空間輻射環(huán)境中的輻射效應(yīng)

1、要抗關(guān)的分析 , 指輻射加固鍵詞 輻射環(huán)境要抗關(guān)的分析 , 指輻射加固鍵詞 輻射環(huán)境,RadiationEffects i n theSpaceRadiation Environment摘 要天然空間輻射環(huán) 境與輻射效應(yīng)基本 機(jī)制是空間飛行器抗輻射加固研究中的 兩個關(guān)鍵問題, 本文總結(jié)了天然空間輻射環(huán)境的總體 性質(zhì),并對輻射效應(yīng)基本機(jī)制進(jìn)行了簡出 了 目前空間飛行器 研 究 的 重 點(diǎn)?？馆椛浼庸?輻射效應(yīng)Abstract T he nat ur al space ra dia tio n enviro nment and the basic mechanisms of r adiatio n

2、 effect s a re tw o most impo rt ant issues r ela ting t o the resear ch of r adiatio n har dening t echo no lo gy of spacecr afts . In t his paper, so me o f the g?ed pro per ties of natur al space r adiation env ir onment ar e summer ized, the basic mechanisms of r adiatio n effect s ar eanylized

3、br iefly , and the emphasis o f present r esearch r ela ting t o the r adiatio n har dening techonolog y o f spacecra f t s ispointed out. Key wordsr adiation env i r onment , radiation hardened, r a d i a t ion effects應(yīng)用于衛(wèi)星或空間飛行器的電子學(xué)系統(tǒng)，在天然空間輻射環(huán)境中往往因經(jīng)受空間輻射而導(dǎo)致性能 減低或失靈，甚至最終導(dǎo)致衛(wèi)星或空間飛行器的災(zāi)難性的后果1。美國1971至19

4、86年發(fā)射的衛(wèi)星中 共發(fā)生了 1589次異?，F(xiàn)象，其中與空間粒子輻射有關(guān)的占70% ,由空間輻射對電子學(xué)系統(tǒng)的輻射破壞造 成的占38. 1%?？臻g輻射對電子學(xué)系統(tǒng)的輻射破壞主要有三種方式：1）總劑量電離損傷;2）單粒子效應(yīng);3） 位移損傷。質(zhì)子產(chǎn)生總劑量電離損傷，單粒子效應(yīng)和位移損傷，電子主要產(chǎn)生總劑量電離損傷，而高能重離 子主要 產(chǎn) 生 單 粒 子 效 應(yīng)。1天 然 空 間 輻 射 環(huán) 境地球軌道天然空間輻射粒子包括地磁場俘獲輻射帶（Van Allen帶）粒子和宇宙射線（包括太陽宇宙 射 線 和 銀 河 宇 宙 射 線 ）。1.1地 磁 場 俘 獲 輻 射 帶 粒 子地磁場俘獲輻射帶粒子主要

5、是電子、質(zhì)子以及少量的重離子。地磁場俘獲輻射帶通常又分為內(nèi)輻射 帶（1. 5R e至2. 8Re , Re= 6380km為地球半徑）和外輻射帶（2. 8R e至12R e）,內(nèi)輻射帶以質(zhì)子為主，而 外輻射帶以電子為主。地磁場俘獲輻射帶中質(zhì)子能量可達(dá)500M eV。能量大于10M eV的質(zhì)子主要分布在 3. 8R e以下，能量大于30M eV的質(zhì)子主要分布在1. 5Re以下2,而典型的衛(wèi)星殼體能屏蔽能量小于 10M eV的質(zhì)子。因此對于低軌道衛(wèi)星來說，質(zhì)子對內(nèi)部電子學(xué)元器件的輻射破壞尤為嚴(yán)重。在外輻射帶中 電子具有較高的能量和較大的通量（約為內(nèi)輻射帶的10倍），在外輻射帶中電子的最高能量達(dá)7M

6、 eV,而 在內(nèi)輻射帶中電子的最高能量為5M eV ,能量大于1 MeV的電子的通量峰值在3Re至4R e之間。1.2宇宙射線宇宙射線有兩種來源，即來自于太陽耀斑爆發(fā)的太陽宇宙射線和來自于太陽系以外的銀河宇宙射 線。 太陽系以外的銀河宇宙射線通常認(rèn)為是穩(wěn)定的，而地球軌道上的銀河宇宙射線的通量受太陽活動的調(diào)制，在太陽活動頻繁期，地球軌道上的銀河宇宙射線通量相對減少，而在太陽活動不頻繁期，銀河宇 宙射線通量相對穩(wěn)定。宙射線通量相對穩(wěn)定。銀河宇宙射線主要有質(zhì)子（85% ）、氦離子（14% ）和高能重離 子（1% ）組成。離子通量隨原子質(zhì)量3數(shù)分布見圖1?？梢钥闯觯吣苤仉x子（如Fe）的通量與質(zhì)子通量

7、 相比差幾個數(shù)量級，但是這并不是說高能重離子的輻射效應(yīng)可以忽視。由于高能重離子在穿入材料時在單位 距離上產(chǎn)生很高的電離密度，尤其在考慮半導(dǎo)體器件的單粒子效應(yīng)時，高能重離子產(chǎn)生的效應(yīng)不容忽視。圖 2為銀河宇宙射線中各種離子4對應(yīng)的粒子能量為2. 4GeV ,質(zhì)子和氦離子的最高能量可達(dá)10GeV / Nu。 對于如此高能的粒子，衛(wèi)星殼體已經(jīng)無法阻止它們進(jìn)入艙體內(nèi)。W 伊 btf帆伊 T-J 1 1 1 1 11 1 Dft 1* 1H 存 p FEWttxxnTl010酣知 40 知 W ATOMIC MASS7廠圖1離 子通PARTICLE KINETIC ENERCY(MeV/nuciccn)

8、子 質(zhì) 量 數(shù) 分 布Ionn umbersver s u s a t o m i c mas s2銀河宇宙射線中各種離子的能譜圖Fig.rumcosrayFig.rumcosray太陽宇宙射線主要是質(zhì)子（9095% ）和氦離子，而高能重離子相對于銀河宇宙射線可忽略。太陽宇宙射線通量與太陽耀斑爆發(fā)密切 相關(guān)，在太陽耀斑爆發(fā)后的幾十分鐘內(nèi)太陽宇宙射線到達(dá)地球，而其最大通量將在2小時至1天內(nèi)到達(dá)到，并在一星期內(nèi)逐漸消失, 除了一部分的粒子為地磁場所俘獲，成為地磁場俘獲輻射帶粒子。在一次比較大的太陽耀斑爆發(fā)后，地球軌道上的質(zhì)子和氦離子通量 可增加四個數(shù)量級之多，而高能重離子相對于銀河宇宙射線可增加5

9、0%。由于太陽耀斑爆發(fā)的偶然性，太陽宇宙射線通量具有多變 性 和 不 可 預(yù) 測 性 。航天器內(nèi)輻射環(huán)境航天器內(nèi)部輻射環(huán)境不僅與所處軌道的空間輻射環(huán)境有關(guān)，同時也與航天器殼體材料與厚度相關(guān)。航天器殼體不僅能阻止部分粒子進(jìn)入艙內(nèi)，同時對進(jìn)入艙體內(nèi)的粒子也起到能量衰減改變粒子能譜分布，并且有可能導(dǎo)致次級粒子 的產(chǎn)、莊公其+電T子t在殼A體左材也中、受產(chǎn)L生軔，致/L射xr射 線等） 。輻射粒子在穿越不同厚度的鋁殼后的通量分布如圖3（ a）和圖3（b） 5橫坐標(biāo)為粒子的質(zhì)量阻止本領(lǐng)L ET （或稱線性能量轉(zhuǎn)移）,縱坐標(biāo)為粒子通量。其中圖3（ a）為太陽耀斑爆發(fā)時宇宙射線粒子通量隨L ET和鋁殼不同

10、厚度的變化曲線，從中可以看出隨著鋁殼厚度的增加能量較低的粒子衰減較大（L ET較大對應(yīng)于粒子較低的能量），而較高能量的粒 子的衰減很小。圖3（ b）為沒有太陽活動影響時的宇宙射線（可以認(rèn)為是銀河宇宙射線）粒子通量隨L ET和鋁殼不同厚度的變化曲 線，可見鋁殼厚度的增加對銀河宇宙射線的通量分布影響甚微。而典型的衛(wèi)星殼體鋁層厚度約為幾個毫米，可見靠增加衛(wèi)星殼體鋁層 厚度來減少宇宙射線對衛(wèi)星內(nèi)部的輻射是不可行的，探索對衛(wèi)星殼體加適當(dāng)涂層以減少宇宙射線對衛(wèi)星內(nèi)部的輻射具有重要的意義。圖3粒 子 在 穿 越 不 同 厚 度 的 鋁 殼 后 的 通 量分布F i g .3 Part i d e f l u

11、 x d i s t r i b u t i o n b y t h e s h i e l d o f A l u m i n i u m shell圖4為Explorer- 55上139天內(nèi)質(zhì)子，電子和軔致輻射對總劑量的貢獻(xiàn)隨鋁殼體厚度變化曲線6。從圖中可見，軔致輻射對總劑量 的貢獻(xiàn)可以忽略，當(dāng)鋁殼體厚度超過150M il( 1M il=千分之一英寸，1英寸=2. 54厘米)時，電子對總劑量的貢獻(xiàn)也可忽略，而鋁殼處于特定的地球軌道，但是圖4所表現(xiàn) 出 來 的 趨 勢 對 于 不 同 的 地球軌體厚度從150M il增加至250M il時，質(zhì)子對總劑量的貢獻(xiàn)才減少約一半。雖然Explorer

12、 - 55處于特定的地球軌道，但是圖4所表現(xiàn) 出 來 的 趨 勢 對 于 不 同 的 地球軌圖4Ex plo re r -5 5質(zhì)子、電子和軔致輻射對總劑量的貢獻(xiàn)隨鋁殼體厚度變化曲線Fig.4Tot a l dose b y t h econt r i b u ti o n o f se v e r alparti c l e si n t h e Ex p lo re s -5 5s atell it e對于不同的地球軌道，航天器內(nèi)部的輻射劑量率在10至10 Rad ( Si) / s之間，對于近地高傾角地球軌道,200M il厚鋁殼體內(nèi) 年劑量少于1kRad( Si)。而在輻射環(huán)境最為惡劣

13、的地球軌道(約為地球同步軌道的高度一半處),航天器內(nèi)部的年輻射劑量約達(dá)1MRad(Si)。3半導(dǎo)體器件的帶電粒子輻射效應(yīng)3.1電離效應(yīng)當(dāng)帶電粒子入射到半導(dǎo)體器件內(nèi)時，帶電粒子可以通過電離過程使得一些束縛電子被從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生大量的電子-空穴對, 形成致密電離跡徑。在Si中產(chǎn)生一個電子-空穴對所需最低能量分別為3. 6eV ,在SiO2產(chǎn)生一個電子-空穴對所需最低能量分別 為17 eV ,每Rad的能量沉積在Si中產(chǎn)生的電子-空穴對密度約為4* 10cm 3,而在SiO 2中產(chǎn)生的電子-空穴對密度約為8. 1* 1012 / cm3。這些帶電粒子輻射產(chǎn)生的電子-空穴對將對半導(dǎo)體器件的性能產(chǎn)

14、生影響，嚴(yán)重時甚至可使半導(dǎo)體器件失靈或燒毀。電離效應(yīng)又包括總劑量電離損傷和單粒子效應(yīng)。總劑量電離損傷可使半導(dǎo)體電導(dǎo)率發(fā)生變化，漏電流的增加和時間響應(yīng)的變壞等。表 面器件以總劑量電離損傷為主。而目前受到國際上普遍關(guān)注的單粒子效應(yīng)是粒子輻射的另一類電離效應(yīng)。當(dāng)高能重離子穿過半導(dǎo)體 存儲器的靈敏體積時，它在單位距離上產(chǎn)生很高的電離密度，有可能產(chǎn)生足夠的電荷使存儲態(tài)翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致存儲信息的錯誤，這就是所 謂的單粒子擾動，有時也稱之為軟錯誤，這類錯誤可以通過程序重寫等方法進(jìn)行改正，但無疑對計算機(jī)系統(tǒng)性能降低或失靈存在潛在 威脅。還有另一類稱之為硬錯誤的單粒子效應(yīng)，硬錯誤包括單粒子燒毀和單粒子鎖閉等，除非電路

15、電源電流有限，這類錯誤的發(fā)生將 導(dǎo) 致 半 導(dǎo) 體 器 件 物 理 上 的 永 久 性 破 壞。3.2位移效應(yīng)入射粒子與物質(zhì)原子核發(fā)生碰撞，將一部分能量交給晶格原子，當(dāng)這部分能量超過位移域能時，將導(dǎo)致 晶格原子 離開正常 的 晶格位置成為間隙原子，而在原來晶格位置留下一個空位，形成所謂的Fr enkel缺陷。而入射粒子與晶格原子發(fā)生碰撞產(chǎn)生 的高能初始反沖原子P KA ( Primiery Knock - onAt om )在晶體內(nèi)運(yùn)動，又可通過級聯(lián)式碰撞產(chǎn)生更多的Frenkel缺陷，這樣產(chǎn)生Fr enkel缺陷是很不穩(wěn)定的，會由于點(diǎn)陣形變及熱運(yùn)動，互相發(fā)生作用而退火，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)(在室溫

16、下90%的缺陷會在一分鐘 內(nèi)復(fù)合）。而形成的穩(wěn)定的缺陷會在晶體引入一些深能級俘獲陷阱和淺能級俘獲陷阱。淺能級俘獲陷阱將導(dǎo)致多子（多數(shù)載流子）的 復(fù)合，使得多子的濃度降低。而深能級俘獲陷阱又將導(dǎo)致少子（少數(shù)載流子）壽命的減小，電子一空穴對熱產(chǎn)生率的提高和載流子遷 移率的退化。一般來說，位移損傷對少子器件和光電器件的危害較大，而對于M OS器件影響相對較小。4航 天 器 電 子 學(xué) 系 統(tǒng) 的 抗 輻 射加固在惡劣的空間輻射環(huán)境下，為了保證航天器的安全和確保飛行任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，必須對航天器電子學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行抗輻射加固。而對電子 學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行抗輻射加固又必須從以下兩個方面入手：1）空間輻射環(huán)境模型的建立,2）

17、輻射效應(yīng)機(jī)制的研究。由于空間輻射環(huán)境的復(fù)雜 性，有必要進(jìn)行空間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累和分析處理，建立適當(dāng)?shù)暮喕臻g輻射環(huán)境模型，而在具體應(yīng)用時再根據(jù)問題的特殊性進(jìn)行部分修 正，盡可能準(zhǔn)確的對空間輻射環(huán)境進(jìn)行預(yù)報，不至于對航天器的設(shè)計提出過高要求。國外目前使用較多的空間輻射環(huán)境模型有 AP 8（用于質(zhì)子）和AE 8（用于電子），由于這些模型制作于70年代，已經(jīng)不能適應(yīng)目前應(yīng)用，目前新的模型的建立處于國際協(xié)作努力 之中7。同樣，輻射效應(yīng)機(jī)制的研究涉及一個多學(xué)科交叉的問題，涉及核物理，固體物理，半導(dǎo)體物理以及電子技術(shù)等多方面的知 識，而由于輻射效應(yīng)機(jī)制的復(fù)雜性從物理圖像出發(fā)建立一整套的理論模型目前還沒有。從實(shí)

18、驗(yàn)手段出發(fā)，以應(yīng)急使用為目的。這一方 面的工作國外已有較多開展，而國內(nèi)的工作相對較滯后，因此我們的研究在跟蹤國外的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)理論模擬和地面實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究， 在摸清輻射效應(yīng)機(jī)制的基礎(chǔ)上探索抗輻射加固的途徑，同時對商用元器件的抗輻射容限等進(jìn)行測試，以利于商用元器件在航天器上 的 選 用 ，降 低 空 間 飛 行 任 務(wù) 成 本。 TOC o 1-5 h z 1 Laurien te M V ampola A L . Sp acecraf t A nom alies D ue To T he Radiat ion En vi ronmen t. 36t h A eros pace Science M eet ing & E xhibit,Stassinop ou los EG, Raymond JP, the Space R adiat ionE nvironmentf or E lect ro