッションには図 2-2 に示すも多いことから試験の正確性を検証することは重要

ように放射線によって劣化しやすいデバイスとしてである。

IRF620 を 1 つ 、 劣 化 し に く い デ バ イ ス と し て本研究では COTS に特に大きな影響を与えると考え

IRLML6402 を 2 つ搭載した。IRLML6402 はそれぞれ
IRLML6402（1）、IRLML6402（2）と区別する。

られる放射線環境を取り上げ、中でも照射された放射線線量によって劣化が起こる TID 効果について地上で実施する TID 試験の正確性を検証する。
2. TMCR ミッション
TMCR ミッションは”Total ionizing dose Measurementof COTS and onboard Rad-hard components mission”の略であり、衛星に搭載した COTS の半導体デバイスに対して軌道で TID 試験を行うミッションである。
TMCR ミッションの目的は 2 つある。1 つ目は、地上 TID 試験の正確性を検証すること。2 つ目は、搭載

図 2-2 BIRDS4 での TMCR ミッションに搭載した半導した半導体デバイスの劣化具合から衛星に蓄積した体デバイス放射線量を予測するシステムの検証である。

3. 地上 TID 試験と軌道上での試験の比較

本研究では超小型衛星 BIRDS4 に搭載された TMCR

地上 TID 試験は産業医科大学アイソトープ研究セミッションから得られたデータを解析することで地ンターで線源としてセシウム 137 を使用して行った。

上 TID 試験の正確性を検証した。

線量率は 36Gy/h（2022 年 12 月時点）である。IRF620の地上 TID 試験結果と軌道上での TID 試験結果の比較を図 3-1 に示す。 同様に IRLML6402 についても
1

図 3-2、図 3-3 に示す。

図 3-1 IRF620 の地上 TID 試験結果との軌道上でのTID 試験結果の比較

図 4-1 15 分ごとに 5 秒間電圧を印加した試験結果と、軌道上での TID 試験結果の比較
軌道上ではコマンドで指定した時間のみデバイスに印加しており、地上では常時印加していた。また、照射前のドレイン電流値もできるだけ軌道上での試験を行ったデバイスに近いものを選定して行った。比較するのは劣化傾向、つまり、変化する電流値の傾き

図 3-2 IRLML6402（1）の地上 TID 試験結果と軌道上である。赤線は、地上 TID 試験の照射前の電流値を軌での TID 試験結果の比較

道上での試験を行ったデバイスに合わせるために劣化の傾きを平行に移動させたものである。すると、軌道上での TID 試験結果の標準偏差内に、地上 TID 試験結果に赤線が収まり、地上と軌道上での劣化の違いは、試験条件の違いによるものだと仮定できる。
5. 結論
軌道上での TID 試験結果と地上 TID 試験結果を比較することで、地上 TID 試験の正確性を検証したが、

図 3-3 IRLML6402（2）の地上 TID 試験結果と軌道上地上と軌道上で異なる試験結果を示したため地上 TIDでの TID 試験結果の比較試験が正確であると考えることはできなかった。しかし、地上と軌道上での試験結果の違いを生み出す原因

4. 考察
3 章より、IRLML6402 については地上、軌道上ともを仮定することができた。に同様の結果が得られたが IRF620 については異なっ

6. 今後の課題た結果が得られた。これについてはデバイスの照射前

4 章の考察で仮定された原因をもとに修正し、新たの電流値の違いと地上と軌道上での試験条件の違いな衛星で TMCR ミッションを行うことで地上での TIDにあると考える。図 4-1 に地上 TID 試験で軌道上での試験の正確性を検証できると考える。

TID 試験条件を模擬して行った試験結果を示す。

2

1. research objectives and background
Until now, space components have been used for satellites.
However, space components are expensive and timeconsuming to obtain, which has been one of the causes ofdevelopment delays. Therefore, consumer products called
COTS (Commercial Off-The-Shelf), which are low-cost andavailable to anyone, have been widely used, especially for
nano-satellites. However, commercial off-the-shelf systems
are not guaranteed to work in space. Therefore, they must be
tested in a simulated space environment before being used

Fig.2-1

TMCR mission board

in satellites. However, it is difficult to accurately simulate

The TMCR mission performed in BIRDS4 was equipped

the space environment, and accelerated testing is oftenwith one IRF620 device, which is easily degraded byrequired.

radiation, and two IRLML6402 devices, which are not easily

This study focuses on the radiation environment, which isdegraded by radiation, as shown in Figure 2-2. IRLML6402

considered to have a particularly large impact on COTS, andand IRLML6402 are distinguished as IRLML6402(1) andexamines the accuracy of TID tests conducted on the ground

IRLML6402(2), respectively. are distinguished from thefor the TID effect, in which degradation occurs depending

following.

on the irradiated radiation dose.
Translated

withwww.DeepL.com/Translator(freeversion)
2. TMCR mission
The MCR mission stands for "Total ionizing dose
Measurement of COTS and onboard rad-hard components
mission. The purpose of the TMCR mission is two-fold.
The purpose of the TMCR mission is two-fold: first, toverify the accuracy of the on-ground TID test, and second,Fig.2-2 Semiconductor devices on board the TMCR

to validate a system to predict the radiation dose

mission in BIRDS4

accumulated in the satellite based on the degradation of the3. Ground TID testing vs. On-orbit testing

onboard semiconductor devices.

The ground TID test was conducted at the Isotope

In this study, the accuracy of the ground TID test was

Research Center of the National Institute of Advanced

verified by analyzing data obtained from the TMCR mission

Industrial Science and Technology using cesium-137 as theon board the microsatellite BIRDS4.

radiation source. The dose rate was 36 Gy/h (as of December

Translatedwith

www.DeepL.com/Translator(free2022). Similarly, Figures 3-2 and 3-3 show the results forversion)

IRLML 6402.

3Fig.3-1 Comparison of on-orbit TID test results with
IRF620 ground TID test results

Fig.4-1 Comparison of test results of applying voltage
for 5 seconds every 15 minutes and on-orbit TID test
results
In orbit, the device was applied only for the time specified
by the command, while on the ground it was applied
constantly. The drain current values before irradiation werealso selected to be as close as possible to those of the devices
tested in orbit. The comparison is made in terms of theFig.3-2 Comparison of IRLML 6402(1) ground TID test

degradation trend, i.e., the slope of the changing current

results with on-orbit TID test results

values. The red line shows the current values before
irradiation in the ground TID test moved parallel to the slopeof degradation to match the device tested on orbit. The redline then fits the ground TID test results within the standard
deviation of the on-orbit TID test results, and it can beassumed that the difference in degradation between groundand on-orbit is due to differences in test conditions.
5. conclusion

Fig.3-3 Comparison of IRLML 6402(2) ground TID test

The accuracy of the ground TID test was verified byresults with on-orbit TID test resultscomparing the on-orbit TID test results with the ground TID
test results, but the ground TID test could not be considered

4. consideration
From Chapter 3, similar results were obtained for

accurate because it showed different test results on theIRLML6402 both on the ground and in orbit, but different

ground and in orbit. However, we were able to hypothesizeresults were obtained for IRF620. This is due to thethe cause of the difference between the ground and on-orbit

difference in the current value before irradiation of thetest results.

device and the difference in the test conditions on the ground

6. future tasks

and in orbit. Figure 4-1 shows the results of the ground TID

We believe that the accuracy of the TID test on the groundtest simulating the on-orbit TID test conditions.

can be verified by modifying it based on the causes assumed
in the discussion in Chapter 4 and conducting a TMCRmission with a new satellite.
4

目次
第 1 章 序論
1.1 研究背景
1.2 宇宙放射線
1.2.1 放射線について
1.2.2 放射線による半導体への影響
1.2.2.1 Total Ionizing Dose Effect1.2.3 宇宙放射線環境
1.3 超小型衛星搭載民生品データベース
1.4 BIRDS4 プロジェクト
1.5 先行研究
1.6 研究目的
第 2 章 研究手法
2.1 TMCR ミッション
2.2 地上 TID 試験
2.2.1 試験設備
2.2.1.1 九州大学加速器センター
2.2.1.2 産業医科大学アイソトープ研究センター
2.2.2 試験システム
2.2.3 被試験デバイスの選定
2.2.4 試験の手順
2.3 軌道上での TID 試験
2.3.1 試験システム
2.3.2 被試験デバイスの選定
2.3.3 試験手順
第 3 章 試験結果
3.1 地上 TID 試験の結果
3.2 軌道上での TID 試験の結果第 4 章 考察
4.1 IRLML6402 について、地上 TID 試験と軌道上での TID 試験の比較
4.2 IRF620 について、地上 TID 試験と軌道上での TID 試験の比較
4.2.1 被試験デバイスに流れるドレイン電流値による劣化傾向の違い
4.2.2 軌道上と同じ条件での地上 TID 試験

第5章

LEOPARD での新たな軌道上での TID 試験

5.1 試験の目的
5.2 被試験デバイスの選定
5.3 試験システム
5.4 試験手順
5.5 EM 基板を使用した地上 TID 試験結果
5.6 今後必要な要素と試験
5第6章

結論

第7章

今後の課題

第8章

謝辞

第9章

参考文献

第 10 章

付録---------------------------------------------------------------------------------------全文を希望の方は cho.mengu801@mail.kyutech.jp までご連絡ください6