应用于卫星或空间飞行器的电子学系统,在天然空间辐射环境中往往因经受空间辐射而导致性能减低或失灵,甚至最终导致卫星或空间飞行器的灾难性后果。美国1971至1986年发射的卫星中共发生了1589次异常现象,其中与空间粒子辐射有关的占70%。
空间辐射对电子学系统的辐射破坏主要有三种方式:总剂量电离损伤;单粒子效应;位移损伤。质子产生总剂量电离损伤,单粒子效应和位移损伤,电子主要产生总剂量电离损伤,而高能重离子主要产生单粒子效应。
一、天然空间辐射环境
地球轨道天然空间辐射粒子包括地磁场俘获辐射带(VanAllen带)粒子和宇宙射线(包括太阳宇宙射线和银河宇宙射线)。
1、地磁场俘获辐射带粒子
地磁场俘获辐射带粒子主要是电子、质子以及少量的重离子。地磁场俘获辐射带通常又分为内辐射带(115Re至218Re,Re=6380km为地球半径)和外辐射带(218Re至12Re),内辐射带以质子为主,而外辐射带以电子为主。
地磁场俘获辐射带中质子能量可达500MeV。能量大于10MeV的质子主要分布在318Re以下,能量大于30MeV的质子主要分布在115Re以下,而典型的卫星壳体能屏蔽能量小于10MeV的质子。因此对于低轨道卫星来说,质子对内部电子学元器件的辐射破坏尤为严重。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达7MeV,而在内辐射带中电子的最高能量为5MeV,能量大于1MeV的电子的通量峰值在3Re至4Re之间。
2、宇宙射线
宇宙射线有两种来源,即来自于太阳耀斑爆发的太阳宇宙射线和来自于太阳系以外的银河宇宙射线。
太阳系以外的银河宇宙射线通常认为是稳定的,而地球轨道上的银河宇宙射线的通量受太阳活动的调制,在太阳活动频繁期,地球轨道上的银河宇宙射线通量相对减少,而在太阳活动不频繁期,银河宇宙射线通量相对稳定。
银河宇宙射线主要有质子(85%)、氦离子(14%)和高能重离子(1%)组成。离子通量随原子质量数分布见图1。可以看出,高能重离子(如Fe)的通量与质子通量相比差几个数量级,但是这并不是说高能重离子的辐射效应可以忽视。由于高能重离子在穿入材料时在单位距离上产生很高的电离密度,尤其在考虑半导体器件的单粒子效应时,高能重离子产生的效应不容忽视。图2为银河宇宙射线中各种离子的能谱图。由图2可见,各种离子的能谱峰对应的离子能量为100～1000MeVNu。碳离子的能谱峰对应的粒子能量为214GeV,质子和氦离子的最高能量可达10GeV?Nu。对于如此高能的粒子,卫星壳体已经无法阻止它们进入舱体内。
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