空间相机电子学系统耐辐射复合材料加固方法研究

魏君成，张继森，徐熙平

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

根据美国卫星故障统计，空间辐射环境诱发的故障约占卫星总故障率的40%。因此为了使空间设备电子系统能在空间辐射环境下稳定可靠工作，对基础元器件和集成电路施以抗辐射防护措施是非常必要的。然而到目前为止，我国高等级大规模集成电路还基本依赖进口，而国外对航天及军事相关的产品封锁尤为严重，许多抗辐射集成电路产品都是禁运的，致使我国在空间项目的研发过程中，器件的采购与选型十分困难，尤其是抗辐射的处理器、DSP、FPGA、CCD等高等级器件，花费巨资也很难获得，以至于8031、80186仍普遍应用于星载电子系统中。这导致我国的一些在研项目在研制过程中往往采用进口低可靠的COTS（Commercial Off-The-Shelf）器件。COTS器件即商业现货器件，包括质量等级为工业级或商业级的民用器件。我国高可靠系统之所以对COTS有很大需求，是因为选用COTS能够达到规定的功能要求。但使用COTS产生了低可靠性的风险。为提高COTS器件的可靠性，国内通常采用在集成电路表面粘贴重金属片的抗辐射加固措施。而使用此种方法存在一个不可逾越的弊端：在高能带电粒子辐射起主要作用的空间环境下，没有考虑高能带电粒子，也就是说使用此种屏蔽方法对电子学器件进行加固时，会产生在比一次辐射更严重的二次辐射危害。因此，从长远意义来看，COTS的高可靠应用也是NASA实践“好、快、省”原则所推崇的重要举措，亦为大势所趋。从以上高性能需求、市场规则和国际相关机构的政策导向分析，COTS将会在未来高可靠系统中发挥重要作用。因此，深入研究电子元器件抗辐射加固技术，提高其可靠性，进一步提高空间相机的可靠性以及延长其使用寿命也是世界各航天大国的迫切任务之一。本文采用典型轨道高度1 000 km太阳同步和临界倾角轨道，按照遥感卫星在轨工作任务5年期限提出新的复合材料抗辐加固方法，对于遥感卫星相机电子学系统抗辐射加固的工程应用具有指导意义。

1 遥感卫星典型轨道空间辐射环境

太阳同步轨道和临界倾角轨道是遥感卫星常选用的两种轨道。在太阳同步轨道上运行的卫星以相同的方向经过同一纬度的当地时间是相同的，气象卫星、地球资源卫星一般采用这种轨道。临界倾角轨道是倾角等于63.4°的轨道，地球非圆球形状和地球质量分布不均匀造成的自然摄动，不会造成轨道椭圆的长轴在轨道面内转动，也称为冻结轨道。现针对这两种典型常用轨道的空间辐射环境进行分析。

1.1 轨道粒子辐射环境

AE-8与AP-8是两种典型的空间辐射带分布模型，AP8MAX为太阳能最大条件下的质子通量；AP8MIN为太阳能最小条件下的质子通量；AE8MAX为太阳能最大条件下的电子通量；AE8MIN为太阳能最小条件下的电子通量。根据已经发布的空间环境数据［1-2］，运用仿真软件计算的1 000 km高度临界倾角（64°）和太阳同步（99°）轨道粒子辐射环境如图1和图2所示，在位于空间环境内辐射带内边缘，遭遇的粒子辐射成分主要为高能质子和电子。其中高能质子主要分布在南大西洋异常区（SAA），且分布区域和中心强度随着高度升高而增加。

图1 AE8MIN和AP8MIN计算的1 000 km临界倾角轨道电子辐射环境

图2 AE8MIN和AP8MIN计算的1 000 km太阳同步轨道质子辐射环境

高能电子除南大西洋异常区分布外，南北纬60°磁纬度圈附近也有分布。两个区域之内，高能电子分布区域和中心强度均随着高度升高而增加［1］。1 000 km高度两个不同倾角轨道南大西洋异常区内高能质子、电子的分布区域和强度一致；南北纬60°纬度圈附近，受倾角影响，临界倾角轨道仅在南北纬64°之间遭遇高能电子，而太阳同步轨道遭遇高能电子的区域更广，可扩展到南北纬80.05°之间；同时，南北纬64°之间区域两轨道的高能电子强度是一致的。实际上LEO高能质子和电子环境会随着太阳活动周、季节、周日发生演化，由于卫星寿命期会远大于季节和周日变化的周期，因此导致的辐射环境变化可以忽略，可以由AE8AP8的平均模型计算结果表征，但卫星寿命周期位于不同太阳活动阶段时，仅靠AE8AP8的太阳活动高年和低年模型不能完全表征。太阳活动对高能质子和电子的影响不尽相同。对高能质子而言，太阳活动高年中高层大气密度上升，高能质子与之碰撞概率引起的损失加快，进而导致太阳活动高年高能质子强度低，而太阳活动低年高能质子强度高。对高能电子而言，其强度主要受高速太阳风调制。太阳活动高年，高速太阳风占统治地位，高能电子强度高；反之，太阳活动低年，高能电子强度低。

同时，太阳质子事件对LEO轨道高能质子的影响主要体现在高纬度区域，其内边界基本与高纬区域高能电子分布的内边界相同，而外边界主要受轨道倾角影响，且高度越低，高能质子受大气碰撞损失的概率越大，其通量越弱，即质子事件期间对于相同经纬度，1 000 km轨道质子强度高于低轨道。高能电子暴对LEO轨道的影响主要集中在南北纬60°纬度圈附近的沉降带。高能电子暴期间该区域分布面积增大，高能电子通量增强甚至可以超高3个量级。

1.2 轨道高能粒子通量率

因单粒子效应和高能粒子的通量率以及粒子能量有直接的关系，所以了解1 000 km轨道的高能粒子通量率分布情况是非常必要的。基于AE-8/AP-8模型的Spacereadation 6.0软件，对在1 000 km轨道的高能粒子通量率进行分析可知：通量率大于102量级的电子，其能量分布在小于2 MeV的范围内，几乎占总量的2/3以上；通量率大于102量级的质子，其能量分布在小于30 MeV的范围内，同样占总流量的2/3以上。

1.3 轨道等效厚度铝5年俘获粒子及总剂量

表1为Spaceradiation6.0分析软件1 000 km轨道环境5年俘获电子、质子和总剂量计算结果。从表1数据可以看到：金属Al对电子、质子和总剂量屏蔽作用，随着Al厚度的增加趋于饱和，而丧失保护作用。

表1 1 000 km轨道等效铝厚度5年俘获电子、质子和总剂量

1.4 轨道环境辐射效应分析

对1 000 km轨道环境模拟分析表明，就是使用5 mm厚度的铝作为屏蔽层，5年的剩余总剂量能够达到11.4 krad（Si）。对于没有抗辐射指标的元器件，其抗总剂量辐射的能力损伤阈值一般在5～10 krad（Si）范围内。可见，如果卫星相机的电子学系统仅仅使用金属铝防护是不能够满足5年工作寿命对总剂量指标要求的，况且这里还没有考虑二次电离辐射的影响。另外，通过对1 000 km轨道电子通量率的计算，能够获得该轨道的电子最大的通量率为1.22×105/（cm2/s），按韧致辐射转换效率0.5%计算，则高能电子导致的X射线的通量率估算应为6.1×102/（cm2/s）。事实上，在3 mm铝作为防护层时，韧致辐射产生的X射线通量率为1.564×102/（cm2/s）。［6-7］和带电粒子相比，中性电磁波X射线穿透力强，并能够直接到达元器件灵敏区并产生相互作用，再加之元器件的表面被金属引线覆盖，致使发生辐射剂量增加效应，进而发生高能电子辐射造成单粒子效应的可能性非常大。而高能质子，100 MeV的质子在铝中到达射程终点前约有11.5%发生核反应，而500 MeV的质子约有73%发生核反应。由于高能质子的注量很小，所以这种核反应释放的高能电磁辐射相对于电子作用于物质产生的韧致辐射来说可忽略。正像图10所展示的，能量大于30 MeV的质子的通量率小于102量级。这达不到质子辐照发生的单粒子效应的条件：能量＞30 MeV，通量＞105/（cm2/s）的条件，也就是说在1 000 km轨道发生质子单粒子效应的几率非常小。

2 抗辐射加固材料

2.1 防护材料特征

采用传统金属加固方法，当高能电子辐照金属时会发生韧致辐射而释放出X射线；能量大于30 MeV的高能质子和金属原子作用会发生核反应而释放出中子、γ射线和一些重离子碎片。这些二次电离产生的粒子和射线是造成卫星电子学系统辐射效应故障的重要原因之一。

尽管金属材料存在一些缺点，但金属材料还是阻止高能粒子和射线辐照的最佳材料。虽然单一成分的屏蔽材料无法满足屏蔽多种辐射成分的要求，但通过金属材料和功能陶瓷材料结合设计，消除了二次电离辐射的影响，使得电子学系统能够得到保护，从而避免辐照效应发生、实现设计功能。

本文的研究思路是采用不同物质复合构成多层复合结构的屏蔽材料，以达到屏蔽多种辐射成分的目的。高能电子具有很强的穿透能力，与物质作用主要使物质的原子电离、激发或产生辐射能量损失，辐射能量损失会以韧致辐射的形式释放，韧致辐射的强度随物质原子序数的增加而增大。防护高能电子时至少要考虑两层屏蔽，第一层用高原子序数的材料屏蔽质子和电子（如铅、钨等），然后需要二层陶瓷材料屏蔽韧致辐射和γ射线等。

2.2 新复合加固材料

虽然质子和电子在金属材料中作用产生的次级粒子与韧致辐射在总剂量中所占的比例较小，但这些次级辐射中的X射线、γ射线及中子的穿透能力强，作用于集成电路会导致总剂量效应、位移效应，甚至于瞬态效应。

X射线本质上是电磁波，有很强的穿透力。其波长范围为0.1～10 nm。主要由原子的内层电子跃迁或高能电子减速时与物质的能量交换作用产生。γ射线是比X射线穿透力更强的一种电磁波，由核反应、非弹性核散射等过程产生。通常采用重金属屏蔽X射线、γ射线，如铅、钽、钨等。在同样的屏蔽效果下，钨的重量最轻。

中子一般产生于高能质子与原子核的核反应。选择中子的屏蔽材料时首先要考虑使中子减速，其次才是对中子的吸收。由于中子的质量与质子很接近，所以含氢量高的材料可达到慢化中子的效果，而某些稀土能起到吸收中子的作用，如以镉、铪和稀土金属钆为代表的稀土元素，是非常高效的中子吸收剂，在核反应堆里的控制棒中已得到较好的广泛应用。

基于上述综合分析，提出并研制了一种金属及非金属化合物相结合的多层板状材料，该材料由三层物理结构构成，其结构如图3所示。材料最外层是铝，起到减弱质子能量、屏蔽电子的作用；中间层是钨，可进一步减弱质子能量、屏蔽电子的作用以及吸收X射线、γ射线；最外层为高稀土含量的陶瓷和高分子复合材料，可吸收低能质子、低能中子，同时对X射线、γ射线也起到高效的吸收作用。材料厚度为3 mm，密度约为6～7 g/cm3，以下简称为多层复合材料。

图3 屏蔽材料的结构

为了验证此多层材料对辐射的防护作用，在中科院新疆理化技术研究所分别进行了Co60γ辐照实验及电子加速器辐照实验。进行Co60γ辐照时，分别用多层材料、1 mm厚的钨、1.5 mm厚的钽对12只MOSFET 2N6802进行遮挡，每种材料遮挡三只2N6802，与三只无屏蔽的2N6802共同进行辐照。通过测试相同辐照条件下的三只2N6802阈值电压的漂移（取平均数），来比较各种材料对Co60γ辐照的屏蔽效果。如图4是γ射线辐照剂量为80 Krad（Si）时的测试结果。从图中可看出多层材料的屏蔽效果接近1.5 mm厚的钽，好于1 mm厚的钨。

图4 Co60辐照实验结果

电子加速器辐照实验采用ELV-8型2 MeV电子加速器，电子能量取1.5 MeV。分别用多层材料、1 mm厚的钨、1.5 mm厚的钽、3 mm厚的铝遮挡多片热释光剂量片，接受电子辐照。根据电子的通量及辐照时间换算为辐照总剂量，而热释光剂量片的吸收剂量即是经不同材料屏蔽后剩余的辐照剂量。实验中辐照总剂量为70 Krad，实验结果如表2所示。可见多层材料对电子的屏蔽效果最好，而钨与钽的屏蔽效果不及3 mm厚的铝，其原因可能是电子与钨、钽作用产生了大量韧致辐射。

表2 电子加速器辐照实验结果

从以上结果可看出，这种金属及非金属化合物相结合的多层板状材料不仅密度小，而且具有较好的屏蔽效果。这也说明了采用不同材料构成多层复合结构研究的新材料是可行的。

3 结论

本文对1 000 km典型轨道的辐射环境进行了分析，阐述了该轨道环境下的辐射环境特性，在对金属对辐射粒子防护能力分析的基础上，辨析了金属材料在空间辐射防护方面的不足。基于此，在传统抗辐射加固技术方法的基础上，提出了新型空间抗辐射复合加固材料，该材料是以三层物理结构为组合的金属及非金属化合物相结合的多层板状材料，从应用角度分析归纳了其在抗辐射特性方面的优势，经过实验比较，该新型抗辐射加固材料屏蔽效果好，工程应用可行，完全能够满足1 000 km轨道运行的卫星相机电子系统辐射防护要求5年。该材料为空间相机电子学系统的防护工作提出了实施方案，具有一定的工程参考价值。