空间辐射环境危害综合监测原理样机研制

马英起，朱 翔，李宏伟，张振龙，韩建伟

（中国科学院 国家空间科学中心，北京 101499）

0 引言

空间环境中的各种高能粒子和宇宙射线会对航天器材料和元器件造成损伤，引发航天器的功能异常和失效。不同来源的统计数据表明，有16%～42%的航天器故障和异常是由空间环境引起的[1-4]。据美国航空航天局统计，平均每个航天器在轨工作期间会发生1次空间环境诱发的故障[5]。为应对空间环境效应危害，美、欧已经研发出紧凑型空间环境异常监测器（Compact Environmental Anomaly Sensor,CEASE）、ESA 标准辐射环境监测器（Standard Radiation Environment Monitor, SREM）等多功能、一体化的空间环境危害传感器，并陆续开始搭载卫星投入使用。目前报导CEASE已经有CEASE1、CEASE2两代产品，曾搭载至 TSX-5、STRV-1c、DSP-21等多颗卫星[6-9]。法国JASON2卫星上也携带了空间环境监测器ICARE-NG，专门用于监测质子、电子、重离子诱发的各种辐射效应[6]。上述探测器多通过直接探测辐射环境特征的方式来实现环境能谱及粒子通量等参数的探测。国内现有空间环境效应环境探测器和监测装置多为探测高能带电粒子及某类效应的单一功能载荷，难以实现较宽范围空间辐射效应监测功能；同时，缺乏系统的航天器故障诊断和预警手段，需要提高卫星在轨故障发现的时效性和定位准确性。

鉴于此，本文设计了针对空间单粒子效应、表面充电效应、深层充电效应等的探测模块，利用半导体器件实现单粒子效应、总剂量效应及位移损伤效应等环境效应特征测量，能更直接反映辐射环境危害程度，同时完成了各模块相关的集成、研制和测试。在此基础上，组合研制了航天器空间环境辐射危害监测原理样机，能够实现对主要空间辐射环境效应在轨监测的功能。区别于通常卫星上搭载的空间环境探测仪器，样机内模块具有与航天器本身的数管系统和电源系统的直接耦合接口，集成度更高，可作为卫星平台或者探测载荷组成的一部分。样机同时能够提供空间辐射效应告警及与航天器故障相关的环境数据，有助于航天器事故分析以及改进航天器辐射安全可靠性设计。

1 模块化系统设计思路

空间环境监测最为关注的问题是空间环境扰动和灾难性空间环境事件，而空间辐射环境危害综合监测主要通过各探测模块对高能粒子的响应特征表现实现辐射效应的综合诊断和预警。涉及的高能粒子主要包括：地球辐射带电子和质子，太阳宇宙射线质子和重离子，银河宇宙射线质子和重离子。航天器在不同轨道运行过程中遭遇的空间环境效应风险类型表现不同，例如航天器经历的空间等离子环境有电离层、等离子体层和地球同步轨道等离子体等，深层充放电一般发生在高能电子通量较高的外辐射带（2RE～7RE），其中高能电子通量峰值分布于3RE～5RE范围，是发生充电最危险的区域，运行轨道经过此区间范围内的航天器需要进行有针对性的监测与防护。根据综合辐射环境和辐射效应的空间区域分布特性，对常见空间环境运行轨道的空间环境危害监测进行模块化设计，表1给出了常见航天器运行轨道的探测模块配置情况，轨道包括低地球轨道（LEO）、中地球轨道（MEO）、地球静止轨道（GEO）、极地轨道（PEO）；探测模块包括单粒子效应（SEE）探测模块、总剂量效应（TID）探测模块、位移损伤效应（DDE）探测模块、表面充电效应（SDC）探测模块及深层充电效应（DDC）探测模块。主要空间环境效应探测模块根据需要选择集成的综合监测技术，能够实现探测样机高度集成化，并可根据航天器轨道任务量身定制，减小综合监测样机的额外功耗，有效节省平台的配置资源。

表1 航天器不同运行轨道下空间辐射危害监测样机探测模块配置Table 1 Details of the distribution of space radiation hazard monitor modules

在此基础上，组合研制航天器空间环境危害监测原理样机，能够实现对主要空间环境效应在轨监测的功能。样机的系统组成如图1所示。

各探测模块的探测信号经过信号调理单元放大、甄别处理后，得到各种辐射效应的初步信息；经过数据处理单元的进一步对比分析，得到空间辐射环境的危害程度和航天器电子系统工作异常状态信息，提交给卫星平台数管系统；数管系统根据具体信息给出对应策略。上述信号的进一步处理及与卫星数管系统通信功能由模块管理、工程遥测及开关指令控制单元来执行。同时，样机具有与卫星平台的电源接口，由二次电源模块进行供电。

图1 空间辐射危害监测样机系统组成Fig.1 Configuration of the Space Radiation Hazard Monitor(SRHM)

样机主要组成探测模块的设计功能原理具体介绍如下：

1.1 单粒子效应探测模块

引起单粒子效应的空间辐射粒子主要是高LET值的重离子及能够引起次级核反应造成大能量沉积事件的高能质子，目前常用的探测手段一是用半导体探测器测量能损，二是利用SRAM通过测量质子核反应能量沉积事件及重离子直接沉积大能量事件引起的单粒子翻转计数来评估单粒子效应程度。后者只反映单一器件及单一LET阈值的单粒子翻转水平，不能测量其他器件及多LET阈值的单粒子效应程度，其配套电路也相对复杂。综合考虑，采用传统的半导体探测器作为探测模块来测量评估单粒子效应发生水平。研制工作中采用大面积Si-PIN探测器作为敏感元件实现单粒子效应的探测。基本探测原理为：测量高LET值重离子及质子核反应引起大能量沉积事件产生的信号，通过放大成形甄别出能量沉积超过一定阈值的单粒子信号，对之进行统计计数，可以评估航天器所遭受的单粒子效应程度；通过设置不同的甄别阈值，可以实现多LET阈值的单粒子效应探测。

1.2 总剂量及位移损伤效应探测模块

总剂量效应探测模块采用PMOS场效应管直接对总电离剂量的累计值进行测量，即利用测量PMOS场效应管的栅极电压漂移随吸收剂量的变化来测量总剂量。具体测量原理为：电离辐射在PMOS氧化物绝缘介质中产生电子-空穴对，空穴被在栅氧化物SiO2及Si/SiO2界面处的势阱俘获，在Si/SiO2界面处形成新的界面电荷态，使沟道变窄，沟道阻抗变大，源极与漏极电流减小，最终结果是栅极偏置电压即阈值电压向负向漂移。

位移损伤效应主要由辐射粒子同光电材料中的晶格原子相互作用，使原子获得足够的能量离开原来位置，从而引起晶格原子错位，形成弗伦克尔缺陷，构成新的复合中心，对器件造成累积性永久损伤。位移损伤效应影响器件的体特性，最直接的结果是缩短少数载流子的寿命，因而对性能依赖于少数载流子寿命的器件，主要是光电器件、双极性器件及基准器件影响较大。大多数半导体材料的晶格位移阈值较低，为10～20 eV，因此相对总剂量效应而言，光电器件受位移损伤效应影响更为突出。位移损伤效应探测模块选取Si二极管作为探测器件。随着材料中载流子寿命衰退及电阻率的改变，二极管的正向偏置电压增加，因此在保证探测器性能前提下，应尽量选用灵敏度高、线性好及动态范围大的敏感元件。

1.3 表面及深层充电效应探测模块

利用金属铝板和高阻值电阻模拟航天器用介质材料的充放电过程，构建航天器表面和深层充电效应探测传感器，使用金属铝板作为收集板、高阻抗的电阻隔离收集板和航天器的地电位，其中电阻的大小为介质材料的等效电阻，金属铝板既作为表面充电的传感器也能对空间低能电子进行一定的屏蔽而作为屏蔽层；屏蔽层后设置另一块金属铝收集板，采集和测量一定能量阈值之上的电子形成的深层充电电流，可监测航天器遭遇的高能电子的强度及其产生的深层充电效应。该模块的优势在于电路的响应速度较快且系统简单、可靠性高。

2 样机集成与地面测试

航天器空间辐射环境危害监测原理样机经过优化设计，研制出2种不同组合模式的样机。其中，功能较齐全的模式A探测样机能够对空间环境诱发的单粒子效应、电离总剂量效应、位移损伤剂量效应、表面充电效应和深层充电效应5类危害进行实时监测；模式B探测样机能够实现单粒子效应监测并统计计数，以及表面与深层充电效应危害预警。样机体积73 mm×120 mm×199 mm，质量不大于1.14 kg，能耗不大于1.58 W，在满足辐射监测功能的同时，达到了节省卫星平台资源的效果。

2.1 样机物理结构集成设计

全功能样机物理结构如图2所示，对SEE探测模块、TID探测模块、DDE探测模块、SDC探测模块及DDC探测模块进行了整体布局设计，设计原则为：SEE探测模块、TID探测模块、DDE探测模块并行排列于样机前探测面板；SDC及DDC探测模块集成于样机侧方，成为一个相对独立的测试单元；配套的信号调理、数据处理、模块管理、通信控制及二次电源等单元位于探测面板下方。为减少电磁扰动对探测模块的影响，对核心单元及模块进行了电磁屏蔽设计。

图2 样机内部和外观实物图Fig.2 Inner view and outside view of the SRHM

2.2 样机集成测试

针对样机内部探测模块、信号调理电路及数据处理电路、通信控制等进行了地面集成测试。由于在地面难以完全模拟空间的不同种类、不同能谱结构的协同辐射环境，整机测试均在“单一”的模拟辐射环境下进行。试验中整机加电，模拟空间真实工作模式，以检验其电磁兼容性，主要针对模式B探测样机进行了单粒子效应、表面及深层充电效应等3种辐射效应的整机模拟试验测试。试验测试过程中对样机进行反复调试，以最终确保样机整体性能和每个探测单元性能均满足设计指标要求。

2.2.1 单粒子辐射环境下模式A样机集成测试

单粒子效应试验测试期间，将整个探测样机置于脉冲激光单粒子效应模拟装置试验平移台上，测试现场如图3所示，试验测试过程中利用脉冲激光束对单粒子效应探测单元进行辐照，通过示波器和数据采集硬件及通信软件来监测样机SEE探测模块的输出信号及其他各个模拟量输出结果。

图3 脉冲激光模拟单粒子效应辐射环境下样机集成测试现场Fig.3 Photo of SEE module test under simulated pulsed laser environment

在集成测试过程中可通过SEE探测模块获取探测模拟信号，再经过信号调理单元对原始探测信号进行处理，模拟量端口输出模拟信号，来监测提取处理信号的幅度等特征信息，典型信号如图4所示。

图4 LET值为2.2 MeV·cm2/mg的脉冲激光辐照下单粒子信号模拟端口波形Fig.4 SEE module test result for LET=2.2 MeV·cm2/mg

SEE探测模块能够监测到高能重离子/质子造成的LET阈值＞1 MeV·cm2/mg及＞5 MeV·cm2/mg的事件。针对其探测能力，利用已用重离子加速器校准的脉冲激光手段对探测器进行LET值标定。图5为航天器空间环境危害探测原理样机的通信软件界面实时演示效果。其中，SEE探测模块具有甄别计数的功能，图中显示了SEE探测模块对于不同脉冲激光能量（等效LET值＞1 MeV·cm2/mg及＞5 MeV·cm2/mg）的2个不同计数窗口的显示结果。计数器接收信号调理单元输出的甄别数字脉冲信号，设计计数统计达到100后清零及溢出信号，由控制单元来分别选通2路计数器。进行单粒子效应测试的同时，为了展示样机的集成测试效果，在LET值为6.7 MeV·cm2/mg的脉冲激光辐照下，给其他测试模块的输入通道输入相同的模拟量，利用通信软件对其他探测模块的输出模拟量进行监测，发现各测试模块均可同时并行工作。其中，TID探测模块测量范围为1～500 krad(Si)，DDE探测模块测量范围为109～1013cm-2等效10 MeV质子注量，SDC探测模块及DDC探测模块的探测充电电压优于1000 V，探测微电流测量范围分别为5 pA～5 nA及0.5～500 pA。5个探测模块均可在测试量程内给出0～15的风险等级提示（如图5左侧所示），对应着单粒子效应、表面充电、深层充电、辐射总剂量、位移损伤剂量等程度的信息，可反映航天器周围的空间辐射环境状态。

图5 通信软件记录界面Fig.5 Interface of the communication software

2.2.2 高能电子辐射环境下模式B样机集成测试

表面充电（对应能量低于250 keV电子环境）和深层充电（对应能量高于250 keV电子环境）效应测试期间，将整个探测样机置入真空罐中，测试现场如图6所示，采用Sr90电子源（最高能量2.3 MeV连续能谱电子）在探测样机正前方辐照，通过数据采集硬件及通信软件来监测样机的SDC探测模块及DDC探测模块和其他各个模拟量输出结果。

处理后得到SDC及DDC探测模块测量所得束流强度随放射源源距变化如表2所示。SDC及DDC探测模块的收集板面积分别为32 cm2和31 cm2。可以看出，集成测试过程中DDC探测模块的放大倍数远高于SDC探测模块的放大倍数。

图6 高能电子辐射环境下样机集成测试现场（SRHM在真空腔左边远端角落）Fig.6 Photograph of DDC and SDC Module Test Equipment(The SRHM is in the far left corner of the Vacuum chamber)

表2 样机SDC和DDC探测模块集成测试试验结果Table 2 The test data of SRHM with respect to the DDC and SDC module

3 结束语

空间辐射环境危害综合监测样机主要通过模块化、多功能一体化的设计思路，对各探测模块的探测信号进行综合处理，实现对各种危害航天器安全的辐射效应的监测。利用半导体器件作为探测器，对各功能单元进行模块化设计的创新思路，能够实时探测诱发微电子芯片单粒子效应的大能量沉积事件、电离总剂量效应，高能质子、电子引起的位移损伤效应，及高能电子诱发的表面、深层充电效应。样机能够适合不同轨道、不同卫星平台装备应用，可形成近地卫星运行空间辐射危害综合感知网络，甄别环境破坏和人为干扰对航天器的影响。

发展和推广星载空间辐射环境危害综合监测技术，综合利用模块的监测数据和监测结果，可对空间辐射环境带来的异常及时告警，并根据相应的应急预案进行处理，能够保证航天器正常运行，是延长其寿命的必要且有效途径。产品预期可成为保障卫星安全的必要组成部件，在尽量少占用质量、能耗、数据传输资源的情况下，实现低功耗、可定制、高集成度的空间环境效应危害感知和应对。