空間輻射環(huán)境危害綜合監(jiān)測原理樣機研制

馬英起，朱 翔，李宏偉，張振龍，韓建偉

（中國科學院 國家空間科學中心，北京 101499）

0 引言

空間環(huán)境中的各種高能粒子和宇宙射線會對航天器材料和元器件造成損傷，引發(fā)航天器的功能異常和失效。不同來源的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，有16%～42%的航天器故障和異常是由空間環(huán)境引起的[1-4]。據(jù)美國航空航天局統(tǒng)計，平均每個航天器在軌工作期間會發(fā)生1次空間環(huán)境誘發(fā)的故障[5]。為應(yīng)對空間環(huán)境效應(yīng)危害，美、歐已經(jīng)研發(fā)出緊湊型空間環(huán)境異常監(jiān)測器（Compact Environmental Anomaly Sensor,CEASE）、ESA 標準輻射環(huán)境監(jiān)測器（Standard Radiation Environment Monitor, SREM）等多功能、一體化的空間環(huán)境危害傳感器，并陸續(xù)開始搭載衛(wèi)星投入使用。目前報導(dǎo)CEASE已經(jīng)有CEASE1、CEASE2兩代產(chǎn)品，曾搭載至 TSX-5、STRV-1c、DSP-21等多顆衛(wèi)星[6-9]。法國JASON2衛(wèi)星上也攜帶了空間環(huán)境監(jiān)測器ICARE-NG，專門用于監(jiān)測質(zhì)子、電子、重離子誘發(fā)的各種輻射效應(yīng)[6]。上述探測器多通過直接探測輻射環(huán)境特征的方式來實現(xiàn)環(huán)境能譜及粒子通量等參數(shù)的探測。國內(nèi)現(xiàn)有空間環(huán)境效應(yīng)環(huán)境探測器和監(jiān)測裝置多為探測高能帶電粒子及某類效應(yīng)的單一功能載荷，難以實現(xiàn)較寬范圍空間輻射效應(yīng)監(jiān)測功能；同時，缺乏系統(tǒng)的航天器故障診斷和預(yù)警手段，需要提高衛(wèi)星在軌故障發(fā)現(xiàn)的時效性和定位準確性。

鑒于此，本文設(shè)計了針對空間單粒子效應(yīng)、表面充電效應(yīng)、深層充電效應(yīng)等的探測模塊，利用半導(dǎo)體器件實現(xiàn)單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)及位移損傷效應(yīng)等環(huán)境效應(yīng)特征測量，能更直接反映輻射環(huán)境危害程度，同時完成了各模塊相關(guān)的集成、研制和測試。在此基礎(chǔ)上，組合研制了航天器空間環(huán)境輻射危害監(jiān)測原理樣機，能夠?qū)崿F(xiàn)對主要空間輻射環(huán)境效應(yīng)在軌監(jiān)測的功能。區(qū)別于通常衛(wèi)星上搭載的空間環(huán)境探測儀器，樣機內(nèi)模塊具有與航天器本身的數(shù)管系統(tǒng)和電源系統(tǒng)的直接耦合接口，集成度更高，可作為衛(wèi)星平臺或者探測載荷組成的一部分。樣機同時能夠提供空間輻射效應(yīng)告警及與航天器故障相關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)，有助于航天器事故分析以及改進航天器輻射安全可靠性設(shè)計。

1 模塊化系統(tǒng)設(shè)計思路

空間環(huán)境監(jiān)測最為關(guān)注的問題是空間環(huán)境擾動和災(zāi)難性空間環(huán)境事件，而空間輻射環(huán)境危害綜合監(jiān)測主要通過各探測模塊對高能粒子的響應(yīng)特征表現(xiàn)實現(xiàn)輻射效應(yīng)的綜合診斷和預(yù)警。涉及的高能粒子主要包括：地球輻射帶電子和質(zhì)子，太陽宇宙射線質(zhì)子和重離子，銀河宇宙射線質(zhì)子和重離子。航天器在不同軌道運行過程中遭遇的空間環(huán)境效應(yīng)風險類型表現(xiàn)不同，例如航天器經(jīng)歷的空間等離子環(huán)境有電離層、等離子體層和地球同步軌道等離子體等，深層充放電一般發(fā)生在高能電子通量較高的外輻射帶（2RE～7RE），其中高能電子通量峰值分布于3RE～5RE范圍，是發(fā)生充電最危險的區(qū)域，運行軌道經(jīng)過此區(qū)間范圍內(nèi)的航天器需要進行有針對性的監(jiān)測與防護。根據(jù)綜合輻射環(huán)境和輻射效應(yīng)的空間區(qū)域分布特性，對常見空間環(huán)境運行軌道的空間環(huán)境危害監(jiān)測進行模塊化設(shè)計，表1給出了常見航天器運行軌道的探測模塊配置情況，軌道包括低地球軌道（LEO）、中地球軌道（MEO）、地球靜止軌道（GEO）、極地軌道（PEO）；探測模塊包括單粒子效應(yīng)（SEE）探測模塊、總劑量效應(yīng)（TID）探測模塊、位移損傷效應(yīng)（DDE）探測模塊、表面充電效應(yīng)（SDC）探測模塊及深層充電效應(yīng)（DDC）探測模塊。主要空間環(huán)境效應(yīng)探測模塊根據(jù)需要選擇集成的綜合監(jiān)測技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)探測樣機高度集成化，并可根據(jù)航天器軌道任務(wù)量身定制，減小綜合監(jiān)測樣機的額外功耗，有效節(jié)省平臺的配置資源。

表1 航天器不同運行軌道下空間輻射危害監(jiān)測樣機探測模塊配置Table 1 Details of the distribution of space radiation hazard monitor modules

在此基礎(chǔ)上，組合研制航天器空間環(huán)境危害監(jiān)測原理樣機，能夠?qū)崿F(xiàn)對主要空間環(huán)境效應(yīng)在軌監(jiān)測的功能。樣機的系統(tǒng)組成如圖1所示。

各探測模塊的探測信號經(jīng)過信號調(diào)理單元放大、甄別處理后，得到各種輻射效應(yīng)的初步信息；經(jīng)過數(shù)據(jù)處理單元的進一步對比分析，得到空間輻射環(huán)境的危害程度和航天器電子系統(tǒng)工作異常狀態(tài)信息，提交給衛(wèi)星平臺數(shù)管系統(tǒng)；數(shù)管系統(tǒng)根據(jù)具體信息給出對應(yīng)策略。上述信號的進一步處理及與衛(wèi)星數(shù)管系統(tǒng)通信功能由模塊管理、工程遙測及開關(guān)指令控制單元來執(zhí)行。同時，樣機具有與衛(wèi)星平臺的電源接口，由二次電源模塊進行供電。

圖1 空間輻射危害監(jiān)測樣機系統(tǒng)組成Fig.1 Configuration of the Space Radiation Hazard Monitor(SRHM)

樣機主要組成探測模塊的設(shè)計功能原理具體介紹如下：

1.1 單粒子效應(yīng)探測模塊

引起單粒子效應(yīng)的空間輻射粒子主要是高LET值的重離子及能夠引起次級核反應(yīng)造成大能量沉積事件的高能質(zhì)子，目前常用的探測手段一是用半導(dǎo)體探測器測量能損，二是利用SRAM通過測量質(zhì)子核反應(yīng)能量沉積事件及重離子直接沉積大能量事件引起的單粒子翻轉(zhuǎn)計數(shù)來評估單粒子效應(yīng)程度。后者只反映單一器件及單一LET閾值的單粒子翻轉(zhuǎn)水平，不能測量其他器件及多LET閾值的單粒子效應(yīng)程度，其配套電路也相對復(fù)雜。綜合考慮，采用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體探測器作為探測模塊來測量評估單粒子效應(yīng)發(fā)生水平。研制工作中采用大面積Si-PIN探測器作為敏感元件實現(xiàn)單粒子效應(yīng)的探測?；咎綔y原理為：測量高LET值重離子及質(zhì)子核反應(yīng)引起大能量沉積事件產(chǎn)生的信號，通過放大成形甄別出能量沉積超過一定閾值的單粒子信號，對之進行統(tǒng)計計數(shù)，可以評估航天器所遭受的單粒子效應(yīng)程度；通過設(shè)置不同的甄別閾值，可以實現(xiàn)多LET閾值的單粒子效應(yīng)探測。

1.2 總劑量及位移損傷效應(yīng)探測模塊

總劑量效應(yīng)探測模塊采用PMOS場效應(yīng)管直接對總電離劑量的累計值進行測量，即利用測量PMOS場效應(yīng)管的柵極電壓漂移隨吸收劑量的變化來測量總劑量。具體測量原理為：電離輻射在PMOS氧化物絕緣介質(zhì)中產(chǎn)生電子-空穴對，空穴被在柵氧化物SiO2及Si/SiO2界面處的勢阱俘獲，在Si/SiO2界面處形成新的界面電荷態(tài)，使溝道變窄，溝道阻抗變大，源極與漏極電流減小，最終結(jié)果是柵極偏置電壓即閾值電壓向負向漂移。

位移損傷效應(yīng)主要由輻射粒子同光電材料中的晶格原子相互作用，使原子獲得足夠的能量離開原來位置，從而引起晶格原子錯位，形成弗倫克爾缺陷，構(gòu)成新的復(fù)合中心，對器件造成累積性永久損傷。位移損傷效應(yīng)影響器件的體特性，最直接的結(jié)果是縮短少數(shù)載流子的壽命，因而對性能依賴于少數(shù)載流子壽命的器件，主要是光電器件、雙極性器件及基準器件影響較大。大多數(shù)半導(dǎo)體材料的晶格位移閾值較低，為10～20 eV，因此相對總劑量效應(yīng)而言，光電器件受位移損傷效應(yīng)影響更為突出。位移損傷效應(yīng)探測模塊選取Si二極管作為探測器件。隨著材料中載流子壽命衰退及電阻率的改變，二極管的正向偏置電壓增加，因此在保證探測器性能前提下，應(yīng)盡量選用靈敏度高、線性好及動態(tài)范圍大的敏感元件。

1.3 表面及深層充電效應(yīng)探測模塊

利用金屬鋁板和高阻值電阻模擬航天器用介質(zhì)材料的充放電過程，構(gòu)建航天器表面和深層充電效應(yīng)探測傳感器，使用金屬鋁板作為收集板、高阻抗的電阻隔離收集板和航天器的地電位，其中電阻的大小為介質(zhì)材料的等效電阻，金屬鋁板既作為表面充電的傳感器也能對空間低能電子進行一定的屏蔽而作為屏蔽層；屏蔽層后設(shè)置另一塊金屬鋁收集板，采集和測量一定能量閾值之上的電子形成的深層充電電流，可監(jiān)測航天器遭遇的高能電子的強度及其產(chǎn)生的深層充電效應(yīng)。該模塊的優(yōu)勢在于電路的響應(yīng)速度較快且系統(tǒng)簡單、可靠性高。

2 樣機集成與地面測試

航天器空間輻射環(huán)境危害監(jiān)測原理樣機經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，研制出2種不同組合模式的樣機。其中，功能較齊全的模式A探測樣機能夠?qū)臻g環(huán)境誘發(fā)的單粒子效應(yīng)、電離總劑量效應(yīng)、位移損傷劑量效應(yīng)、表面充電效應(yīng)和深層充電效應(yīng)5類危害進行實時監(jiān)測；模式B探測樣機能夠?qū)崿F(xiàn)單粒子效應(yīng)監(jiān)測并統(tǒng)計計數(shù)，以及表面與深層充電效應(yīng)危害預(yù)警。樣機體積73 mm×120 mm×199 mm，質(zhì)量不大于1.14 kg，能耗不大于1.58 W，在滿足輻射監(jiān)測功能的同時，達到了節(jié)省衛(wèi)星平臺資源的效果。

2.1 樣機物理結(jié)構(gòu)集成設(shè)計

全功能樣機物理結(jié)構(gòu)如圖2所示，對SEE探測模塊、TID探測模塊、DDE探測模塊、SDC探測模塊及DDC探測模塊進行了整體布局設(shè)計，設(shè)計原則為：SEE探測模塊、TID探測模塊、DDE探測模塊并行排列于樣機前探測面板；SDC及DDC探測模塊集成于樣機側(cè)方，成為一個相對獨立的測試單元；配套的信號調(diào)理、數(shù)據(jù)處理、模塊管理、通信控制及二次電源等單元位于探測面板下方。為減少電磁擾動對探測模塊的影響，對核心單元及模塊進行了電磁屏蔽設(shè)計。

圖2 樣機內(nèi)部和外觀實物圖Fig.2 Inner view and outside view of the SRHM

2.2 樣機集成測試

針對樣機內(nèi)部探測模塊、信號調(diào)理電路及數(shù)據(jù)處理電路、通信控制等進行了地面集成測試。由于在地面難以完全模擬空間的不同種類、不同能譜結(jié)構(gòu)的協(xié)同輻射環(huán)境，整機測試均在“單一”的模擬輻射環(huán)境下進行。試驗中整機加電，模擬空間真實工作模式，以檢驗其電磁兼容性，主要針對模式B探測樣機進行了單粒子效應(yīng)、表面及深層充電效應(yīng)等3種輻射效應(yīng)的整機模擬試驗測試。試驗測試過程中對樣機進行反復(fù)調(diào)試，以最終確保樣機整體性能和每個探測單元性能均滿足設(shè)計指標要求。

2.2.1 單粒子輻射環(huán)境下模式A樣機集成測試

單粒子效應(yīng)試驗測試期間，將整個探測樣機置于脈沖激光單粒子效應(yīng)模擬裝置試驗平移臺上，測試現(xiàn)場如圖3所示，試驗測試過程中利用脈沖激光束對單粒子效應(yīng)探測單元進行輻照，通過示波器和數(shù)據(jù)采集硬件及通信軟件來監(jiān)測樣機SEE探測模塊的輸出信號及其他各個模擬量輸出結(jié)果。

圖3 脈沖激光模擬單粒子效應(yīng)輻射環(huán)境下樣機集成測試現(xiàn)場Fig.3 Photo of SEE module test under simulated pulsed laser environment

在集成測試過程中可通過SEE探測模塊獲取探測模擬信號，再經(jīng)過信號調(diào)理單元對原始探測信號進行處理，模擬量端口輸出模擬信號，來監(jiān)測提取處理信號的幅度等特征信息，典型信號如圖4所示。

圖4 LET值為2.2 MeV·cm2/mg的脈沖激光輻照下單粒子信號模擬端口波形Fig.4 SEE module test result for LET=2.2 MeV·cm2/mg

SEE探測模塊能夠監(jiān)測到高能重離子/質(zhì)子造成的LET閾值＞1 MeV·cm2/mg及＞5 MeV·cm2/mg的事件。針對其探測能力，利用已用重離子加速器校準的脈沖激光手段對探測器進行LET值標定。圖5為航天器空間環(huán)境危害探測原理樣機的通信軟件界面實時演示效果。其中，SEE探測模塊具有甄別計數(shù)的功能，圖中顯示了SEE探測模塊對于不同脈沖激光能量（等效LET值＞1 MeV·cm2/mg及＞5 MeV·cm2/mg）的2個不同計數(shù)窗口的顯示結(jié)果。計數(shù)器接收信號調(diào)理單元輸出的甄別數(shù)字脈沖信號，設(shè)計計數(shù)統(tǒng)計達到100后清零及溢出信號，由控制單元來分別選通2路計數(shù)器。進行單粒子效應(yīng)測試的同時，為了展示樣機的集成測試效果，在LET值為6.7 MeV·cm2/mg的脈沖激光輻照下，給其他測試模塊的輸入通道輸入相同的模擬量，利用通信軟件對其他探測模塊的輸出模擬量進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)各測試模塊均可同時并行工作。其中，TID探測模塊測量范圍為1～500 krad(Si)，DDE探測模塊測量范圍為109～1013cm-2等效10 MeV質(zhì)子注量，SDC探測模塊及DDC探測模塊的探測充電電壓優(yōu)于1000 V，探測微電流測量范圍分別為5 pA～5 nA及0.5～500 pA。5個探測模塊均可在測試量程內(nèi)給出0～15的風險等級提示（如圖5左側(cè)所示），對應(yīng)著單粒子效應(yīng)、表面充電、深層充電、輻射總劑量、位移損傷劑量等程度的信息，可反映航天器周圍的空間輻射環(huán)境狀態(tài)。

圖5 通信軟件記錄界面Fig.5 Interface of the communication software

2.2.2 高能電子輻射環(huán)境下模式B樣機集成測試

表面充電（對應(yīng)能量低于250 keV電子環(huán)境）和深層充電（對應(yīng)能量高于250 keV電子環(huán)境）效應(yīng)測試期間，將整個探測樣機置入真空罐中，測試現(xiàn)場如圖6所示，采用Sr90電子源（最高能量2.3 MeV連續(xù)能譜電子）在探測樣機正前方輻照，通過數(shù)據(jù)采集硬件及通信軟件來監(jiān)測樣機的SDC探測模塊及DDC探測模塊和其他各個模擬量輸出結(jié)果。

處理后得到SDC及DDC探測模塊測量所得束流強度隨放射源源距變化如表2所示。SDC及DDC探測模塊的收集板面積分別為32 cm2和31 cm2。可以看出，集成測試過程中DDC探測模塊的放大倍數(shù)遠高于SDC探測模塊的放大倍數(shù)。

圖6 高能電子輻射環(huán)境下樣機集成測試現(xiàn)場（SRHM在真空腔左邊遠端角落）Fig.6 Photograph of DDC and SDC Module Test Equipment(The SRHM is in the far left corner of the Vacuum chamber)

表2 樣機SDC和DDC探測模塊集成測試試驗結(jié)果Table 2 The test data of SRHM with respect to the DDC and SDC module

3 結(jié)束語

空間輻射環(huán)境危害綜合監(jiān)測樣機主要通過模塊化、多功能一體化的設(shè)計思路，對各探測模塊的探測信號進行綜合處理，實現(xiàn)對各種危害航天器安全的輻射效應(yīng)的監(jiān)測。利用半導(dǎo)體器件作為探測器，對各功能單元進行模塊化設(shè)計的創(chuàng)新思路，能夠?qū)崟r探測誘發(fā)微電子芯片單粒子效應(yīng)的大能量沉積事件、電離總劑量效應(yīng)，高能質(zhì)子、電子引起的位移損傷效應(yīng)，及高能電子誘發(fā)的表面、深層充電效應(yīng)。樣機能夠適合不同軌道、不同衛(wèi)星平臺裝備應(yīng)用，可形成近地衛(wèi)星運行空間輻射危害綜合感知網(wǎng)絡(luò)，甄別環(huán)境破壞和人為干擾對航天器的影響。

發(fā)展和推廣星載空間輻射環(huán)境危害綜合監(jiān)測技術(shù)，綜合利用模塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)測結(jié)果，可對空間輻射環(huán)境帶來的異常及時告警，并根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案進行處理，能夠保證航天器正常運行，是延長其壽命的必要且有效途徑。產(chǎn)品預(yù)期可成為保障衛(wèi)星安全的必要組成部件，在盡量少占用質(zhì)量、能耗、數(shù)據(jù)傳輸資源的情況下，實現(xiàn)低功耗、可定制、高集成度的空間環(huán)境效應(yīng)危害感知和應(yīng)對。