（机械设计及理论专业论文）星载电子设备辐照防护关键技术研究.pdf

摘要摘要空间科学技术的发展使得人们关注地球外面的空间，人们的空间活动范围也在扩大，空间飞行器工作期间，航天电子设备必然暴露于空间辐照之下，为降低空间辐照对电子设备带来的危害，需要采取一定的辐照防护措施保证电子设备的正常工作，因此空问电子设备的辐照防护成为一个重要的研究课题。本文在全面了解空间辐照环境的基础上，针对点状单能量辐射源对星载电子设备采取质量屏蔽的方法进行辐照防护设计，建立数学模型，推导了采用板状屏蔽材料的材料厚度计算公式。搜集具体的航天器飞行环境，并针对搜集到的六种典型轨道环境，运用m a t l a b 7 0 软件编制星载电子设备辐照防护计算程序，荠用m a t l a b 7 0 软件中的g u i 编制用户界面，使用户使用更加简便。最后将计算结果进行分析，在所选择的五种常用屏蔽材料中，根据屏蔽效果、所需材料的质量，对屏蔽材料的效果进行比较并得出结论。关键词：辐照、辐照防护、质量屏蔽a b s t r a c ta b s t r a c tn l ed e v e l o p m e n to fs p a c es c i e n c em a k e sp e o p l ec o n c e r nt h es p a c eo u to fe a r t h w i t ht h em o v a b l es p a c ee x t e n d i n g ，t h ea e r o s p a c ee l e c t r o n i ce q u i p m e n tw o r ki n e v i t a b l yu n d e rt h ei r r a d i a t i o n s ow em u s tt a k es o m ei r r a d i a t i o np r o t e c t i o nm e t h o dt od e c r e a s et h ei r r a d i a t i o nd a m a g eo fe l e c t r o n i ce q u i p m e m n ei r r a d i a t i o np r o t e c t i o no ft h ea e r o s p a c ee l e c t r o n i ce q u i p m e mm a k e sg o o du s eo ft h et e c h n o l o g ya n de x p e r i e n c eo f t h ei r r a d i a t i o np r o t e c t i o no f t h eg r o u n d i tp u tt h em o r er e q u i r e m e n t sw h i c ha r et h ee v a l u a t i o no ft h er a t i o n a l i t ya n dv a l i d i t yo f t h ei r r a d i a t i o np r o t e c t i o nm e t h o d i na d d i t i o nt ot h er e i n f o r c et e c h n o l o g yo fm i c r o e l e c t r o n i c s ，i tv e r yi m p o r t a n tt h a tt h es t r u c t u r ed e s i g no ft h ei r r a d i a t i o np r o t e c t i o no fe l e c t r o n i ce q u i p m e n to ns a t e l l i t e b u tt h es p a c ew h i c hi n c l u d e sm a n yk i n d so fp a r t i c l e si sv e r yc o m p l i c a t e d w i mt h es p a c e c r a f tl a u n c hi nd i f f e r e n tl o c a t i o na n dt i m e ，t h ee n e r g ya n dt y p eo ft h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n ti r r a d i a t i o ni sd i f f e r e n t ，t h es h i e l dd e s i g no fe l e c t r o n i ce q u i p m e n ti sag e n e r a lp r o b l e m s oi ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h ei r r a d i a t i o ne f f e c to fe l e c t r o n i ce q u i p m e n ti nt h ei d i o g r a p h i ci r r a d i a t i o ne n v i r o n m e n t s k e y w o r d ：i r r a d i a t i o ni r r a d i a t i o np r o t e c t i o nm a s ss h i e l d i n g西安电子科技大学学位论文独创性( 或创新性) 声明秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论本人签名：不实之处，本人承担一切的法律责任。1 3 1 # 1 生竺2 11 ：尘西安电予科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解茵安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的论文在解密后遵守此规定)本学位论文属于保密，、在一年解密后适用本授权书。本人签名：熔避日期瘟! ：堑导师签名：墓自缸篮日期2 1 21 ：1 2 二，第一章绪论第一章绪论1 1 引言随着空间科学技术的发展，人类的活动空间不断扩大，已经走向太空，建立月球基地和飞往火星已被列入2 1 世纪的航天计划，人类探索宇宙行动的逐步实施，人们对空问环境及其效应的认识越来越深入，一方面，空间技术是人类了解空间环境的直接手段，另一方面，空间环境本身又在许多方面影响和制约着空间技术，空间高能粒子辐射就是重要的影响因素之一。运行在空间的各类人造卫星、航天器会受到地球带电粒子、太阳宇宙射线等各种辐射，并造成不同程度的损伤。早在1 9 6 2 年7 月9 目的“s t a r f i s h ”一次大气层外核爆炸试验后不久，第一颗通信卫星t e l s t a r - i 被发射升空但很快就因故障失效了，这是由于核试验引起的辐射带高能粒子通量的大幅增加所造成的；根据统计，在1 9 7 1 年2 月至1 9 8 6 年1 1 月期间美国卫星发生的1 5 8 9 次异常事件中7 0 与空间环境有关。1 ；而我国的地球同步轨道通信卫星由空间环境引发的故障占总故障的3 8 1 伽。作为空间环境的重要组成部分，空间高能带电粒子环境对人类在太空和近地空间中的活动有十分重要的影响。1 9 5 8 年v a na l l e n 等利用安装在e x p l o r e r - 1 ，2 卫星上的盖革计数器发现在外层空问存在一个特殊区域，其中充满被地球磁场捕获的高能带电粒子，此区域被称为辐射带。近地空间中高能带电粒子还可能来源于宇宙线，包括银河宇宙线和太阳宇宙线及异常宇宙线。由高能带电粒子和高温等离子体组成的空间辐射环境所引起的充放电效应、总剂量效应和单粒子效应最容易引发航天器异常而备受关注。最近几年，人们对星载电子设备的辐射效应越来越担心。有关重离子和质子引起的航天器电子设备故障不时有所报导。法国地球资源卫星s p o t l 星上计算机存储器在轨道工作的头3 5 年期间共发生1 1 次单粒子翻转( s e u ) 事件，平均每年3 5 次，通常每次s e u 影响卫星工作1 3 天，采取的对策是每1 5 天对存储器转储一次。美国林肯试验卫星一9 由于s e u 使指令寄存器发生位翻转，并且s e u 不是总发生在一个寄存器上，结果使陀螺漂移超出规定值，严重干扰了卫星的正常运行。我国发射的风云l 号气象卫星由于缺乏辐射防护的经验，也经受了重大挫折。随着电子设备集成度不断提高，器件尺寸不断缩小，星载电子设备越来越复杂，电子系统更易受瞬态故障的影响。据预测”1 ，地面计算机设备中发生的瞬态故障率为永久性故障率的1 0 5 0 倍；而在空间环境中，因重离子和质子引起的星上电子器件单粒子翻转( s e u ) 的瞬态故障率则为永久故障率的1 0 0 0 倍。因此，在航斤载电子设备辐! i 防护关键技术研究天器电子系统设计中不仅要考虑辐射的总剂量效应，还要研究空间高能粒子所引起的单粒子翻转效应。地球轨道航天器可能受到地球辐射带内高能粒子的轰击，还可能受各种宇宙射线、太阳耀斑产生的粒子和在行星际介质中各种高能粒子的轰击。空间自然辐射环境与太阳活动周期和地球附近各种活动因素密切相关。在太阳活动周期中，空间环境的辐射通量可能改变一个数量级，而太阳耀斑则可能使粒子辐射通量增加几个数量级。正因为星际空间飞行存在严重的辐射危险，对载人航天的辐射防护提出了新的挑战。低地球轨道的载人航天，辐射防护一般采用质量屏蔽的方法，而星际空间飞行则需考虑物质防护的有效性，一般来说，低原子序数的物质比高原子序数的物质防护更有效，利用液氢的屏蔽效能最好，但存在系列技术利可靠性问题。水的防护效能尽管比氢差很多，但与铝相比更为有效。因此，合理可行的载人航天器防护设计、发射时间的合理选择、发展太阳粒子事件的预报技术、研制航天员身体的局部防护装备、航天员对辐射危险的易感性选拔以及研制高效低副作用的辐射防护药物构成未来载人航天辐射防护的基本任务。载人航天期间，航天员必然暴露于空间辐射源，为降低空间辐射给航天员带来的健康危害，急性的或远期的效应，需要采取一定的辐射防护措施。载人航天的辐射防护应充分汲取和借鉴地面辐射防护的技术和经验，在航天辐射危险分析的基础，结合航天的具体条件，设计合理可行的辐射防护方案，并在空间飞行的实践中对方案的合理性和有效性迸行评价。因此，对于空间辐射的防护，既需要了解地面辐射防护的知识和技术，又需要了解载人航天实践中可能采取的辐射防护途径。1 2 空间辐照防护的研究意义随着科学技术的发展，特别设空间科学技术的发展，空间辐射环境与电子设备的关系越来越密切由于空间高能带电粒子可以穿透表面进入航天器内部，造成电子设备材料和生物物质的辐射损伤，引起飞行器异常或故障，甚至失效。所有这些都是由航天器内外的高能粒子产生的电离辐射剂量所决定的。因此，为了确保飞行器系统的安全和正常工作，在航天器设计阶段开始就必须对空间高能带电粒子在航天器内外产生的电离辐射剂量给出预测，以便采用相应的器件、恰当的防护措施。本课题的研究主要服务于空间环境下的航天飞行器的设计和使用。我们要能够计算航天器电子设备机箱内部各种电子设备遭受的电离辐射剂量及电子设备机箱箱体对空间电离辐射的减弱程度。用于航天器抗辐照总剂量器件、功能材料的筛选和防护，以供星载电子设备的正常工作等参考。航天电子器件工作在复杂的空间环境中，其中充满各种高能带电粒子和各波第一章绪论段的电磁辐射，如高能质子、电子、中子、离子和无线电波、微波、x 射线、v 射线等，它们会给航天电子器件带来严重的辐射损伤和电磁干扰，是航天器故障和失效的重要诱因。如高能带电粒子通过电离辐射作用是半导体器件s i o ：绝缘层中的电子一空穴对增加，导致m o s 晶体管的阈值电压漂移、双极型晶体管增益下降；产生使微电子器件逻辑状态改变的单粒子翻转事件和使c m o s 组件发生可控硅效应的单粒子锁定事件：高能粒子穿越具高折射率的光学材料时产生切伦柯夫辐射效应，使背景出现不该有的亮点等。随着航天器中大规模集成电路及c c d 相机等辐射敏感组件的广泛使用以及载人航天和高科技有效载荷对高安全性、高可靠性和高精度的要求，对辐射防护和电磁屏蔽提出了新的、更高的要求，除了从微电子器件设计的角度采用各种抗辐射加固技术外，研究既能够抗辐射、又具有电磁屏蔽作用的新型材料也具有重要的意义。1 3 国内外研究现状常见的电磁屏蔽材料主要包括金属材料、表层导电型屏蔽塑料( 导电涂料、贴金属箔、金属熔融喷射、非电解电镀等) 和填充复合型屏蔽塑料( 填充导电纤维或超细金属粉末) 等。此外，新发展的还有非晶体软磁材料、发泡金属、纤维织物类复合材料等。电磁屏蔽材料的屏蔽效能由三部分组成，一是电磁波通过屏蔽体表面时，由阻抗突变引起的电磁波的反射损耗；二是电磁波在屏蔽体内部传输时，电磁能量被吸收的损耗；三是电磁波在屏蔽体的两个界面问多次反射时须考虑的多次反射修正系数。屏蔽体的屏蔽效能与屏蔽材料的导电率和磁导率及背屏蔽电磁场的频率有关，在近场范围内还与屏蔽体和场源的距离以及场源的性质有关。某些金属或合金是电的良导体，如铜、铝等，对高阻抗电场有很好的屏蔽作用，但对低阻抗磁场的屏蔽却不够理想：而有些金属或合金，如铁、坡莫合金等却对低阻抗磁场有良好的屏蔽作用。为在较宽广的频率范围内部有好的屏蔽作用，屏蔽材料应是高电导率材料的组合。屏蔽体的屏蔽效能除与材料本身性能有关外，很大程度上还取决于屏蔽体的结构，具体的讲，就是屏蔽体上的导电不连续点，如各种孔洞、缝隙等。为了取得良好的电磁屏蔽效果，必须从屏蔽材料和屏蔽体结构设计两个方面加以考虑。经大量研究表明，能对射线进行有效地吸收的材料都是一些密度和原子序数较大的材料，如铅、钡等均是优良的防射线材料。然而铅、钡等材料密度很大，单纯采用这些金属作为辐射屏蔽材料势必极大增加航天器的重量。国外在该领域开展工作较早，对于很多问题都开展研究，并积累了大量的实验数据。美国在该领域开展研究的几个主要研究机构包括：s a n d i a 国家实验室、海军研究实验室( n r l ) 、l o s a l a m o s 国家实验室以及国家宇航局( n a s a ) 等几星载电子设备辐照防护关键技术研究个研究中心如l a n g l e y 研究中心、g o d d a r d 太空飞行中心、j o h n s o n 飞行中心等。空间辐射环境模型方面，见诸报道的空间辐射环境模型研究的较新成果有空间环境信息系统s p e n v i s ( s p a c ee n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ) 。s p e n v l s 是由欧洲空间局( e u r o p e a ns p a c e a g e n c y ) 提供的基于w w w 的一个工具，能过向空间科学家和工程师们提供关于空间环境及其可能效应的信息。对于给定的一次飞行，s p e n v i s 计算宇宙飞船的轨道及轨道环境。空间粒子辐射效应的研究成果有c r e m e ( c o s m i cr a ye f f e c to nm i c r o e l e c t r o n i c s ) 应用软件，只要用户输入轨道参数、环境、年、能量范围等即可输出翻转率的列表、辐射粒子能谱、l e t 谱等。其中据所搜集到的相关文献中看到，国外从事的工作内容有：j w h o w a r d ，和d m h a r d a g e 等人研究了空间辐照环境及空间辐照环境对电子设备的影响，讨论了总剂量损伤、位移损伤和单粒子事件三种由于空间辐照对电子设备带来的伤害。阐述了飞行器在其工作寿命中总电离剂量损伤和位移损伤对电子设备中积累的损伤是不断增加的。单粒子事件效应的研究表明空间辐照环境在飞行任务的一开始就会没有预示的对电子设备造成冲击，导致电子设备存储系统的损坏，导致灾难性后果”1 。a h j o h n s t o n 研究了射线对现代电子设备和光电子设备造成的损害，其中以质子和电子对电子设备造成的电离剂量损伤和位移损伤为主要危害。在电子设备的测试阶段或应用于空间环境中，低剂量率粒子引起的巨大电离损伤会造成电晶体和集成电路的晶体降格，导致电子设备的使用失效。空间辐照粒子对光电子设备造成的位移损伤是产品研发时必须注意的问题，一些光学辐射表面和光学水声探测器的线性集成电路对粒子造成的位移损伤也非常敏感”1 。相关的研究工作国内是近几年才逐渐开展的。从文献报道来看，研究单位主要有：2 1 所、中科院空间科学与应用研究中心、中科院兰州近物所、国防科技大学等，主要致力于空间辐射环境和辐射效应研究，研究领域从实验到数值模拟都有了一定的进展。中科院空间科学与应用研究中心的空间环境效应产品和服务有：航天器轨道寿命及衰变率计算、航天器充电电位计算机模拟、航天器主动电位控制模拟、高电压太阳电池阵的电流泄漏的计算、电离层等离子体对航天器电波传播影响的估算、航天器内外电离辐射剂量计算、单粒子翻转率预测计算、器件单粒子效应测试、高能带电粒子对太阳电池帆板损伤的计算。纵观国内外在星载电子系统辐射加固技术领域的理论研究和工程实践中所取得的成果与经验，可以发现，星载电子系统辐射加固技术主要从下列三种技术途径着手：( 1 ) 对集成电路器件进行实质性加固，使器件本身耐辐射；( 2 ) 对集成电路器件进行辐射屏蔽，力图在辐射到达器件之前就将其屏蔽在外：第一章绪论( 3 ) 采用软硬件相结合的故障检测和恢复技术，容许辐射轰击器件，但能使器件从辐射影响下恢复正常工作。可见，国内外对辐射防护的研究主要侧重于对电子设备微电子元器件、电子设备组件、大规模集成电路等方面的辐射防护的研究，主要是对电子设备器件抗辐射防护材料的选择、加工工艺等各种抗辐射加固技术的研究，而很少有对空间电子设备箱体材料和结构进行系统研究的。1 4 本文的研究内容抗辐照的屏蔽防护大多数情况下采用质量屏蔽，质量屏蔽往往是屏蔽的是辐射源，通过屏蔽辐射源使其辐射强度在其入射过程中逐渐损失其能量来减小它对其它物体的损害。这种情况是应用于辐射源形状和几何尺寸不大的情况下，而在太空环境条件下，辐射源的形状和几何尺寸是未知的，况且太空中的辐射源并不是单一的质子、中子、a 、t 5 粒子和x 、y 射线，而是它们的混合，因此，屏蔽辐射源来阻挡它们则很困难且不可行，因此，要对被辐射物体进行屏蔽防护，使其内部的设备能够正常工作，绝大部分是对辐射源进行屏蔽，很少有对被辐射设备进行屏蔽的。因此，要研究空间电子设备的辐射防护意义重大而且难度较高。本文着重研究在太空辐射环境下，基本的辐射类型以及在主要辐射环境下电子设备的防护措施和度量，以保证电子设备能够正常工作。根据以上的研究状况和研究方向，本论文将围绕着在太空环境下，大型空间电子设备的辐射环境以及针对这样的辐射环境电子设备所遭受的辐射剂量和防护辐射的有效办法，本文可以开展以下几个方面的内容：( 1 ) 对当前阶段电子设备辐照防护的研究与应用现状进行综述，介绍了当前国内外的相关研究发展研究动态。( 2 ) 分析和总结空间电子设备辐照防护的研究的基本方法，对所涉及到的一些概念等进行介绍。( 3 ) 介绍了空间辐射环境的基本状况，针对特定空间飞行轨道的具体辐照剂量进行搜集整理，开展空间电子设备辐照防护研究的理论基础，最后制定空间辐照环境下星载电子设备辐射防护的基本方案。( 4 ) 在空间六种具体飞行轨道的辐照环境下，针对星载电子设备被单能量主要辐射源辐照，采取单板质量屏蔽进行建模，用m a t l a b7 0 编制计算程序，进行计算。( 5 ) 并用m a t l a b7 0 中的g u i 编制用户使用界面，使用户使用起来更加得方便，操作起来更加得简单，对于计算结果的查询更加得一目了然。6斤载电子设备辐照防护关键技术研究( 6 ) 并将计算结果进行分析比较出在六种典型轨道下屏蔽效果最好的屏蔽材料。第一章空间辐照防护技术及设计要求第二章空间辐照防护技术及设计要求2 1 空间辐照防护技术空间恶劣环境下要求电子设备正常有效的工作，发挥其作用，辐照防护就必不可少，与地球上的辐照防护有些不同，空间环境下主要是外照射，而在地球上一般采用以下方法来进行防护：( 1 ) 时间防护：在外照射中，外照射累积剂量与照射时间成正比。因此在不影响目标设备正常工作的情况下，应尽可能的减少目标设备在辐射源旁边停留的时间：( 2 ) 距离防护：点状辐射源所产生的辐照强度与距离的平方成反比。在条件允许的情况下，尽可能远离辐射源。离辐射源距离稍远一些，可使受到的照射剂量显著减少：( 3 ) 屏蔽防护：在实际工作时单靠时间防护和距离防护，往往达不到安全的要求，因此根据射线通过物质其强度会被减弱的原理，在辐射源与被辐射物体之间放上屏蔽物，以减少或消除辐射源的照射。屏蔽射线常用材料，对x 或g 射线的常用材料有铅、铁、混凝、水、砖、石、泥土等。屏蔽中子的常用材料有水、石蜡、有机玻璃、聚乙烯、聚氯乙烯、石膏和高岭土等。屏蔽8 射线的常用材料有铝、玻璃、有机玻璃等。在地面条件下主要是采取利用屏蔽材料包围辐射源的方法进行屏蔽，而在宇宙飞行条件下进行屏蔽具有不同的特点。第一，在宇宙飞行条件下不能采用所谓的距离防护。由于各种电子设备局限在较小的空间里，不能在辐射源与防护目标之间形成足够的防护距离，从而排除了采用距离防护韵可能性( 在地面条件下可广泛地使用) 。第二，在宇宙飞行条件下不能采用所谓的时间防护。因为宇宙飞船在飞行时始终受到外电离辐射环境的照射。因此，各个舱室对宇宙射线的防护性能是不同的。每个舱室沿外表面的物质量分布也是不均匀的。所有这些导致飞船舱室内辐射水平不同，每个舱室内的剂量空间分布不均匀。这样，宇航员活动舱内各点的辐射水平有差别，而且随时问变化。在宇宙飞船航线很恶劣的辐射状况下( 例如在强大的太阳激发伴生高能质子流时) ，必须相应地限制宇航员在屏蔽较差的舱室里停留的时间，更不能在飞船外广阔的宇宙空间罩逗留，空日j 电离辐射的防护和地面有所不同，它受到许多条件的制约，最重要的制约是航天器的载荷重量限制，增加l t 有效载荷所需要的费用星载电子设备辐照防护关键技术研究是相当昂贵的，而且运载能力也限制了发射的总载荷重量。空间电离辐射的能量很高，将空| 日j 辐射完全屏蔽掉是不可能的。因此，空间辐射防护的原则也是在合理的条件下，尽量降低星载电子设备接受的辐照剂量，能够使其正常工作。由于在空间辐照环境下，时间防护和距离防护不能够满足需要。所以目前对空间电离辐照环境下航天器内的电子设备的辐照防护主要采用质量屏蔽方法进行屏蔽。因屏蔽物质所具有的密度差异很大而带电粒子的织本领和射程主要与物质的质量厚度有关，质量厚度是用长度表示的厚度与物质密度的乘积，常用单位是g c m 。质量屏蔽方法是当前载人航天辐射防护所采用的基本方法。质量屏蔽方法的原理是：带电粒子在贯穿物质的过程中逐渐损失其能量，最后捕获足够数目的电子而停止下来。当屏蔽物质的厚度大于某种带电粒子在该物质中的射程时，入射粒子将被阻止在物质中。因此，一定厚度的物质能够屏蔽一定能量范围( 取决于粒子的种类) 的粒子辐射，并使贯穿粒子的能量有所降低。从空间辐射防护考虑，最合理的屏蔽质量分布应是各向均匀分布，所以更有效的防护方案是利用航天器舱内各种仪器、设备、燃料、储存食物和水等物质进行合理地布局，使电子设备周围有大体均匀的质量屏蔽厚度，这一方案可有效地降低电子设备接受的辐射剂量。2 2 辐照防护设计的主要任务辐照防护设计的主要内容是要详细的定出屏蔽层的几何形状、组分和密度。为了能设计出高效能的屏蔽，必须要有经验。虽然需要考虑到高能电子会产生只有贯穿能力的x 射线( 韧致辐射) ，但对裂变碎片、离子和电子进行屏蔽是容易的，因为它们在固体或液体物质中的射程不大( 几微米到几毫米) 。减弱x 射线和y 射线可采用密度大的尤其是高原子序数的物质，如铅或铁，或者用混凝土。热中子是容易被吸收的，尤其容易被某些像硼之类的物质所吸收。在像水、塑料或混凝土这类物质中，快中子通过与氢原子的碰撞被慢化。与中于屏蔽有关的一个问题是，中子的俘获或非弹性散射会生成次级y 射线，因此屏蔽层必须含有能减弱这些y 射线的物质。实际的屏蔽层通常有人孔、敷设管线和电缆的贯穿孔，以及类似的结构。另外考虑到加工误差和膨胀可能会留下一些间隙，这就造成y 射线和中子的浅漏，并使屏蔽层产生局部“短路”。屏蔽分析是按前面所说的步骤进行的。屏蔽层的组合原则包括工程和经济观念，以及反复的逼近计算、剂量的限值或其它的设计标准等。若已经知道单位厚度屏蔽层所能减少的剂量值，则对逼近计算处理是有益的。第二章空间辐照防护技术及设计要求9离子、电子的屏蔽较容易，因为他们在固体或者液体中的射程不大一般是几微米到毫米，减弱x 射线、y 射线和采用密度大的，尤其是高原子序数的物质( 例如，铅、铁或混凝土) ，中子是最容易被吸收的。由于高能质子占了宇宙射线的重要份额，同时高能质子的辐射损伤又有成为衡量带电粒子辐射损伤程度的基准的趋势( 如高能重粒子的单粒子效应往往根据质子的单粒子效应进行推算) ，因此开展高能质子对电子学元器件辐射损伤研究具有特殊重要的意义，是保证航天计划安全实现的迫切需要。2 3s p a c e1 l a d i a t i o n5 0 软件介绍现在国际上比较流行也比较成熟的空间辐射计算软件是s p a c er a d i a t i o n ，此软件1 9 8 9 年就已经有所构思应用于m s d o s 系统的1 0 版本1 9 9 0 年就面市了，现在已经发展到了s p a c er a d i a t i o n5 0 后，世界各地的工程师使用该软件来模拟空间环境和效应s p a c er a d i a t i o n5 0 是广泛使用于所要计算的模型暴露于下述空间环境的防辐照设计工具。1 由v a n a l l e n 带、太阳耀斑、银河宇宙辐射造成对空间系统的危害；2 大气中子对飞机和发射物造成的危害：3 人工辐射源对各系统的危害。通过该软件可以估计总剂量、单粒子翻转、太阳电池损伤、闭锁、电子位移损伤。通过软件将全面简化轨道，辐射传递，辐射计算。用户可以通过在个人电脑上进行简洁的操作就可以得到精确的结果。s p a c er a d i a t i o n5 0 是针对w i n d o w s 操作系统开发的，拥有使用用户所期待的各种方便快捷的功能，例如：1 熟悉的菜单结构；2 参数检查对话框；3 多任务处理( 同一时间进行多任务处理) ：4 键盘和鼠标输入；5 输出可以采取剪贴板、磁盘、打印形式；6 超文本激活的全面的帮助文件。该软件安装步骤简单，并拥有大量的工业环境辐射的标准模式，标准空间辐照模式包括：1 a p 一8 捕获质子模型；2 a e 一8 捕获电子模型；3 c r e m e 宇宙辐射模型；犀载电子设备辐照防护关键技术研究4 j p l1 9 9 1 太阳质子模型；5 1 g r f d g r f 磁场模型；6 电子、质子和重离子的总剂量；7 人类暴露剂量当量。所有的计算参数分别存入数据库，这些参数还可以检索，此操作意味着所有的计算结果均完全存储并可供软件使用者重复调用。数据库内容包括很多便利：1 向研究者供详尽的报告；2 任何计算文件、图形都可以通过文本或者w o r d 形式打印输出：3 实时为文件信息做好档案，其中包括计算模型状态、为模型建立日期和时间、尺寸、位置、视图等信息参数；4 可在在现有文件中查看或者更改参数；5 现有文件的复制功能，使一些相似计算变得简洁；6 双击文件名激活文件功能。用s p a c er a d i a t i o n5 0 软件计算的质子通亮一能量原始能谱如图2 1 所示，图2 1 俘获质子流量积分谱此软件可以模拟空间具体的辐照环境，为载人航天器的宇航员、星载电子设备所遭受的空间辐照源中所含的粒子类型、粒子能量、粒子通量做出了预测，为航天器试制研究、发射做出了预测，减少了航天器的失效，为宇航宇航员的人体安全提供了有效保障。第一二章空间辐照防护技术及设计要求佃足由于此软件只对电子设备所遭受的辐照剂量做出预测，根据a p l 至a p 8( 质子8 种模型) 、a e 一1 至a e 一8 ( 电子8 种模型) 和具体空间事件对质子剂量、通量做出预测。但是如果具体的空间环境的辐照剂量超过电子设备的极限吸收剂量，电子设备就会遭到破坏以致工作失灵，仅仅做出预测只是模拟了空间环境，不能对航天器中的电子设备提供具体的辐照防护方案，以确保星载电子设备对正常工作。本文构思了针对星载电子设备的具体模型，计算保证电子设备正常工作所需的屏蔽材料及厚度，为用户编制具体计算程序及用户使用界面。第二章空问辐照环境及辐照计量学基础1 3第三章空间辐照环境及辐照剂量学基础3 1 天然空间辐照环境载人航天的辐射防护必须了解与之相关的空间辐射源。空间电离辐射是由带电粒子、不带电粒子( 中子) 和高能电磁辐射组成。带电粒子是空间辐射的主要成分，中子是空间带电粒子与航天器材料发生核作用的次级产物以及部分大气反照中子，高能电磁辐射包括太阳电磁辐射成分和带电粒子所产生的韧致辐射。带电粒子可能带正电荷( 质子，a 粒子和重离子等) ，也可能带负电荷( 电子) ，而带正电荷的粒子因为原子的电子被完全剥离，其正电荷数一般等于它们的原子序数。高能电磁辐射由x 射线和y 射线组成，x 射线比y 射线能量低一些。般来说，z射线产生于高能电子与重元素内壳层电子的相互作用或是经靶材料原子核库仑场的偏转，而y 射线起源于受激发较重元素的退激过程。彳?飞警翻麓予羹胍v图3 1 空间辐射源的能量分布空间电离辐射源分为天然辐射源和人工辐射源两类。天然辐射源主要包括银河宇宙辐射( 亦称银河宇宙线) ，太阳粒子事件( 亦称太阳质子事件) 和地磁捕获辐射( 亦称地球辐射带) 。天然辐射源及能量分布见图3 1 0 1 。辐射源中的太阳风质子和极光电子能量很低，易于防护，在一般航天轨道的辐射环境中重要性较小、人工辐射源是航大器载荷中使用的辐射源，如用作功率源的核反应器、航天器返回着陆用的y 射线测高仪、空间科学实验仪器的校准源和实验用的放射性核素等。在地磁捕获的电子带中也有一部分是由过去高空核爆炸( 如“s t a r f i s h ”核爆) 注入的能量较高的人工电子。4星载电子设备辐照防护关键技术研究3 1 1 银河宇宙射线银河宇宙辐射( g a l a c t i cc o s m i cr a d i a t i o n ) ，亦称银河宇宙线，是载人航天必然暴露的重要辐射源之一。未曾与航天器材料发生核作用的银河宇宙辐射称为初级宇宙辐射，与航天器材料发生核作用后在舱内产生的次级粒子成分称为次级宇宙辐射。银河宇宙辐射的主要成分是约占8 3 的质子( 氢核) ，约占1 3 的q 粒子( 氦核) 以及约占1 的重离子，重离子是电荷数大于2 的元素周期表中其它元素的原子核( h i g hza n de n e r g y ，h z e ) 。银河宇宙辐射的粒子能谱范围很宽，质子的能量由大约1 0 5 e v 到1 0 ”e v 或更高，在地球磁场外的空间，银河宇宙辐射e ) 3 0 m e v的粒子注量率在太阳活动极小年约为4 5c m s 1 ，在太阳活动极大年约为2c m - i s 1 ，注量率较高的粒子能量范围是( 1 0 2 1 0 5 ) m e v ，因此贯穿能力极强，一般质量厚度( 以g - c m 2 表示的厚度) 难以屏蔽，峰值出现在1 0 0 0 m e v 粒子处。1 ，一般认为高于1 0 0 m e v 的质子主要来源于银河系，较低能量的主要来源于太阳。能量大于1 0 0 m e v 的初级宇宙射线的空间分布是各向同性的，粒子注量率约为l c m q s l ，在5 0 k i n 高度以上注量率随高度几乎没有变化，说明此时全部是初级宇宙射线，5 0 k i n 以下当初级宇宙射线进入大气层后，通过各种作用，将能量分散给许多带电和中性粒子，即为次级宇宙射线。次级宇宙射线主要是硬性部分( 肛介子和重核子) ，少量为软性部分( 以正负电子、光子为主) 。随着高度从5 0 k i n 下降，字宙射线的强度很快上升，在2 0 k m 处为峰值，之后，随着这些次级宇宙射线被空气吸收，强度又很快下降。到了海平面，初级宇宙射线约占5 ，次级宇宙射线路硬性部分约占3 2 ，软性部分约占6 3 。当银河宇宙辐射带电粒子进入地球磁场后，由于受到磁场力的作用，其运动轨迹发生偏转，致使部分能量较低的粒子被磁场捕获而不能到达地球表面。由于磁场力是随地球纬度变化的，故银河宇宙辐射注量率也出现随地球纬度而发生变化的纬度效应。一般来说，对于相同的轨道高度，纬度越高，粒子注量率越高，子区域。3 1 2 地磁场捕获辐射带地球辐射带是指在近地空间被地磁场捕获的高强度的带电粒子区域，常称地磁捕获辐射带、由于地球辐射带1 是美国学者v a n a l l e n 首先探测到的。所以也称它为v a n a l l e n 辐射带，她球辐射带是载人航天遇到的重要辐射环境之一。南大西洋负磁异常区的地磁捕获辐射是低地球轨道的重要辐射环境而登月飞行或火星探险则将短时间地穿越地球内、外辐射带。地球辐射带大致结构如图3 2 j 2 所示。第三章空间辐照环境及辐照计量学基础1 5根掘辐射带的结构和空间分布分为内辐射带和外辐射带，根据人工核爆炸造成的辐射带和自然形成的辐射带又分为天然辐射带和人工辐射带。1 内辐射带内辐射带是靠近地球最近的捕获带电粒子区域，主要由质子和电子组成，内带主要由3 0 m e v e p 1 0 0 m e v 的质子组成，位于6 0 0 1 0 0 0 0 k m 高度之间并向地球赤道两侧伸展约4 5 0 的位置，辐射强度随高度变化，最高达3 x1 0 4 c i n 2 s 一。能量高于3 0 m e v 的质子主要在0 5 个地球半径高度以下“”，而典型的卫星壳体能屏蔽能量小于1 0 m e v 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照破坏尤为严重。中心位置随粒子能量大小而异，一般是低能粒子的中心位置离地球远些，高能粒子的中心位置离地球近些，内带质子受太阳活动影响不大，即使发生磁暴时，其强度和中心位置也无显著变化。图3 2 地球辐射带不意图2 外辐射带离地球较远的捕获带电粒子区域称外辐射带。它的空间范围在赤道平面内外辐射带的平均位置离地面约1 0 0 0 0 k m 6 0 0 0 0 k m ，其中心强度的位置离地面约2 0 0 0 0 k m 2 5 0 0 0 0 k m 。外辐射带主要由电子和质子组成，而质子的能量很低，通常在数兆电子伏以下，外带电子强度是内带的1 0 倍左右，能量高于0 2 k e v 的杜阿德电子最大注量率约4 l o c m - 2 s ，其强度随能量增加而迅速减小“，在地球同步高度上能量大于2 m e v 的质子通量已比银河宇宙线通量小一个数量级。在外辐射带中电子的最高能量达7 m e v i l ，而在内辐射带中电子的最高能量为5 m e v 能量大于1 m e v 的电子的通量峰值在3 倍地球半径至4 倍地球半径之间。所以外辐射带主要是一个电子带。外辐射带受太阳活动的影响很大，磁扰时，外带粒子的强度和位霄都有显著变化。3 南大西洋异常区低地球轨道( l o we a r t ho r b i t ，l e o ) 载人航天的一个重要电离辐射环境是南星载电子设备辐照防护关键技术研究大西洋异常区( s o u t h a t l a n t i c a n o m a l y ，s a a ) ，南大西洋异常区其实是内辐射带的一个负磁异常区在负磁异常区内辐射带离地面高度降低，南大西洋上空内( 西经o o 6 0 0 ，南纬2 0 。5 0 0 ) 辐射带下降到最低点，离地面的高度在2 0 0 k m 左右，故常称此区域的辐射带为南大西洋异常区。由此可见，即使是轨道较低的航天器，也有可能穿越内辐射带。对于同样高度，这里的辐射强度比全球其他区域高得多。4 人工辐射带人工辐射带主要是由高空核爆炸产生的、被地磁场捕获而形成的人工电子带，主要集中在内辐射带内。高空核爆炸是从1 9 5 8 年8 月至1 9 6 2 年1 1 月间进行的，造成人工辐射带电子的主要核爆炸是1 9 6 2 年7 月9 日的“s t a r f i s h ”核爆炸。这种人工电子的能量一般高子0 6 9 m e v ，它的强度随时间不断减少，到目前早已衰减完了。5 天然辐射带除去入工辐射带的粒子之外，自然形成的辐射带称为天然辐射带。目前人工辐射带的粒子已经衰变完了，剩下的只是天然辐射带。3 1 3 太阳质子事件太阳色球层有时发生局部区域的短暂增亮现象，称为太阳耀斑。太阳耀斑一般持续近( 3 0 5 0 ) m i n ，伴随太阳耀斑发射高强度的电磁辐射和高能带电粒子流，由于这一带电粒子流的主要成分是质子，故称为太阳质子事件( s p e ) 或太阳爆发，如图3 3 。仅有部分太阳粒子事件产生大的高能粒子能够到达地球空间，这与爆发发生在太阳表面的位置有关。图3 3 太阳质子事件太阳发射的高能粒子辐射主要是质子和电子，其次是粒子，能量一般为第二章空间辐照环境及辐照计量学基础( 1 0 1 0 0 0 ) m e v ，z ) 2 的粒子较少可以忽略。它们的能量略低于银河宇宙射线，约在3 0 m e v 左右，但注量率要高得多，约达1 0 6 c m2 s 一。一次耀斑期1 1 日】的累积注量率可约达1 0 9 c m - 2 s 。太阳宇宙射线的能量比银河宇宙射线的能量低受地磁场的影响更大，因而强度受纬度的影响也更大。在行星际空间还存在太阳风，即由太阳发出的一股恒定的带电粒子( 质子和电子) 流。彗星的气态长尾巴点背离太阳方向就是受到太阳风的影响，太阳风在地球平均距离处之风速约为4 0 0 k m s ，注量可达1 0 9 c m q s 一，粒子之能量约为2 x1 0 3 e v ( 质子) ，2 e v ( 电子) 。太阳风的强度和太阳的活动强度相距太阳的距离而变化。太阳风会使地球的地磁场发生扭曲，即向阳面的磁场受到压缩，而向背阳方向展伸，一般以地磁场能对低能等离子体和带电粒子运动支配作用的空间称为磁层。磁层可以认为从电离层e 层( 约1 4 0 k m 高度) 至6 0 0 0 0 k m ( 约1 0 倍地球半径) 之间，其外边界称为磁层顶而磁层顶与太阳风阵面之间称为磁套。在被扭曲的磁层中，在地球背向太阳侧存在一个长尾巴一等离子体带，它虽然不太可能造成电子系统的损伤、但会产生噪声而影响电子系统的信号接收性能。3 2 与飞行轨道相关的电离辐射环境航天器内部辐射环境不仅与所处轨道的空间辐射环境有关，同时也与航天器壳体材料与厚度相关。航天器壳体不仅能阻止部分粒子进入舱内，同时对进入舱体内的粒子也起到能量衰减改变粒子能谱分布，并且有可能导致次级粒子的产生( 如电子在壳体材料中受阻止产生韧致辐射x 射线等) 。其中与飞行轨道相关的电离辐射环境如下“”：1 低倾角低地球轨道( 倾角小于5 7 度，高度低于5 0 0 k m ) ：轨道辐射环境主要是南大西洋异常区( s 从) 的捕获辐射和银河宇宙辐射，几乎不受太阳粒子事件辐射的影响。由于轨道不通过高纬度地区，银河宇宙辐射的贡献较小，通过异常区暴露的捕获辐射占主要地位。辐射暴露剂量十分依赖于轨道高度，随轨道高度的增加，暴露剂量迅速增高。此类轨道的地球磁场提供了有效的屏蔽作用，因此几乎不受太阳粒子事件粒子辐射的影响。2 高倾角低地球轨道( 倾角大于5 7 度，高度低于5 0 0 k m ) ：此类轨道由于穿越高纬度地区，银河宇宙辐射和高纬度区捕获辐射的影响增大。南大西洋异常区( s a a ) 捕获辐射的影响虽然比低轨道小一些，但由于航天器每天穿过s a a3 4 次，捕获辐射的剂量也占有较大的比重。由于高纬度地区的磁屏蔽的减弱，太阳粒子事件对通过该区域时的载人航天器将产生重要影响，成为航天器星载电子设备需要考虑的一个重要辐射源。星载电子设备辐照防护关键技术研究3 地球同步轨道( 0 度，3 6 0 0 0 k m ) ：遇到的主要辐射源是银河宇宙辐射、外带电子辐射以及太阳粒子事件粒子辐射。由于失去地球磁场的屏蔽作用，银河宇宙辐射比低地球轨道的影响更为重要，外带捕获电子辐射能量较低，易于屏蔽，较大的太阳粒子事件的粒子辐射将对星载电子设备的正常工作构成重要的威胁。4 登月飞行：几乎遇到所有的天然辐射源。虽然登月飞行穿过捕获辐射带的高强度区域，但是由于历经的时间比较短，在航天器的舱内不会形成过高的辐射剂量，对飞行总剂量的贡献并不是很大。银河宇宙辐射持续作用于航天器飞行的全过程，尽管银河宇宙的辐射的注量率很低，但是如果飞行持续很长时间的，也会对星载电子设备造成不可忽视的影响。5 火星飞行飞向火星来回要持续两年以上的时间，轨道远离地球。失去了地球磁场的防护作用，银河宇宙辐射和太阳质子事件构成飞行的主要辐射危险源。3 3 空间辐照剂量学基础空间辐照设计是电离辐射剂量学的一个分支，它研究空间初级和次级电离辐射在物质中的能量转移和沉积的规律以及测量方法学。电离辐射与物质包括生物体发生作用引起受照射物质的物理性质、化学性质和生物学的变化，这些变化在很大程度l 取决于辐射能量在物质中沉积的数量和分布。在辐射生物学中，“剂量”是将辐射沉积能量和分布与辐射生物效应联系起来的一个“桥梁”。因此，空间辐射剂量学是研究空间辐射生物学效应，评价辐射的健康危害。制定空间辐射防护方案和实施航天员剂量监测的重要基础。1 带电粒子在物质中的能量损失带电粒子进入物质后，沿其路径与物质中的原子不断发生核碰撞，逐渐损失其能量。如果物质厚度小于粒子在该物质中的射程，则粒子在物质中损失一定能量后将穿出物质，如果物质相对于粒子射程来说很厚，则粒子将损失掉全部能量而被物质所吸收。带电粒子可通过使物质中的原子激发或电离、弹性核散射和发生核反应等碰撞过程损失其能量。具有能量e 的j 类粒子与物质的碰撞总截面可表示分“”仃，( e ) = 盯0 7 ( e ) + 盯( e ) + 盯( e )( 3 一1 )j，式中。a t ( d 一一与原子电子的碰撞截面( 电离或激发) ，约l o 。6 c m 2 ；口掣( e ) 一一弹性核散射碰撞截面，约1 0 4