地上より航空機内の方がソフトエラーが起きやすいか?

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ソフトエラーが起きる確率は

・富士山頂(高度3776m)では地上の約17

・航空機内(高度11km)では地上の約380

ソフトエラーとは、コンピュータなどのメモリに中性子線などが当たることによって0/1がひっくり返って誤動作することである。地上ではソフトエラーの発生確率が実用上問題ないレベルになるように設計されているわけだが、航空機が飛ぶような上空では地上よりも、高エネルギーの中性子線が多いので(成層圏で宇宙線と大気の原子核が衝突して中性子が発生している)、ソフトエラーの発生確率は大きくなる。高エネルギーの中性子線量が高度zではどれくらい多くなるかは、JEDECの規格JESD89AAnnex Aに載っている。

中性子線は大気中の窒素分子や酸素分子(の原子核)を弾き飛ばすたびにエネルギーを失っていくから、ある一定以上のエネルギーを持つ中性子線量は減っていく。分子と衝突する確率は、通過する大気中の分子の数、すなわち大気の質量に比例する。したがって、高度zでの(10MeV以上のエネルギーを持つ)中性子線量は、地上(z=0)での量を1として次のように表せる

d(z) 高度z以上にある大気の総質量[g/cm2]

datt 10MeV以上の中性子線量が1/eに減るのに必要な大気の通過量131[g/cm2]

 

高度z 以上にある大気の総質量d(z)とは、大気圧p(z)にほかならない。

そこで単位を圧力[hPa]に直すと、zでの中性子線量

大気圧と高度の関係式は、JESD85Aでは

と与えられていて、この式を使ってグラフを描くと次のようになる。ただし高度は対流圏の11kmまでとした。

例を挙げると、富士山頂(高度3776m)では地上の約17倍と1桁大きくなり、航空機内(高度11km)では地上の約380倍と2桁大きくなる。

ちなみに、機体の壁(金属)は空気の1000倍以上の密度があるので遮蔽してくれそうな気がするが、高エネルギーの中性子は衝突相手が弾き飛ばされないとエネルギーを失わないので、金属のように原子核が固定されていると弾性衝突するだけで、遮蔽効果はないらしい。

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JESD85Aによると、中性子線量は高度以外にも

・太陽から放出される宇宙線量の時間変動

・緯度(地磁気の影響で北極南極に近い高緯度ほど宇宙線が多い)

によって変化するが、変動率はそれぞれ25%、2倍程度なので、やはり高度が最も大きい変動要因である。


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