空间辐照机理与防护技术研究
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
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空间电子技术 2007年第 3期
(1)选择满足抗辐射总剂量 、抗单粒子反转效应 ( SEU ) 、闩锁效应 ( SEL )指标要求的电子元器件 ; (2)核心的电子元器件 HCS器件 、电源等选用按照有关国家标准制造的有关产品 ; (3)电阻 、电容 、二极管 、三极管 、继电器等尽量选用达到抗辐照标准要求而免于做抗辐照实验测 试的产品 ; (4)微处理器及其外围设备的器件选用抗辐照加固过的产品 ; (5)对于暴露在航天器外面的有机材料 ,采用高抗辐照的塑料和涂料 。 3. 2 组件级防护设计 组件级 ,也就是电子线路板级的防护 ,局部的一些电子元器件经过有机的组成 ,成为一个发挥某 种作用的集成电路板 ,称之为组件级 。像这样的电路板也需要抗辐照加固设计 ,以便使电路的功能和 性能能够继续保持 ,发挥正常的作用 。它在技术上有以下要求 : (1)元器件参数指标应该保证在环境最恶劣的条件下工作时 ,电路的功能和性能不超出正常工 作的范围 ,在条件允许的情况下 ,尽量采用中小规模集成电路 ; (2)选择合适的屏蔽方式和屏蔽材料 ; (3)对个别抗辐照能力不高的电子元器件 ,采用一定厚度的铅皮来增强屏蔽 ; (4)对其中的运算电路 、控制电路和中断电路内部存储器采取冗余设计 ,以增加安全系数 ,防止 发生软错误 ; (5)冗余设计中应用故障隔离技术 ,以防止产生连锁反应 ; (6)为防止因闩锁时过电流损坏 CMOS器件 ,电路设计时设置限流范围 。 3. 3 系统级防护设计 系统级 ,也就是对电子设备整体的抗辐照防护设计 ,它的防护较复杂 。电子设备可能包括几个分 系统组成一个总系统 ,这就要一要考虑单个分系统的抗辐照防护 ;二要考虑总系统的防护 。总系统整 体与外界的恶劣环境直接接触 ,因此也是电子设备抗辐照防护的第一层门户 ,故抗辐照防护设计自然 是必不可少的 。在考虑整体防护的时候 ,不应该忘记电子设备内某些对辐照敏感的电子元器件的局 部辐照防护 。它有如下要求 : (1)合理选择机壳屏蔽厚度及材料 ,由于设备基本上放置在机箱内 ,这就要求选择合适的机箱材 料及厚度 。但是在空间环境下 ,机壳厚度不能像电子设备在地面环境下那样依靠增加屏蔽材料厚度 来降低辐照的损害 ,而应选择抗辐照性能好的屏蔽材料 ,当然 ,这要根据电子设备所处的空间环境来 决定 。 (2)合理选择箱体结构 。
收稿日期 : 2005 - 09 - 16; 收修改稿日期 : 2005 - 11 - 01
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
(2)距离防护 。点状辐射源所产生的辐照强度与距离的平方成反比 ,在条件允许的情况下 ,尽可 能远离辐射源 。离辐射源稍远一点 ,可使受到的照射剂量显著减少 。
(3)屏蔽防护 。在实际工作时单靠时间防护和距离防护 ,往往达不到安全的要求 ,因此根据射线 通过物质其强度会被减弱的原理 ,在辐射源与被辐射物体之间放上屏蔽物 ,以减少或消除辐射源的照 射 。屏蔽射线常用材料 ,对 X或 γ射线的常用材料有铅 、铁 、混凝土 、水 、砖 、石 、泥土等 ;屏蔽中子的 常用材料有水 、石蜡 、有机玻璃 、聚乙烯 、聚氯乙烯 、石膏和高岭土等 ;屏蔽 β射线的常用材料有铝 、玻 璃 、有机玻璃等 。
1 空间辐射环境
地球轨道天然空间辐射粒子包括地磁捕获辐射带 (Van A llen Belt)粒子和宇宙射线 (包括太阳宇 宙射线和银河宇宙射线 ) 。 1. 1 地磁捕获辐射带粒子 [ 1 ]
地磁捕获辐射带粒子主要是电子 、质子以及少量的重离子 。地磁捕获辐射带通常又分为内辐射 带 (1. 5Re～2. 8Re, 1Re = 6 380km ,为地球半径 )和外辐射带 ( 2. 8Re～12Re) ,内辐射带以质子为主 , 而外辐射带以电子为主 。地磁捕获辐射带中质子能量可达 500M eV。能量大于 10M eV 的质子主要分 布在 3. 8Re以下 ,能量大于 30M eV 的质子主要分布在 1. 5Re[2 ]以下 ,而典型的卫星壳体能屏蔽能量 小于 10M eV 的质子 。因此对于低轨道卫星来说 ,质子对内部电子元器件的辐照破坏尤为严重 。在外 辐射带中电子具有较高的能量和较大的通量 (约为内辐射带的 10倍 ) 。在外辐射带中电子的最高能 量可达 7M eV ,而在内辐射带中电子的最高能量为 5M eV ,能量大于 1M eV 的电子的通量峰值在 3Re～ 4Re之间 。 1. 2 太阳宇宙射线
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闭锁现象 。近 10年来 ,为提高双极器件和电路抗辐照能力 ,器件设计方面采用介质隔离 、薄膜电阻 、 小几何尺寸外形 、金重掺杂 、小集电区电阻率和小集电区厚度 、光电流补偿 、限流电阻等 ,已成为抗 γ 瞬态辐照强有力的加固手段 。下面介绍的是目前比较常用的电器组件的抗辐照防护器件 。
Si器件 主要有两种辐照加固技术 :双极技术和 CMOS技术 。由于双极电路具有强的电流驱动能力 、好的 线性特性和匹配特性以及增益高 、负载能力强 、工作速度快等优点 ,在模拟和数字 IC中有广泛的应 用 。许多卫星和空间飞行器大量使用双极线性电路 。CMOS电路具有噪声容限高和功耗低的优点 , 而集成度比双极技术高 ,抗中子辐照能力强 ,所以是加固数字 IC的主流技术 。石绝缘衬底上外延硅 制作 CMOS器件的技术 ,它比较成功地解决了隔离问题 。与 Si器件相比 ,还能很好地解决硅 CMOS 器件的闭锁问题 。 GaA s器件 GaA s器件中 GaA s晶体的电子迁移率比硅大 5倍 ,因此具有高速 、高频 、大功率 、低功耗 、宽工作 温度范围 ( - 200℃～400℃) 、极高的抗 γ总剂量辐照能力的优点 ,在军用领域受到重视 。 屏蔽式 IC封装抗辐照 于 1979年首次提出 、80年代初研究的屏蔽式 IC封装抗辐照 。集成电路管壳屏蔽技术能很有效 地减轻辐照损伤 ,主要优点是效果好 、价格便宜 、使用简单 ,比在工艺上或芯片上采用加固措施更节省 人力物力 。共烧 A l封装技术是目前商用屏蔽封装最常用的技术之一 。这种封装结构可为封装的整 个周边提供有效的屏蔽和高的可靠性 。此外 ,采用这种方法还可轻易地加金属辐照屏蔽 ,将金属盖板 与一块金属片贴在陶底部 ,用作顶部和底部屏蔽 。 在多种抗辐照加固技术中 ,现在主要应用的是硅双极和硅 CMOS技术 ; SO I技术正在成熟 ,可制 作加固模拟和数字集成电路 ,并可能成为今后占主导地位的加固技术 ; GaA s技术是制作微波单片集 成电路的理想技术 ,也是空间微电子器件的理想加固技术 。 2. 3 系统级防护方法 系统级的辐照防护是一个比较复杂的问题 ,要根据电子设备系统所处的空间环境来进行分析 ,进 行被动屏蔽 ,即采用屏蔽材料对电子系统进行辐照防护 。把电子设备放置在一个箱体内 ,箱体的厚 度不能要求屏蔽所有的辐照 ,因为会增大一些无用的额外的质量 。应该先满足对辐照不敏感的电子 器件 ,而对辐照较敏感的部位 ,采用局部点屏蔽的方法 。机箱箱体的材料尽可能选用高抗辐照低密度 材料 ,目前空间飞行器外壳主要是铝合金 。此外还有高分子防辐照材料如防中子和 γ射线的聚乙烯 醇 、聚丙烯 、聚氧乙烯 、聚氨醋及耐高温聚合物 、玻璃钢类复合防辐照材料 , Gd (AA ) 3 /NR 复合材料防 X射线 ,防 β有含铅或铅盐的橡胶和塑料等 。空间防辐照需要建立空间辐照模型 ,国外目前使用较多 的空间辐照环境模型有 AP8 (用于质子 )和 AE8 (用于电子 ) 。由于这些模型制作于 20世纪 70年代 , 已经不能适应目前应用 ,目前新的模型的建立处于国际协作努力之中 [5 ] 。
金刚石材料还处于材料制备和器件制作的初步阶段 ,预计它将是抗辐照能力最强的微电子器件 制作材料 。另外 ,利用新发展起来的铁电材料与硅材料相结合 ,对存储器的加固防护有很好的效果 。 把稀土元素掺入硅单晶中可以在一定程度上抑制辐照产生的缺陷 ,这种掺杂材料比常规单晶材料在 电阻率的变化上表现出较好的抗中子辐照能力 。 2. 2 组件级防护方法
主题词 辐照 辐照机理 辐照防护
0 引 言
人类的活动空间不断扩大 ,已经走向太空 。建立月球基地和飞往火星已被列入 21世纪的航天计 划 。而运行在空间的各类人造卫星及航天器会受到地球带电粒子 、太阳宇宙射线等各种辐射 ,并造成 不同程度的损伤 。空间辐照对飞行安全的影响成为一个非常突出的问题 ,因此 ,当今世界上许多国家 都在致力于空间辐照防护技术的研究 。
空间电子技术
2007年第 3期
S PAC E ELEC TRON IC TECHNOLO GY
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空间辐照机理与防护技术研究
张现亮 朱敏波 李 琴
(西安电子科技大学 ,西安 710071)
摘 要 空间辐照防护是辐射防护领域内最具挑战性的学科之一 。文章着重介绍空间 辐射的主要来源如银河宇宙射线 、地球磁场捕获的高能电子和质子形成的地球辐射带 ,太阳 粒子事件 ;辐照研究的机理 ,防护技术的观点以及防护所要考虑的几个方面 。
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空间电子技术 2007年第 3期
银河宇宙射线主要由质子 (85% ) 、氦离子 (14% )和高能重离子 ( 1% )组成 。银河宇宙线的能量 大 (102 ～1013M eV ) ,但通量小 (1～4个 / cm2 ·s) ,大约在 1 000 M eV /核子注量率最高 。
元件级的防护应该选用抗辐照的材料 [4 ] ,现在一般情况下用的是半导体材料 Si,由于半导体材 料对辐照比较敏感 ,美国早在 20世纪 50年代就着手于抗辐照材料的防护加固 。
目前抗辐照电子材料主要包括 Ge、Si、GaA s、蓝宝石上硅 ( SOS) 、绝缘体上硅 ( SO I) 、金刚石等 。 其中研究最多 、最成熟的是硅材料 。这是因为硅材料和器件制作成本较低 、集成度高 ,电性能可满足 大多数电子设备系统的要求 ,而其抗辐照能力较强 ,在一般辐射环境中有生存能力 。 GaA s外延材料 具有较高的抗中子辐照和抗总剂量辐照的能力 ,薄弱环节是抗 γ瞬时辐照的能力较弱 。
SOS器件的抗辐照能力比 Si器件强 ,可能是目前所采用的抗辐照能力最强的电子材料 。使用 SOS的缺点是片子易碎 、面积小 、成品率低 、成本高 。
SO I技术是在绝缘衬底上形成单晶硅而制作数字和模拟器件的技术 。它具有速度快 、集成度高 、 工作温度范围宽 (达 350℃) 、无闭锁 、抗辐照能力强 、工艺简单等特点 。 SO I技术具有天然的抗空间 单粒子效应的能力和抗高 γ剂量率电离效应 ,近年来这项技术迅速成熟 ,其抗辐照能力与 SOS相当 , 成本却低得多 。 SO I技术的优点之一是亚阈值斜率大大降低 ,从长期考虑可能成为取代 SOS的主流 技术 。
组件级与元件级一样 ,但也有它的特殊问题 ,即解决寄生结及寄生晶体管所产生的瞬时光电流及
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2007年第 3期 张现亮 等 :空间辐照机理与防护技术研究
2 空间辐照防护方法
在空间恶劣环境下要求电子设备正常有效地工作 ,发挥其作用 ,辐照防护就必不可少 。由于在空 间环境下主要是外照射 ,故与地球上的辐照防护有些不同 ,地球上一般采用以下方法来进行防护 :
(1)时间防护 。在外照射中 ,外照射累积剂量与照射时间成正比 ,因此在不影响设备正常工作的 情况下 ,应尽可能地减少在辐射源旁边停留的时间 。
3 空间抗辐照防护的设计
空间飞行器的抗辐照防护的设计也应该从以下几个层次 —元件级 、组件级 、系统级考虑 ,保证它 们在规定的辐射环境下 ,能按预定的参数正常 、可靠地工作 。 3. 1 元件级防护设计
元件级 ,也就是电子元器件的抗辐照防护 ,各个部分的单机的核心关键电子元器件应该尽可能选 用符合空间飞行器抗辐照总辐射剂量和其他要求的电子元器件 。空间飞行器都有其额定使用寿命 (有可能在空间工作几年甚至十几年 ) ,这就要求其关键的核心电子元器件应该能够在额定使用寿命 时间内的抗总辐射剂量下正常工作 。它有以下几点要求 [ 6 ] :
在空间环境下 ,空间飞行器在空间需要长年处在各种粒子和射线的包围之中 ,无法进行有效的时 间防护和距离防护 ,所以只有屏蔽防护 。电子系统屏蔽防护研究开始得晚一些 ,最初只是注意到高空 核爆炸对电离层的破坏 ,以及对电波传播产生影响 。后来发现核电磁脉冲可能直接对电子系统造成 严重破坏 ,如造成严重电干扰或击穿 、烧毁元器件等 ,影响范围可达数百千米 。对核电磁脉冲的防护 较一般电磁兼容 ( EMC)技术更复杂 。空间飞行器的抗辐照防护也是采用屏蔽的方法 ,但应该从元件 级 、组件级 、系统级进行考虑 。 2. 1 元件级防护方法
太阳宇宙射线主要是质子 (90% ～95% )和氦粒子 ,能量一般为 10M eV ～1 000M eV ,高能重离子 可忽略 。在太阳耀斑发生时 ,能量大于 100M eV 的粒子积分通量为 1 ×106 个 / cm2 ,能量大于 30M eV 的粒子相应为 1 ×109 个 / cm2 。卫星遇到这种强大粒子流 [ 3 ] ,其电子系统将遭受损坏 ,主要为高能质 子 (约 30MeV ) ,喷射的持续时间可为数百分钟至数天 ,剂量为 0. 1Gy～10Gy。 1. 3 银河宇宙射线
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空间电子技术 2007年第 3期
(1)选择满足抗辐射总剂量 、抗单粒子反转效应 ( SEU ) 、闩锁效应 ( SEL )指标要求的电子元器件 ; (2)核心的电子元器件 HCS器件 、电源等选用按照有关国家标准制造的有关产品 ; (3)电阻 、电容 、二极管 、三极管 、继电器等尽量选用达到抗辐照标准要求而免于做抗辐照实验测 试的产品 ; (4)微处理器及其外围设备的器件选用抗辐照加固过的产品 ; (5)对于暴露在航天器外面的有机材料 ,采用高抗辐照的塑料和涂料 。 3. 2 组件级防护设计 组件级 ,也就是电子线路板级的防护 ,局部的一些电子元器件经过有机的组成 ,成为一个发挥某 种作用的集成电路板 ,称之为组件级 。像这样的电路板也需要抗辐照加固设计 ,以便使电路的功能和 性能能够继续保持 ,发挥正常的作用 。它在技术上有以下要求 : (1)元器件参数指标应该保证在环境最恶劣的条件下工作时 ,电路的功能和性能不超出正常工 作的范围 ,在条件允许的情况下 ,尽量采用中小规模集成电路 ; (2)选择合适的屏蔽方式和屏蔽材料 ; (3)对个别抗辐照能力不高的电子元器件 ,采用一定厚度的铅皮来增强屏蔽 ; (4)对其中的运算电路 、控制电路和中断电路内部存储器采取冗余设计 ,以增加安全系数 ,防止 发生软错误 ; (5)冗余设计中应用故障隔离技术 ,以防止产生连锁反应 ; (6)为防止因闩锁时过电流损坏 CMOS器件 ,电路设计时设置限流范围 。 3. 3 系统级防护设计 系统级 ,也就是对电子设备整体的抗辐照防护设计 ,它的防护较复杂 。电子设备可能包括几个分 系统组成一个总系统 ,这就要一要考虑单个分系统的抗辐照防护 ;二要考虑总系统的防护 。总系统整 体与外界的恶劣环境直接接触 ,因此也是电子设备抗辐照防护的第一层门户 ,故抗辐照防护设计自然 是必不可少的 。在考虑整体防护的时候 ,不应该忘记电子设备内某些对辐照敏感的电子元器件的局 部辐照防护 。它有如下要求 : (1)合理选择机壳屏蔽厚度及材料 ,由于设备基本上放置在机箱内 ,这就要求选择合适的机箱材 料及厚度 。但是在空间环境下 ,机壳厚度不能像电子设备在地面环境下那样依靠增加屏蔽材料厚度 来降低辐照的损害 ,而应选择抗辐照性能好的屏蔽材料 ,当然 ,这要根据电子设备所处的空间环境来 决定 。 (2)合理选择箱体结构 。
收稿日期 : 2005 - 09 - 16; 收修改稿日期 : 2005 - 11 - 01
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
(2)距离防护 。点状辐射源所产生的辐照强度与距离的平方成反比 ,在条件允许的情况下 ,尽可 能远离辐射源 。离辐射源稍远一点 ,可使受到的照射剂量显著减少 。
(3)屏蔽防护 。在实际工作时单靠时间防护和距离防护 ,往往达不到安全的要求 ,因此根据射线 通过物质其强度会被减弱的原理 ,在辐射源与被辐射物体之间放上屏蔽物 ,以减少或消除辐射源的照 射 。屏蔽射线常用材料 ,对 X或 γ射线的常用材料有铅 、铁 、混凝土 、水 、砖 、石 、泥土等 ;屏蔽中子的 常用材料有水 、石蜡 、有机玻璃 、聚乙烯 、聚氯乙烯 、石膏和高岭土等 ;屏蔽 β射线的常用材料有铝 、玻 璃 、有机玻璃等 。
1 空间辐射环境
地球轨道天然空间辐射粒子包括地磁捕获辐射带 (Van A llen Belt)粒子和宇宙射线 (包括太阳宇 宙射线和银河宇宙射线 ) 。 1. 1 地磁捕获辐射带粒子 [ 1 ]
地磁捕获辐射带粒子主要是电子 、质子以及少量的重离子 。地磁捕获辐射带通常又分为内辐射 带 (1. 5Re～2. 8Re, 1Re = 6 380km ,为地球半径 )和外辐射带 ( 2. 8Re～12Re) ,内辐射带以质子为主 , 而外辐射带以电子为主 。地磁捕获辐射带中质子能量可达 500M eV。能量大于 10M eV 的质子主要分 布在 3. 8Re以下 ,能量大于 30M eV 的质子主要分布在 1. 5Re[2 ]以下 ,而典型的卫星壳体能屏蔽能量 小于 10M eV 的质子 。因此对于低轨道卫星来说 ,质子对内部电子元器件的辐照破坏尤为严重 。在外 辐射带中电子具有较高的能量和较大的通量 (约为内辐射带的 10倍 ) 。在外辐射带中电子的最高能 量可达 7M eV ,而在内辐射带中电子的最高能量为 5M eV ,能量大于 1M eV 的电子的通量峰值在 3Re～ 4Re之间 。 1. 2 太阳宇宙射线
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闭锁现象 。近 10年来 ,为提高双极器件和电路抗辐照能力 ,器件设计方面采用介质隔离 、薄膜电阻 、 小几何尺寸外形 、金重掺杂 、小集电区电阻率和小集电区厚度 、光电流补偿 、限流电阻等 ,已成为抗 γ 瞬态辐照强有力的加固手段 。下面介绍的是目前比较常用的电器组件的抗辐照防护器件 。
Si器件 主要有两种辐照加固技术 :双极技术和 CMOS技术 。由于双极电路具有强的电流驱动能力 、好的 线性特性和匹配特性以及增益高 、负载能力强 、工作速度快等优点 ,在模拟和数字 IC中有广泛的应 用 。许多卫星和空间飞行器大量使用双极线性电路 。CMOS电路具有噪声容限高和功耗低的优点 , 而集成度比双极技术高 ,抗中子辐照能力强 ,所以是加固数字 IC的主流技术 。石绝缘衬底上外延硅 制作 CMOS器件的技术 ,它比较成功地解决了隔离问题 。与 Si器件相比 ,还能很好地解决硅 CMOS 器件的闭锁问题 。 GaA s器件 GaA s器件中 GaA s晶体的电子迁移率比硅大 5倍 ,因此具有高速 、高频 、大功率 、低功耗 、宽工作 温度范围 ( - 200℃～400℃) 、极高的抗 γ总剂量辐照能力的优点 ,在军用领域受到重视 。 屏蔽式 IC封装抗辐照 于 1979年首次提出 、80年代初研究的屏蔽式 IC封装抗辐照 。集成电路管壳屏蔽技术能很有效 地减轻辐照损伤 ,主要优点是效果好 、价格便宜 、使用简单 ,比在工艺上或芯片上采用加固措施更节省 人力物力 。共烧 A l封装技术是目前商用屏蔽封装最常用的技术之一 。这种封装结构可为封装的整 个周边提供有效的屏蔽和高的可靠性 。此外 ,采用这种方法还可轻易地加金属辐照屏蔽 ,将金属盖板 与一块金属片贴在陶底部 ,用作顶部和底部屏蔽 。 在多种抗辐照加固技术中 ,现在主要应用的是硅双极和硅 CMOS技术 ; SO I技术正在成熟 ,可制 作加固模拟和数字集成电路 ,并可能成为今后占主导地位的加固技术 ; GaA s技术是制作微波单片集 成电路的理想技术 ,也是空间微电子器件的理想加固技术 。 2. 3 系统级防护方法 系统级的辐照防护是一个比较复杂的问题 ,要根据电子设备系统所处的空间环境来进行分析 ,进 行被动屏蔽 ,即采用屏蔽材料对电子系统进行辐照防护 。把电子设备放置在一个箱体内 ,箱体的厚 度不能要求屏蔽所有的辐照 ,因为会增大一些无用的额外的质量 。应该先满足对辐照不敏感的电子 器件 ,而对辐照较敏感的部位 ,采用局部点屏蔽的方法 。机箱箱体的材料尽可能选用高抗辐照低密度 材料 ,目前空间飞行器外壳主要是铝合金 。此外还有高分子防辐照材料如防中子和 γ射线的聚乙烯 醇 、聚丙烯 、聚氧乙烯 、聚氨醋及耐高温聚合物 、玻璃钢类复合防辐照材料 , Gd (AA ) 3 /NR 复合材料防 X射线 ,防 β有含铅或铅盐的橡胶和塑料等 。空间防辐照需要建立空间辐照模型 ,国外目前使用较多 的空间辐照环境模型有 AP8 (用于质子 )和 AE8 (用于电子 ) 。由于这些模型制作于 20世纪 70年代 , 已经不能适应目前应用 ,目前新的模型的建立处于国际协作努力之中 [5 ] 。
金刚石材料还处于材料制备和器件制作的初步阶段 ,预计它将是抗辐照能力最强的微电子器件 制作材料 。另外 ,利用新发展起来的铁电材料与硅材料相结合 ,对存储器的加固防护有很好的效果 。 把稀土元素掺入硅单晶中可以在一定程度上抑制辐照产生的缺陷 ,这种掺杂材料比常规单晶材料在 电阻率的变化上表现出较好的抗中子辐照能力 。 2. 2 组件级防护方法
主题词 辐照 辐照机理 辐照防护
0 引 言
人类的活动空间不断扩大 ,已经走向太空 。建立月球基地和飞往火星已被列入 21世纪的航天计 划 。而运行在空间的各类人造卫星及航天器会受到地球带电粒子 、太阳宇宙射线等各种辐射 ,并造成 不同程度的损伤 。空间辐照对飞行安全的影响成为一个非常突出的问题 ,因此 ,当今世界上许多国家 都在致力于空间辐照防护技术的研究 。
空间电子技术
2007年第 3期
S PAC E ELEC TRON IC TECHNOLO GY
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空间辐照机理与防护技术研究
张现亮 朱敏波 李 琴
(西安电子科技大学 ,西安 710071)
摘 要 空间辐照防护是辐射防护领域内最具挑战性的学科之一 。文章着重介绍空间 辐射的主要来源如银河宇宙射线 、地球磁场捕获的高能电子和质子形成的地球辐射带 ,太阳 粒子事件 ;辐照研究的机理 ,防护技术的观点以及防护所要考虑的几个方面 。
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空间电子技术 2007年第 3期
银河宇宙射线主要由质子 (85% ) 、氦离子 (14% )和高能重离子 ( 1% )组成 。银河宇宙线的能量 大 (102 ～1013M eV ) ,但通量小 (1～4个 / cm2 ·s) ,大约在 1 000 M eV /核子注量率最高 。
元件级的防护应该选用抗辐照的材料 [4 ] ,现在一般情况下用的是半导体材料 Si,由于半导体材 料对辐照比较敏感 ,美国早在 20世纪 50年代就着手于抗辐照材料的防护加固 。
目前抗辐照电子材料主要包括 Ge、Si、GaA s、蓝宝石上硅 ( SOS) 、绝缘体上硅 ( SO I) 、金刚石等 。 其中研究最多 、最成熟的是硅材料 。这是因为硅材料和器件制作成本较低 、集成度高 ,电性能可满足 大多数电子设备系统的要求 ,而其抗辐照能力较强 ,在一般辐射环境中有生存能力 。 GaA s外延材料 具有较高的抗中子辐照和抗总剂量辐照的能力 ,薄弱环节是抗 γ瞬时辐照的能力较弱 。
SOS器件的抗辐照能力比 Si器件强 ,可能是目前所采用的抗辐照能力最强的电子材料 。使用 SOS的缺点是片子易碎 、面积小 、成品率低 、成本高 。
SO I技术是在绝缘衬底上形成单晶硅而制作数字和模拟器件的技术 。它具有速度快 、集成度高 、 工作温度范围宽 (达 350℃) 、无闭锁 、抗辐照能力强 、工艺简单等特点 。 SO I技术具有天然的抗空间 单粒子效应的能力和抗高 γ剂量率电离效应 ,近年来这项技术迅速成熟 ,其抗辐照能力与 SOS相当 , 成本却低得多 。 SO I技术的优点之一是亚阈值斜率大大降低 ,从长期考虑可能成为取代 SOS的主流 技术 。
组件级与元件级一样 ,但也有它的特殊问题 ,即解决寄生结及寄生晶体管所产生的瞬时光电流及
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
2007年第 3期 张现亮 等 :空间辐照机理与防护技术研究
2 空间辐照防护方法
在空间恶劣环境下要求电子设备正常有效地工作 ,发挥其作用 ,辐照防护就必不可少 。由于在空 间环境下主要是外照射 ,故与地球上的辐照防护有些不同 ,地球上一般采用以下方法来进行防护 :
(1)时间防护 。在外照射中 ,外照射累积剂量与照射时间成正比 ,因此在不影响设备正常工作的 情况下 ,应尽可能地减少在辐射源旁边停留的时间 。
3 空间抗辐照防护的设计
空间飞行器的抗辐照防护的设计也应该从以下几个层次 —元件级 、组件级 、系统级考虑 ,保证它 们在规定的辐射环境下 ,能按预定的参数正常 、可靠地工作 。 3. 1 元件级防护设计
元件级 ,也就是电子元器件的抗辐照防护 ,各个部分的单机的核心关键电子元器件应该尽可能选 用符合空间飞行器抗辐照总辐射剂量和其他要求的电子元器件 。空间飞行器都有其额定使用寿命 (有可能在空间工作几年甚至十几年 ) ,这就要求其关键的核心电子元器件应该能够在额定使用寿命 时间内的抗总辐射剂量下正常工作 。它有以下几点要求 [ 6 ] :
在空间环境下 ,空间飞行器在空间需要长年处在各种粒子和射线的包围之中 ,无法进行有效的时 间防护和距离防护 ,所以只有屏蔽防护 。电子系统屏蔽防护研究开始得晚一些 ,最初只是注意到高空 核爆炸对电离层的破坏 ,以及对电波传播产生影响 。后来发现核电磁脉冲可能直接对电子系统造成 严重破坏 ,如造成严重电干扰或击穿 、烧毁元器件等 ,影响范围可达数百千米 。对核电磁脉冲的防护 较一般电磁兼容 ( EMC)技术更复杂 。空间飞行器的抗辐照防护也是采用屏蔽的方法 ,但应该从元件 级 、组件级 、系统级进行考虑 。 2. 1 元件级防护方法
太阳宇宙射线主要是质子 (90% ～95% )和氦粒子 ,能量一般为 10M eV ～1 000M eV ,高能重离子 可忽略 。在太阳耀斑发生时 ,能量大于 100M eV 的粒子积分通量为 1 ×106 个 / cm2 ,能量大于 30M eV 的粒子相应为 1 ×109 个 / cm2 。卫星遇到这种强大粒子流 [ 3 ] ,其电子系统将遭受损坏 ,主要为高能质 子 (约 30MeV ) ,喷射的持续时间可为数百分钟至数天 ,剂量为 0. 1Gy～10Gy。 1. 3 银河宇宙射线