由于我们的卫星及有效载荷在轨运行阶段脱离了大气层的保护,直接暴露在空间环境下,电子设备会受到辐射和重粒子的冲击而发生各种辐射效应,造成其工作的异常或故障,从国内外对航天事故的统计数据可以发现,40%的故障源于空间辐射。因此,在使用器件时必须对其进行专门的抗辐照工艺处理,以确保其工作的可靠性。
下面,我们介绍一种经飞行验证过的、简单和可靠的元器件抗辐照加固工艺技术。
一、空间辐射环境
空间辐射环境根据来源不同主要分为太阳活动、宇宙射线和范艾伦辐射带(Van Allen Belt)等。处于不同的轨道辐射环境也不同,对于围绕地球运行的航天器威胁最大的是位于赤道上空的内、外范艾伦辐射带,它们主要由高能质子(30 MeV ~100 MeV)和高能量电子(0.4 MeV ~1.0 MeV)组成,受辐射的剂量率可分别达到1 Gy/h和10 Gy/h。
1、太阳活动
太阳辐射是空间辐射环境中最活跃和最主要的因素,太阳活动分为缓变型太阳活动和爆发型太阳活动,它们的辐射影响不同。前者主要成分为电子和质子,发射粒子流的速度为300 km/s~900 km/s,后者主要成分为大量的带电粒子流和高能射线,发射粒子流的速度高达2 000 km/s以上,其能量比前者高出几个数量级。
太阳活动周期为11年。如太阳耀斑等爆发型太阳活动,其特点是持续时间短,但是功率极高,一般高能质子对航天电子设备具有极大的破坏性,因此一直是空间辐射领域的研究重点。
2、宇宙射线
宇宙射线成分为83%的高能粒子,具有极大的贯穿能力。所以飞行器在外层空间运行所受的辐射是相当严重的,处于地球卫星中的航天电子系统每年所接受到累积辐射剂量可达100 Gy以上,其中暴露于表面的元器件更高。
3、范艾伦辐射带
在没有爆发型太阳活动时,辐射带内高能粒子的组成和分布相对稳定。当爆发型太阳活动发生,或行星际磁场对地球磁场产生扰动时,辐射带内高能粒子的能谱和通量将会激增、且辐射带更靠近地球,从而导致地球卫星,甚至地面电气设备的故障。
目前主要关注低轨道环境(即轨道高度100 km~1 000 km),典型辐射剂量是每年0.1 krad,对于寿命期3年~5年飞行器,总辐射剂量小于0.5 krad。在地球极地轨道,飞行器经过离子宇宙线和太阳耀斑等区域也会沉积大量的辐射。
二、抗辐照加固工艺
抗辐照加固工艺几乎是抗辐照措施的最后一个环节,所以此项工艺实施的好坏就显得十分重要。整个工艺由多个环节组成,如图1所示。
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