空間相機電子學系統耐輻射復合材料加固方法研究

魏君成，張繼森，徐熙平

（1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

根據美國衛星故障統計，空間輻射環境誘發的故障約占衛星總故障率的40%。因此為了使空間設備電子系統能在空間輻射環境下穩定可靠工作，對基礎元器件和集成電路施以抗輻射防護措施是非常必要的。然而到目前為止，我國高等級大規模集成電路還基本依賴進口，而國外對航天及軍事相關的產品封鎖尤為嚴重，許多抗輻射集成電路產品都是禁運的，致使我國在空間項目的研發過程中，器件的采購與選型十分困難，尤其是抗輻射的處理器、DSP、FPGA、CCD等高等級器件，花費巨資也很難獲得，以至于8031、80186仍普遍應用于星載電子系統中。這導致我國的一些在研項目在研制過程中往往采用進口低可靠的COTS（Commercial Off-The-Shelf）器件。COTS器件即商業現貨器件，包括質量等級為工業級或商業級的民用器件。我國高可靠系統之所以對COTS有很大需求，是因為選用COTS能夠達到規定的功能要求。但使用COTS產生了低可靠性的風險。為提高COTS器件的可靠性，國內通常采用在集成電路表面粘貼重金屬片的抗輻射加固措施。而使用此種方法存在一個不可逾越的弊端：在高能帶電粒子輻射起主要作用的空間環境下，沒有考慮高能帶電粒子，也就是說使用此種屏蔽方法對電子學器件進行加固時，會產生在比一次輻射更嚴重的二次輻射危害。因此，從長遠意義來看，COTS的高可靠應用也是NASA實踐“好、快、省”原則所推崇的重要舉措，亦為大勢所趨。從以上高性能需求、市場規則和國際相關機構的政策導向分析，COTS將會在未來高可靠系統中發揮重要作用。因此，深入研究電子元器件抗輻射加固技術，提高其可靠性，進一步提高空間相機的可靠性以及延長其使用壽命也是世界各航天大國的迫切任務之一。本文采用典型軌道高度1 000 km太陽同步和臨界傾角軌道，按照遙感衛星在軌工作任務5年期限提出新的復合材料抗輻加固方法，對于遙感衛星相機電子學系統抗輻射加固的工程應用具有指導意義。

1 遙感衛星典型軌道空間輻射環境

太陽同步軌道和臨界傾角軌道是遙感衛星常選用的兩種軌道。在太陽同步軌道上運行的衛星以相同的方向經過同一緯度的當地時間是相同的，氣象衛星、地球資源衛星一般采用這種軌道。臨界傾角軌道是傾角等于63.4°的軌道，地球非圓球形狀和地球質量分布不均勻造成的自然攝動，不會造成軌道橢圓的長軸在軌道面內轉動，也稱為凍結軌道。現針對這兩種典型常用軌道的空間輻射環境進行分析。

1.1 軌道粒子輻射環境

AE-8與AP-8是兩種典型的空間輻射帶分布模型，AP8MAX為太陽能最大條件下的質子通量；AP8MIN為太陽能最小條件下的質子通量；AE8MAX為太陽能最大條件下的電子通量；AE8MIN為太陽能最小條件下的電子通量。根據已經發布的空間環境數據［1-2］，運用仿真軟件計算的1 000 km高度臨界傾角（64°）和太陽同步（99°）軌道粒子輻射環境如圖1和圖2所示，在位于空間環境內輻射帶內邊緣，遭遇的粒子輻射成分主要為高能質子和電子。其中高能質子主要分布在南大西洋異常區（SAA），且分布區域和中心強度隨著高度升高而增加。

圖1 AE8MIN和AP8MIN計算的1 000 km臨界傾角軌道電子輻射環境

圖2 AE8MIN和AP8MIN計算的1 000 km太陽同步軌道質子輻射環境

高能電子除南大西洋異常區分布外，南北緯60°磁緯度圈附近也有分布。兩個區域之內，高能電子分布區域和中心強度均隨著高度升高而增加［1］。1 000 km高度兩個不同傾角軌道南大西洋異常區內高能質子、電子的分布區域和強度一致；南北緯60°緯度圈附近，受傾角影響，臨界傾角軌道僅在南北緯64°之間遭遇高能電子，而太陽同步軌道遭遇高能電子的區域更廣，可擴展到南北緯80.05°之間；同時，南北緯64°之間區域兩軌道的高能電子強度是一致的。實際上LEO高能質子和電子環境會隨著太陽活動周、季節、周日發生演化，由于衛星壽命期會遠大于季節和周日變化的周期，因此導致的輻射環境變化可以忽略，可以由AE8AP8的平均模型計算結果表征，但衛星壽命周期位于不同太陽活動階段時，僅靠AE8AP8的太陽活動高年和低年模型不能完全表征。太陽活動對高能質子和電子的影響不盡相同。對高能質子而言，太陽活動高年中高層大氣密度上升，高能質子與之碰撞概率引起的損失加快，進而導致太陽活動高年高能質子強度低，而太陽活動低年高能質子強度高。對高能電子而言，其強度主要受高速太陽風調制。太陽活動高年，高速太陽風占統治地位，高能電子強度高；反之，太陽活動低年，高能電子強度低。

同時，太陽質子事件對LEO軌道高能質子的影響主要體現在高緯度區域，其內邊界基本與高緯區域高能電子分布的內邊界相同，而外邊界主要受軌道傾角影響，且高度越低，高能質子受大氣碰撞損失的概率越大，其通量越弱，即質子事件期間對于相同經緯度，1 000 km軌道質子強度高于低軌道。高能電子暴對LEO軌道的影響主要集中在南北緯60°緯度圈附近的沉降帶。高能電子暴期間該區域分布面積增大，高能電子通量增強甚至可以超高3個量級。

1.2 軌道高能粒子通量率

因單粒子效應和高能粒子的通量率以及粒子能量有直接的關系，所以了解1 000 km軌道的高能粒子通量率分布情況是非常必要的。基于AE-8/AP-8模型的Spacereadation 6.0軟件，對在1 000 km軌道的高能粒子通量率進行分析可知：通量率大于102量級的電子，其能量分布在小于2 MeV的范圍內，幾乎占總量的2/3以上；通量率大于102量級的質子，其能量分布在小于30 MeV的范圍內，同樣占總流量的2/3以上。

1.3 軌道等效厚度鋁5年俘獲粒子及總劑量

表1為Spaceradiation6.0分析軟件1 000 km軌道環境5年俘獲電子、質子和總劑量計算結果。從表1數據可以看到：金屬Al對電子、質子和總劑量屏蔽作用，隨著Al厚度的增加趨于飽和，而喪失保護作用。

表1 1 000 km軌道等效鋁厚度5年俘獲電子、質子和總劑量

1.4 軌道環境輻射效應分析

對1 000 km軌道環境模擬分析表明，就是使用5 mm厚度的鋁作為屏蔽層，5年的剩余總劑量能夠達到11.4 krad（Si）。對于沒有抗輻射指標的元器件，其抗總劑量輻射的能力損傷閾值一般在5～10 krad（Si）范圍內。可見，如果衛星相機的電子學系統僅僅使用金屬鋁防護是不能夠滿足5年工作壽命對總劑量指標要求的，況且這里還沒有考慮二次電離輻射的影響。另外，通過對1 000 km軌道電子通量率的計算，能夠獲得該軌道的電子最大的通量率為1.22×105/（cm2/s），按韌致輻射轉換效率0.5%計算，則高能電子導致的X射線的通量率估算應為6.1×102/（cm2/s）。事實上，在3 mm鋁作為防護層時，韌致輻射產生的X射線通量率為1.564×102/（cm2/s）。［6-7］和帶電粒子相比，中性電磁波X射線穿透力強，并能夠直接到達元器件靈敏區并產生相互作用，再加之元器件的表面被金屬引線覆蓋，致使發生輻射劑量增加效應，進而發生高能電子輻射造成單粒子效應的可能性非常大。而高能質子，100 MeV的質子在鋁中到達射程終點前約有11.5%發生核反應，而500 MeV的質子約有73%發生核反應。由于高能質子的注量很小，所以這種核反應釋放的高能電磁輻射相對于電子作用于物質產生的韌致輻射來說可忽略。正像圖10所展示的，能量大于30 MeV的質子的通量率小于102量級。這達不到質子輻照發生的單粒子效應的條件：能量＞30 MeV，通量＞105/（cm2/s）的條件，也就是說在1 000 km軌道發生質子單粒子效應的幾率非常小。

2 抗輻射加固材料

2.1 防護材料特征

采用傳統金屬加固方法，當高能電子輻照金屬時會發生韌致輻射而釋放出X射線；能量大于30 MeV的高能質子和金屬原子作用會發生核反應而釋放出中子、γ射線和一些重離子碎片。這些二次電離產生的粒子和射線是造成衛星電子學系統輻射效應故障的重要原因之一。

盡管金屬材料存在一些缺點，但金屬材料還是阻止高能粒子和射線輻照的最佳材料。雖然單一成分的屏蔽材料無法滿足屏蔽多種輻射成分的要求，但通過金屬材料和功能陶瓷材料結合設計，消除了二次電離輻射的影響，使得電子學系統能夠得到保護，從而避免輻照效應發生、實現設計功能。

本文的研究思路是采用不同物質復合構成多層復合結構的屏蔽材料，以達到屏蔽多種輻射成分的目的。高能電子具有很強的穿透能力，與物質作用主要使物質的原子電離、激發或產生輻射能量損失，輻射能量損失會以韌致輻射的形式釋放，韌致輻射的強度隨物質原子序數的增加而增大。防護高能電子時至少要考慮兩層屏蔽，第一層用高原子序數的材料屏蔽質子和電子（如鉛、鎢等），然后需要二層陶瓷材料屏蔽韌致輻射和γ射線等。

2.2 新復合加固材料

雖然質子和電子在金屬材料中作用產生的次級粒子與韌致輻射在總劑量中所占的比例較小，但這些次級輻射中的X射線、γ射線及中子的穿透能力強，作用于集成電路會導致總劑量效應、位移效應，甚至于瞬態效應。

X射線本質上是電磁波，有很強的穿透力。其波長范圍為0.1～10 nm。主要由原子的內層電子躍遷或高能電子減速時與物質的能量交換作用產生。γ射線是比X射線穿透力更強的一種電磁波，由核反應、非彈性核散射等過程產生。通常采用重金屬屏蔽X射線、γ射線，如鉛、鉭、鎢等。在同樣的屏蔽效果下，鎢的重量最輕。

中子一般產生于高能質子與原子核的核反應。選擇中子的屏蔽材料時首先要考慮使中子減速，其次才是對中子的吸收。由于中子的質量與質子很接近，所以含氫量高的材料可達到慢化中子的效果，而某些稀土能起到吸收中子的作用，如以鎘、鉿和稀土金屬釓為代表的稀土元素，是非常高效的中子吸收劑，在核反應堆里的控制棒中已得到較好的廣泛應用。

基于上述綜合分析，提出并研制了一種金屬及非金屬化合物相結合的多層板狀材料，該材料由三層物理結構構成，其結構如圖3所示。材料最外層是鋁，起到減弱質子能量、屏蔽電子的作用；中間層是鎢，可進一步減弱質子能量、屏蔽電子的作用以及吸收X射線、γ射線；最外層為高稀土含量的陶瓷和高分子復合材料，可吸收低能質子、低能中子，同時對X射線、γ射線也起到高效的吸收作用。材料厚度為3 mm，密度約為6～7 g/cm3，以下簡稱為多層復合材料。

圖3 屏蔽材料的結構

為了驗證此多層材料對輻射的防護作用，在中科院新疆理化技術研究所分別進行了Co60γ輻照實驗及電子加速器輻照實驗。進行Co60γ輻照時，分別用多層材料、1 mm厚的鎢、1.5 mm厚的鉭對12只MOSFET 2N6802進行遮擋，每種材料遮擋三只2N6802，與三只無屏蔽的2N6802共同進行輻照。通過測試相同輻照條件下的三只2N6802閾值電壓的漂移（取平均數），來比較各種材料對Co60γ輻照的屏蔽效果。如圖4是γ射線輻照劑量為80 Krad（Si）時的測試結果。從圖中可看出多層材料的屏蔽效果接近1.5 mm厚的鉭，好于1 mm厚的鎢。

圖4 Co60輻照實驗結果

電子加速器輻照實驗采用ELV-8型2 MeV電子加速器，電子能量取1.5 MeV。分別用多層材料、1 mm厚的鎢、1.5 mm厚的鉭、3 mm厚的鋁遮擋多片熱釋光劑量片，接受電子輻照。根據電子的通量及輻照時間換算為輻照總劑量，而熱釋光劑量片的吸收劑量即是經不同材料屏蔽后剩余的輻照劑量。實驗中輻照總劑量為70 Krad，實驗結果如表2所示。可見多層材料對電子的屏蔽效果最好，而鎢與鉭的屏蔽效果不及3 mm厚的鋁，其原因可能是電子與鎢、鉭作用產生了大量韌致輻射。

表2 電子加速器輻照實驗結果

從以上結果可看出，這種金屬及非金屬化合物相結合的多層板狀材料不僅密度小，而且具有較好的屏蔽效果。這也說明了采用不同材料構成多層復合結構研究的新材料是可行的。

3 結論

本文對1 000 km典型軌道的輻射環境進行了分析，闡述了該軌道環境下的輻射環境特性，在對金屬對輻射粒子防護能力分析的基礎上，辨析了金屬材料在空間輻射防護方面的不足。基于此，在傳統抗輻射加固技術方法的基礎上，提出了新型空間抗輻射復合加固材料，該材料是以三層物理結構為組合的金屬及非金屬化合物相結合的多層板狀材料，從應用角度分析歸納了其在抗輻射特性方面的優勢，經過實驗比較，該新型抗輻射加固材料屏蔽效果好，工程應用可行，完全能夠滿足1 000 km軌道運行的衛星相機電子系統輻射防護要求5年。該材料為空間相機電子學系統的防護工作提出了實施方案，具有一定的工程參考價值。