木星系粒子輻射環(huán)境效應(yīng)及防護關(guān)鍵技術(shù)

王建昭，張慶祥，田 岱，朱安文，邱家穩(wěn)

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

0 引言

木星是太陽系中體積和質(zhì)量最大的行星，且擁有多達69顆衛(wèi)星，木衛(wèi)一（Io）存在頻繁的火山噴發(fā)活動；木衛(wèi)二（Europa）擁有地下海洋，是潛在的宜居星球，更是地外生命探測的重點；木衛(wèi)三（Ganymede）是太陽系體積最大、磁場最強的衛(wèi)星；木衛(wèi)四（Callisto）的探測數(shù)據(jù)可用來研究木星系和太陽系的形成和演化，因此對木星系探測具有重要的科學(xué)意義。

目前為止，已有多顆探測器造訪過木星，其中以飛掠形式探測木星的航天器包括“先驅(qū)者”（Pioneer）Ⅹ/Ⅺ號、“旅行者”（Voyager）Ⅰ/Ⅱ號、“尤利西斯號”（Ulysses）、“卡西尼號”（Cassini）、“新視野號”（New Horizons），以環(huán)繞形式探測木星的航天器包括“伽利略號”（Galileo）[1]和“朱諾號”（Juno）[2]。其中，Galileo在木星赤道面軌道探測了36圈，并多次飛掠木衛(wèi)一至木衛(wèi)四；Juno在木星極軌軌道對其進行全方位探測，近木點達到1.06RJ（RJ取71 492 km）。另外，NASA和ESA還有多個正在實施的木星探測計劃，如JUICE和JEO等。

隨著我國深空探測能力不斷加強，木星探測是未來的深空探測熱點之一。與其他深空探測任務(wù)相比，木星探測的難點之一在于其惡劣的輻射環(huán)境。Bagenal等[3]對比了地球與木星磁場參數(shù)，平均而言，木星磁矩是地球的2×104倍，其表面磁場強度比地球大20倍，磁層范圍也更大，因此木星磁場可俘獲比地球空間更高能量的粒子。一般認為，地球軌道電子最高能量＜10 MeV，而木星軌道電子最高能量可達1 GeV，質(zhì)子最高能量為數(shù)GeV。環(huán)木星軌道存在大量能量超過10 MeV的高能電子，對探測器抗輻射設(shè)計提出了很高的要求。

本文擬從木星系輻射環(huán)境及輻射環(huán)境引起的效應(yīng)2方面進行論述，旨在梳理相對地球空間環(huán)境，航天器在木星系中所遭遇到的不同的輻射環(huán)境，以及這些特殊輻射環(huán)境引起的效應(yīng)，為后期木星系探測任務(wù)輻射防護關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)提供參考。

1 木星系粒子輻射環(huán)境研究現(xiàn)狀

木星系存在復(fù)雜的輻射環(huán)境因素，導(dǎo)致多種輻射效應(yīng)，如表1所示。

表1 木星系輻射環(huán)境及輻射效應(yīng)關(guān)系Table 1 The radiation environment and effects in Jovian system

1.1 高能粒子輻射環(huán)境

NASA和ESA構(gòu)建了多個可工程應(yīng)用的木星粒子輻射環(huán)境模型。較早開發(fā)的是NASA的D&G模型[4]，該模型利用地基甚大射電望遠鏡陣列觀測木星高能電子同步加速的發(fā)射能譜，Levin等[5]給出的結(jié)果如圖1所示，圖中還標出了利用VIP4模型得出的磁場位形，弧線對應(yīng)L值分別為1.5RJ、2.0RJ、2.5RJ、3.0RJ、3.5RJ。D&G 模型指導(dǎo)了 Galileo的任務(wù)設(shè)計。NASA還開發(fā)了GIRE模型[6]，該模型利用Galileo多年探測數(shù)據(jù)，以及Pioneer Ⅹ/Ⅺ和Voyager Ⅰ/Ⅱ的飛掠探測數(shù)據(jù)，描述木星輻射帶高能電子和質(zhì)子的平均通量。在GIRE模型中，空間位置坐標用與木心距離ρ和與磁尾電流片垂直距離Zmap表示。該模型一直在不斷完善之中，并支持了Juno的任務(wù)設(shè)計。

圖1 木星輻射帶1.4 GHz電子同步加速發(fā)射譜Fig. 1 Observed electron synchrotron emissions at 1.4 GHz for Jovian radiation belt

Garrett等[7]對比了地球與木星輻射帶1 MeV電子和10 MeV質(zhì)子的積分通量空間分布特征（圖2）。在地球空間，質(zhì)子主要存在于內(nèi)輻射帶，電子主要存在于外輻射帶，而木星系只存在單一的以電子為主的輻射帶。對比地球同步軌道（GEO）和木星赤道面4RJ軌道，木星軌道高能質(zhì)子和電子通量高2～3個數(shù)量級。木星輻射帶內(nèi)的粒子能量、通量以及覆蓋范圍均遠遠高于地球輻射帶。

圖2 地球與木星輻射帶高能電子與質(zhì)子積分通量空間分布Fig. 2 Contours of integral electron and proton flux at the Earth and Jupiter radiation belt

另外，ESA構(gòu)建了JOSE模型[8]，該模型利用平均通量和不同的乘數(shù)因子，可描述不同置信度下的木星磁層高能質(zhì)子和電子通量。L＜9.5RJ時，JOSE模型采用Salammbo理論模型[9]，在該范圍內(nèi)不能提供有置信度的通量數(shù)據(jù)；L＞9.5RJ時，JOSE模型利用Galileo探測數(shù)據(jù)構(gòu)建基于統(tǒng)計的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀Ａ硗?，JOSE模型在L=9.5RJ附近數(shù)據(jù)存在不連續(xù)性。GIRE模型和JOSE模型的電子通量對比見圖3，L＜9.5RJ時，GIRE2模型與JOSE模型差異較大；L＞9.5RJ時，2個模型所用數(shù)據(jù)源相同，結(jié)果也較符合。目前，Juno最新的數(shù)據(jù)及探測結(jié)果已公開，可對GIRE模型和JOSE模型進行驗證和改進。

圖3 GIRE2模型與JOSE平均模型描述的木星赤道面電子通量Fig. 3 Equatorial integral radiation flux profiles of energetic electrons at equatorial Jupiter orbit from GIRE2 and the mean JOSE model

1.2 離子輻射環(huán)境

搭載于Galileo的重離子探測器（HIC）可探測C至Ni的高能離子（6～200 MeV/u）[10]。由于Io頻繁的火山活動，其噴發(fā)的中性粒子可到達木星磁層，進而被電離，對木星輻射帶離子的形成有重要貢獻。木星輻射帶離子主要包括 C+、O+、S+；NASA最新的HIC模型[11]顯示，這些離子能量較?。ǎ?0 MeV/u），因而不是木星任務(wù)單粒子效應(yīng)的主要來源，只需要少量屏蔽防護，其通量即可低于同軌道太陽質(zhì)子和宇宙射線通量。Garrett等[11]利用HIC模型和宇宙射線（CR）模型，得到了Europa環(huán)繞任務(wù)軌道所經(jīng)受的離子環(huán)境，結(jié)果如圖4所示，當(dāng)離子能量大于30 MeV/u時，離子總通量與來源于銀河宇宙射線的離子通量接近，即高能離子的主要來源是銀河宇宙射線。

圖4 Europa軌道（9.49 RJ）經(jīng)受的離子環(huán)境Fig. 4 Heavy ion fluence for a mission to Europa orbit (9.49 RJ)

1.3 等離子體和極區(qū)粒子輻射環(huán)境

木星磁層空間充滿了熱等離子體（5～100 keV）和冷等離子體（＜5 keV），并符合麥克斯韋?玻耳茲曼分布。這些等離子體是航天器表面充電的重要來源，Garrett等[12]利用模型計算得到了Europa軌道（9.5RJ）熱等離子體與冷等離子體能譜，結(jié)果如圖5所示。經(jīng)過仿真，相比地球同步軌道，木星赤道15RJ處背景等離子體充電電位較低[13]。因此，對于非極區(qū)軌道的木星探測，表面充電的防護需求較容易滿足。

圖5 Europa軌道（9.49 RJ）冷等離子體與熱等離子體分布Fig. 5 Cold and warm plasma distributions for electrons and protons near Europa orbit (9.49 RJ)

另外，若任務(wù)采用大傾角軌道，而木星極光十分強烈且長時間存在，復(fù)雜多變的極光等離子體環(huán)境將對航天器（如Juno）安全運行產(chǎn)生嚴重影響，其中需特別考慮的是表面充電效應(yīng)。如果航天器使用太陽能電池作為能源，則航天器表面充電效應(yīng)（尤其是經(jīng)過木星極區(qū)時）將更加顯著。

1.4 木衛(wèi)一至木衛(wèi)四的輻射環(huán)境

Galileo多圈軌道都是以4顆伽利略衛(wèi)星為飛掠目標，正在實施的JEO和JUICE分別將對Europa和Ganymede進行詳細探測，而我國規(guī)劃的首次木星探測計劃將以Callisto為探測目標。因此，對伽利略衛(wèi)星附近輻射環(huán)境的研究有現(xiàn)實的工程意義。

木衛(wèi)一至木衛(wèi)四的基本特征如圖6所示。Io的火山爆發(fā)產(chǎn)生大量粒子后輸運到木星磁層成為木星輻射的重要來源，并在其公轉(zhuǎn)軌道形成了等離子體環(huán)。Galileo在軌數(shù)據(jù)表明，以Galileo與Io的經(jīng)度夾角表示航天器是否處于Io的陰影區(qū)，當(dāng)航天器處于陰影區(qū)附近（夾角＜25°）時，觀測到木星磁層高能電子擾動事件的概率更大[14]，而擾動事件發(fā)生概率和該夾角有明顯負相關(guān)性。因此在航天器任務(wù)設(shè)計中，應(yīng)盡量避免航天器處于Io的陰影區(qū)附近。

圖6 伽利略衛(wèi)星特征匯總Fig. 6 Characteristics of Galilean satellites

Europa存在地下海洋，是地外生命探測的重中之重，且其具有一定的磁場、電離層、大氣結(jié)構(gòu)。另外，飛掠Europa期間，GalileoEPD探測到的粒子計數(shù)率有明顯的下降[15]，這主要是因為Europa磁場的屏蔽作用。另外，由于Europa處于木星強輻射區(qū)域，表面受高能粒子轟擊形成了眾多可觀測的痕跡。

Ganymede擁有太陽系衛(wèi)星中最強的磁場，Williams等[16]對其磁場進行了三維仿真。Ganymede自身磁場和偶極子場較為接近，強度遠大于背景磁場強度。經(jīng)仿真分析，相比Ganymede公轉(zhuǎn)軌道，由于磁場屏蔽效應(yīng)，對其進行環(huán)繞探測可使探測器經(jīng)受的總電離劑量水平降低50%～60%。

Callisto無明顯地質(zhì)活動，表面遍布隕石坑，是伽利略衛(wèi)星中唯一軌道沒有發(fā)生Laplace共振的衛(wèi)星，因此其保留了眾多木星系早期的信息。通過對Callisto表面隕石坑大小、年齡、分布等統(tǒng)計，可對木星系的形成乃至太陽系的形成和發(fā)展（尤其是太陽系早期的大撞擊年代）進行研究。

Galileo對伽利略衛(wèi)星進行了多次飛掠探測，根據(jù)其粒子探測數(shù)據(jù)可反演航天器飛掠和環(huán)繞伽利略衛(wèi)星時遭遇的輻射環(huán)境，為航天器防護設(shè)計提供約束條件。其中，ESA開發(fā)了基于Monte Carlo算法的仿真程序PLANETOCOSMICS-J，可計算伽利略衛(wèi)星附近空間的輻射環(huán)境[17]。

2 木星系探測輻射效應(yīng)研究重點

木星輻射帶擁有遠比地球惡劣的強輻射粒子環(huán)境，F(xiàn)ieseler等[18]對Galileo多年的在軌異常進行了總結(jié)，其中，12種故障確認與輻射直接相關(guān)，包括探測器噪聲增長、電離總劑量造成的漏電流、介質(zhì)電弧放電造成的供電故障、內(nèi)部靜電放電噪聲和晶振頻率偏移等。另外還有13種故障疑似與輻射效應(yīng)有關(guān)。

輻射環(huán)境對元器件產(chǎn)生的總劑量及單粒子效應(yīng)將導(dǎo)致邏輯電路產(chǎn)生錯誤甚至器件失效；由高能粒子穿透航天器外殼而沉積在電介質(zhì)內(nèi)發(fā)生內(nèi)帶電效應(yīng)，超過介質(zhì)耐壓閾值發(fā)生放電將對星內(nèi)電路產(chǎn)生嚴重破壞；位移損傷效應(yīng)導(dǎo)致材料性能衰減，降低熱控系統(tǒng)性能和太陽電池板供電效率。

2.1 電離總劑量效應(yīng)及防護

對于木星探測任務(wù)，木星輻射帶內(nèi)的高能粒子以及任務(wù)期間的高電離總劑量水平是主要難點，也是抗輻射評估和防護設(shè)計的重點。

2.1.1 總劑量精細化評估

目前，總劑量設(shè)計主要依據(jù)木星輻射帶模型、SHIELDOSE模型和輻射設(shè)計余量（RDM）約束。對于RDM的選擇，利用歷史數(shù)據(jù)對未來任務(wù)進行評估存在一定風(fēng)險，需要利用統(tǒng)計方法（如貝葉斯方法）得到不同存活概率及其對應(yīng)置信度下所需要的最低 RDM值[19]。近期，Xapsos等[20]開發(fā)了新方法，將輻射環(huán)境不確定性和器件失效劑量的不確定性結(jié)合起來定量評估總劑量導(dǎo)致的在軌失效概率。

木星系中帶電粒子能量高、通量大，且不確定度較高，加大了航天器輻射劑量效應(yīng)的防護難度。根據(jù)Galileo 的EPD探測結(jié)果，相同L值處最高的粒子通量比最低時大4倍，且隨著與木心距離的增加，粒子通量的不確定性增加，如應(yīng)用常規(guī)的RDM設(shè)計手段規(guī)避器件失效，將導(dǎo)致屏蔽質(zhì)量代價高昂，因此需要優(yōu)化RDM選擇方法。另外，木星探測任務(wù)周期長、風(fēng)險高，總劑量的評估和設(shè)計應(yīng)盡量精細化。首先，對于關(guān)鍵元器件，進行質(zhì)子和電子總劑量輻照試驗，研究不同批次同一器件的失效劑量分布規(guī)律；其次，構(gòu)建基于輻射環(huán)境不確定性和器件失效劑量不確定的總劑量評估方法，定量評估研究不同器件不同屏蔽狀態(tài)下失效概率和存活概率隨在軌時間的變化，研究不同RDM設(shè)計值對應(yīng)的置信度。

對于木星探測器中的關(guān)鍵元器件，需要詳細考慮其所遭受的總劑量。目前，如SSAT[21]和GRAS[22]等三維劑量分析工具利用扇段分析法及Monte Carlo粒子輸運仿真工具，結(jié)合航天器結(jié)構(gòu)三維模型，可計算航天器內(nèi)任意點4π立體角范圍的屏蔽情況，結(jié)合輻射環(huán)境模型，可精確評估航天器內(nèi)任意點承受的總劑量。另外，利用商業(yè)軟件（如Pro/E）進行二次開發(fā)[23-24]，再結(jié)合已有劑量模型，也可實現(xiàn)輻射劑量的三維分析。

2.1.2 軌道轉(zhuǎn)移段的總劑量評估

木星探測器從發(fā)射到抵達木星系需要數(shù)年時間（Galileo用時6年，Juno用時4年），因此，軌道轉(zhuǎn)移段的總劑量也應(yīng)重點考慮。在軌道轉(zhuǎn)移階段，總劑量主要來源于太陽質(zhì)子事件，目前常見的太陽質(zhì)子通量模型有JPL模型[25]、Xapsos模型[26]等，這些模型都可給出一定置信度下的太陽質(zhì)子通量。Feynman等[25]給出的JPL模型結(jié)果如圖7所示，以＞10 MeV質(zhì)子通量為判據(jù)，對于一定任務(wù)期，質(zhì)子通量越小，超過該通量的概率越大；對于一定通量，任務(wù)期越長，超過該通量的概率越大。

圖7 不同任務(wù)期＞10 MeV質(zhì)子通量概率Fig. 7 Fluence probability curves for protons above 10 MeV

目前的太陽質(zhì)子通量模型都是通過地球同步軌道衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)構(gòu)建的，而木星探測轉(zhuǎn)移段軌道覆蓋空間范圍極大，需要研究太陽質(zhì)子通量隨空間距離的分布規(guī)律。一般認為，在太陽系范圍內(nèi)，當(dāng)距離小于1 AU時，太陽質(zhì)子通量與1/r3呈正比；當(dāng)距離大于1 AU時，太陽質(zhì)子通量不再隨空間距離的增大而衰減。結(jié)合太陽質(zhì)子事件通量模型、太陽質(zhì)子通量隨空間位置的分布規(guī)律、轉(zhuǎn)移段軌道設(shè)計，可定量評估木星探測軌道轉(zhuǎn)移段所遭受的總劑量。

2.1.3 屏蔽材料與屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計

一般對于木星強輻射環(huán)境，利用高原子序數(shù)材料（鉭、鎢、鈦等）進行屏蔽是較好選擇。對于高能電子，其與物質(zhì)作用會產(chǎn)生更強的軔致輻射?？傮w而言，低原子序數(shù)材料屏蔽高能質(zhì)子更有效，高原子序數(shù)材料屏蔽高能電子和軔致輻射更有效。因此，可采用三明治結(jié)構(gòu)（高原子序數(shù)材料夾在2層低原子序數(shù)材料中間），將高原子序數(shù)和低原子序數(shù)材料結(jié)合，達到優(yōu)化屏蔽效果的目的。Cherng等[27]利用Monte Carlo仿真，發(fā)現(xiàn)當(dāng)屏蔽層＞10 g/cm2時，鋁/鎢復(fù)合屏蔽效果好于單層鋁屏蔽。Fan等[28]經(jīng)過仿真，發(fā)現(xiàn)對于地球MEO電子輻射環(huán)境，在相同面密度下，鋁/鉭/鋁的結(jié)構(gòu)比單層鋁結(jié)構(gòu)屏蔽效果高60%。

不僅是金屬，聚合物也可用來進行輻射屏蔽，一種典型的聚乙烯/鉭/聚乙烯3層結(jié)構(gòu)具有較低的熱膨脹系數(shù)。另外，一些新輕量級輻射屏蔽材料也逐漸得到應(yīng)用[29]，其中鎢加強型聚乙烯可用于質(zhì)子為主的輻射環(huán)境屏蔽，該結(jié)構(gòu)有很好的穩(wěn)定性；鎢加強型聚酰胺可用于電子為主的輻射環(huán)境屏蔽，該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差但絕緣性好，可用于點屏蔽。

為應(yīng)對木星系的強輻射，除了常用的整星質(zhì)量屏蔽結(jié)構(gòu)，還應(yīng)對輻射敏感器件進行額外防護，實現(xiàn)關(guān)鍵器件和單機的點屏蔽。Juno采用了屏蔽盒設(shè)計[30]，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，該屏蔽盒為鉭材料的矩形結(jié)構(gòu)，等效于10 mm鋁屏蔽?？蓪Π惭b其內(nèi)的輻射敏感元器件（如遙測、推進、電源、通信、數(shù)據(jù)處理等分系統(tǒng)的電子器件等）進行有效的防護。設(shè)計過程需考慮可制造性、可擴展性、裝配質(zhì)量等多方面的要求。

圖8 Juno的輻射屏蔽盒Fig. 8 Radiation vault of Juno spacecraft

2.2 內(nèi)帶電效應(yīng)

空間充放電效應(yīng)分為由高能帶電粒子引起的內(nèi)帶電效應(yīng)和由低能帶電粒子引起的表面充放電效應(yīng)。由于木星磁層中能量大于10 MeV的電子很多，相較于表面充電效應(yīng)，內(nèi)帶電效應(yīng)問題更為嚴重。

2.2.1 變化電子環(huán)境下木星探測軌道的內(nèi)帶電

木星輻射帶高能電子通量比地球的高2～3個數(shù)量級，且最高能量可達1 GeV，因此高能電子沉積到星內(nèi)電介質(zhì)中而引起的內(nèi)帶電效應(yīng)是木星抗輻射設(shè)計中的關(guān)鍵因素[31]。對木星系內(nèi)帶電效應(yīng)的重視起源于1979年3月5日Voyager-Ⅰ號飛掠木星期間，在短短24 h內(nèi)經(jīng)歷了42次加電復(fù)位異常[32]，異常累計發(fā)生概率和高能質(zhì)子與電子的累積通量有很高的相關(guān)性，這些異常被認為是內(nèi)帶電效應(yīng)導(dǎo)致的。以0.1～100 MeV電子通量為判據(jù)，Divine給出了木星赤道面不同位置的內(nèi)部靜電放電（IESD）風(fēng)險，如圖9[7]所示，認為當(dāng)10 h內(nèi)所受高能電子累積通量大于1010cm-2則有放電風(fēng)險。

由于木星輻射帶的強粒子輻射特征，木星環(huán)繞探測一般采用大偏心率軌道，以避免長時間處于輻射帶中心區(qū)域，在該軌道上，輻射通量變化十分劇烈。因此，常見的基于Monte Carlo方法的內(nèi)帶電仿真方法[33]過于耗時而不再適用，需要構(gòu)建變化輻射環(huán)境下的木星軌道內(nèi)帶電仿真方法。

圖9 木星赤道面不同位置內(nèi)部靜電放電風(fēng)險Fig. 9 Contour plot of IESD hazard as a function of perijove distance

對于地球軌道，NASA開發(fā)了AF-NUMIT2軟件[34]，但該方法應(yīng)用于木星電子輻射環(huán)境存在3個問題：首先，內(nèi)帶電多發(fā)生在輻射環(huán)境惡劣時[35]，因此需要研究木星輻射帶最惡劣電子環(huán)境能譜作為內(nèi)帶電評估的輸入；其次，AF-NUMIT2的解析輸運算法僅適用于0～20 MeV的電子[36]，而木星輻射帶電子能量可達1 GeV，因此需要將該算法的能量適用范圍進行擴展；最后，在木星輻射的內(nèi)帶電防護中，除了鋁，還會用其他材料（尤其是高原子序數(shù)材料，如鎢、鈦、鉭等）進行防護[37]，因此需要在仿真與試驗等方面研究不同材料對內(nèi)帶電效應(yīng)的屏蔽效果差異。

2.2.2 質(zhì)子和低溫環(huán)境下的內(nèi)帶電相同能量下電子的射程大于質(zhì)子，因此在地球軌道空間一般只考慮電子引起的內(nèi)帶電。在行星際轉(zhuǎn)移軌道階段，太陽質(zhì)子是引起航天器介質(zhì)內(nèi)帶電的重要原因[38]。另外，在木星輻射帶存在能量高至數(shù)GeV的質(zhì)子，且其通量遠高于地球軌道的，因此需考慮木星探測中質(zhì)子對內(nèi)帶電的貢獻。質(zhì)子和電子的輸運特性差異較大，在能量沉積、散射過程、次級粒子產(chǎn)生、電荷遷移、退火等方面有很大不同，因此電子和質(zhì)子產(chǎn)生的內(nèi)帶電特性存在明顯差異[39]。

電阻率是電介質(zhì)內(nèi)帶電評估的關(guān)鍵因素。有2種方法測量星用電介質(zhì)材料的電阻率：ASTM標準法[40]和電荷衰減法[41]。對于CRRES衛(wèi)星所用電介質(zhì)，電荷衰減法所測的電導(dǎo)率比ASTM方法測得的大2～3個數(shù)量級。另外，電介質(zhì)的電阻率對溫度十分敏感：Dennison等[42]的實驗結(jié)果表明，對于低密度聚乙烯，每當(dāng)電介質(zhì)的溫度下降50 K，其電阻率約增加1個數(shù)量級，因此溫度降低將大大增加介質(zhì)內(nèi)帶電及放電風(fēng)險。在木星系探測中，由于太陽光照強度相對地球減小很多，航天器經(jīng)受的溫度低至-150 ℃以下，電介質(zhì)在超低溫狀態(tài)下的性質(zhì)及其對內(nèi)帶電的影響需要深入研究。

2.3 單粒子效應(yīng)

單粒子效應(yīng)研究是復(fù)雜的系統(tǒng)工程。對于木星探測，其輻射帶中高通量的高能質(zhì)子、重離子甚至電子在探測器所使用的高集成度、高性能微電子芯片上可引起單粒子效應(yīng)。

2.3.1 高能電子引起的單粒子效應(yīng)

此前的研究重點主要關(guān)注質(zhì)子和重離子引起的單粒子效應(yīng)。木星輻射帶包含有數(shù)百MeV的高能電子，電子引起的單粒子效應(yīng)逐漸引起關(guān)注。對于28 nm和 45 nm工藝的 CMOS SRAM器件，由X射線和鋁介質(zhì)作用產(chǎn)生的高能電子可引起單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）[43]。對于45 nm工藝的CMOS商業(yè)級FPGA，20 MeV電子可引起SEU，Samaras等[44]利用試驗所測得的SEU散射截面數(shù)據(jù)如圖10所示。當(dāng)入射電子的能量高達200 MeV及以上時，在較老工藝（0.25 μm）的器件中也觀察到SEU[45]。因此，對于木星系探測任務(wù)，電子引起的單粒子效應(yīng)及器件工藝的選擇需著重研究。

圖10 高能電子輻照下45 nm工藝FPGA SEU散射截面Fig. 10 SEU cross section curve for 45 nm technology FPGA under high energy electrons

2.3.2 低溫環(huán)境下的單粒子效應(yīng)

航天器在木星軌道所經(jīng)歷的低溫環(huán)境也對單粒子效應(yīng)有重要影響。對于NMOS/CMOS器件，相比于室溫，在-125 ℃下質(zhì)子引起的SEU截面高2個數(shù)量級[46]。對于180 nm工藝的CMOS器件，溫度從300 K下降到50 K，閾值LET非單調(diào)變化（先增加后下降）并在150 K達到最大，Youssef等[47]得到的數(shù)據(jù)如圖11所示，因此器件在150 K有最大的單粒子閂鎖（SEL）免疫能力。對于40 nm工藝集成電路，在-55～70 ℃范圍內(nèi)，若偏置電壓較高（1.1 V和0.9 V），則α粒子引起的SEU和SEL截面隨溫度增加而增加；若偏置電壓較低（0.7 V），α粒子引起翻轉(zhuǎn)截面隨溫度增加先增加后降低，并在0～15 ℃達到最大值[48]。因此，溫度對單粒子效應(yīng)的影響很復(fù)雜，和器件工藝尺寸、入射粒子源、工作狀態(tài)等多種因素有關(guān)。

圖11 180 nm工藝CMOS不同溫度下的閾值LETFig. 11 Threshold LET as a function of temperature for CMOS with 180 nm technique

2.3.3 單粒子和總劑量協(xié)同效應(yīng)

在不同總電離劑量水平下，器件抗單粒子效應(yīng)的能力有很大不同，因此需要研究單粒子和總劑量的協(xié)同效應(yīng)。Schwank等[49]在不同劑量水平下，利用20～500 MeV質(zhì)子在25 ℃和80 ℃對SRAM進行SEU試驗，結(jié)果表明，增加溫度或總劑量都可以有效提高器件翻轉(zhuǎn)截面，其中一組試驗結(jié)果如圖12所示。另外，Chen等[50]對40 nm工藝程序電路在0～2 Mrad(Si)范圍的SEU截面進行了實驗研究，結(jié)果顯示在1.5 Mrad(Si)以下，翻轉(zhuǎn)截面隨總劑量增加而增加，在1.5 Mrad(Si)以上，翻轉(zhuǎn)截面隨總劑量增加而減小。因此，單粒子和總劑量協(xié)同效應(yīng)的機理還需進一步研究。

圖12 不同總劑量和溫度下1 Mbit SRAM翻轉(zhuǎn)截面Fig. 12 Upset cross section versus total dose for 1 Mbit SRAMs

2.4 位移損傷效應(yīng)

位移損傷是指高能粒子或高能輻射產(chǎn)生的次級粒子與半導(dǎo)體材料物質(zhì)晶格原子核發(fā)生彈性碰撞，當(dāng)傳遞的能量大于晶原子的位移閾能時，晶格原子將獲得動能克服束縛，離開原來位置成為間隙原子，從而在原位置形成空位缺陷，導(dǎo)致材料特性發(fā)生變化。在木星系探測中，存在的大量高能帶電粒子將使位移損傷效應(yīng)成為限制航天器壽命的重要因素。

2.4.1 位移損傷導(dǎo)致性能衰減的在軌預(yù)測

目前，對于位移損傷效應(yīng)的評估主要基于等效注量法[51]和等效位移損傷劑量法[52-53]，利用非電離能損NIEL表征在軌所受位移損傷，不同能量不同粒子在GaAs中的NIEL如圖13所示，將不同能量粒子（質(zhì)子和電子）輻照下器件的性能衰退曲線歸一化到特定能量粒子（10 MeV質(zhì)子和1 MeV電子）輻照的衰退曲線，結(jié)合在軌環(huán)境，獲得器件的在軌性能衰減曲線。目前，NASA已經(jīng)開發(fā)了太陽電池位移損傷的在軌預(yù)示軟件SCREAM[54]。在后續(xù)研究中，可將在軌預(yù)示模型與木星輻射環(huán)境模型結(jié)合，構(gòu)建適用于木星探測軌道的太陽電池位移損傷在軌預(yù)測方法。

圖13 電子、質(zhì)子、中子在GaAs中的非電離能損Fig. 13 NIEL for electrons, protons, and neutrons on GaAs

2.4.2 低溫低光照下的位移損傷效應(yīng)

等效位移損傷劑量法的前提是：不同能量粒子造成的器件性能衰減曲線可歸一化到特定能量粒子造成的器件性能衰減曲線。這一假設(shè)在地球軌道是適合的，但對于木星等深空探測任務(wù)，航天器處于低光照度和低溫狀態(tài)，這一假設(shè)是否正確有待驗證。太陽電池等在低溫低光照（LILT）情況下的位移損傷效應(yīng)需要試驗研究，而目前對該項研究開展的較少。NASA對LILT下三結(jié)太陽電池性能衰減進行研究[55]發(fā)現(xiàn)，LILT環(huán)境對三結(jié)太陽電池發(fā)電效率影響不大，在5.18 AU環(huán)境下發(fā)電效率相比1 AU處從32%～34%下降至30%，而此前的實驗結(jié)果認為相同條件下太陽電池發(fā)電效率從30%下降到25%，前后試驗結(jié)果存在差異，有待進一步詳細研究。

3 結(jié)束語

針對木星高輻射、低光照、超低溫的環(huán)境特點，重點討論了電離總劑量效應(yīng)、內(nèi)帶電效應(yīng)、單粒子效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)等輻射環(huán)境效應(yīng)研究中面臨的難點。在木星系探測任務(wù)中，應(yīng)對現(xiàn)有方法進行集成優(yōu)化創(chuàng)新，以適應(yīng)木星獨特的輻射環(huán)境，開發(fā)新的精細化設(shè)計方法。對于電離總劑量效應(yīng)，應(yīng)綜合考慮器件失效劑量不確定性和輻射環(huán)境不確定性，以及復(fù)合屏蔽材料與屏蔽盒的設(shè)計。另外，由于軌道轉(zhuǎn)移段很漫長，也應(yīng)考慮該階段的總劑量貢獻。對于內(nèi)帶電效應(yīng)，應(yīng)針對具體屏蔽材料并結(jié)合軌道設(shè)計，還應(yīng)考慮低溫對電介質(zhì)電阻率的影響。對于單粒子效應(yīng)，應(yīng)考慮低溫環(huán)境和總劑量效應(yīng)的影響，并研究高能電子引起的單粒子效應(yīng)。對于位移損傷效應(yīng)，應(yīng)著重考慮低溫、低光照環(huán)境的影響。

木星系探測中抗輻射防護的研究及設(shè)計是十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包含的內(nèi)容非常豐富。在木星系航天器論證和研制的全壽命周期，不僅要在論證和預(yù)研階段對木星系粒子輻射環(huán)境及其效應(yīng)有充分的認知，還要在航天器研制階段將這些認知落實為設(shè)計方案。