一念之间——太空中的单粒子翻转 《AIGC新视界

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仰望空间天气系列科普视频：一念之间--太空中的单粒子翻转。
说说太空中的单粒子翻转！

1. 西方有一种棋类游戏叫黑白棋，又叫翻转棋，每颗棋子由黑白两面组成，当棋子下到棋盘空位时，如果横竖斜 8 个方向内有一个同色的棋子，那么被夹在中间的全部棋子就会翻转成自己的颜色，黑白转换只在一步之内，人生的重要转折往往只在一念之间，可能仅仅在瞬间就发生意想不到的改变，这种二元转化很像广泛使用的逻辑电路，以二进制为原理，实现数字信号逻辑运算，逻辑的基础是和否，分别用一和零表示，这就是二进制电路通电为一，断电为零，这种设计是由广泛使用于数字电路的半导体特性决定的。

2. 数字电路给现代科技带来了丰富的拓展可能，但当人造航天器带着精密的电子仪器飞行在太空中时，空间天气却会给它带来意想不到的变故，1988 年 9 月 7 日，中国研制的第一代极地轨道气象卫星风云一号发射升空，然而它在强烈的太阳活动期间遭遇了名为单粒子翻转的空间天气事件，仅工作了 39 天后就故障并失效，这种现象可谓是航天器的杀手，例如 1995 年的实践四号卫星搭载的两台单粒子事件测量装置，入轨后的 19 天内发生了 65 次单粒子翻转。
3. 所谓单粒子翻转是什么？由于宇宙空间存在大量高能量的粒子辐射，由单个高能粒子进入半导体器件灵敏区，例如微处理器存储器或者功率晶体管反应导致存储单元位翻转，即“0”变“1”或“1”变“0”，引发仪器错误，这种逻辑状态变化由附近电离产生的自由电荷引起，仅仅一个高能粒子影响有限，但这一念之间非黑即白的影响却可能导致满盘皆输，使整个卫星的寿命缩短。

4. 引起单粒子翻转的高能量粒子最初并非在太空发现，而是在地面核试验中，科学家首次发现并描述了单粒子翻转，1972 年一颗 Hughes 卫星发生故障，地面与卫星的通信中断了 96 秒，然后卫星重新被捕获，科学家把这种异常解释为单个高能粒子引起的扰乱，并于 1975 年在 IEEE 核科学学报上发表了论文，这可能是最早的关于空间天气的单粒子翻转的论文，单粒子翻转甚至可能在飞机乃至地面出现，例如使飞机从自动驾驶模式中退出造成危险。

5. 一次单粒子翻转可能导致设备工作异常，丢失数据，甚至姿态失控，长期暴露在宇宙辐射中的设备会因频繁的单粒子翻转而性能下降，频繁的单粒子翻转事件需要更多的维护和修复工作，增加了运营成本和风险。

6. 为了抵抗这种空间天气，航天器需要合理布置设备内部结构，还可以增加错误检测和纠正机制，及时发现并纠正单粒子翻转引起的错误，有了这些保护，航天器才能在空间天气的干扰下更好地服务人类。
监制：付萌萌、周亚光，石玥、高鹏东，统筹：马俊改、彭云向、陈晨齐全，编剧：陈玮，王珏、裘初、王博，顾潇文、张莉、张洁、刘馨茹，仲迪维、胡惠、龚倚玄、张越。出品单位：北京市科学技术协会，北京科普发展与研究中心，中国传媒大学媒体融合与传播国家重点实验室，北京市科学技术协会。BUJING ASSOCATON FOR SOIENCE AND TECHNOLOG。