高能带电粒子对环境的影响

高能带电粒子环境对航天器的影响［1-3］主要表现在以下几个方面。

（1）辐射损伤效应。辐射损伤效应也称辐照剂量效应，是指高能带电粒子对航天器材料、电子元器件、宇航员及生物样品的辐射损伤。

（2）单粒子效应。高能带电粒子以单粒子方式轰击微电子器件芯片，造成电子元器件，尤其是大规模、超大规模微电子器件产生单粒子翻转、锁定甚至烧毁等一系列单粒子效应。

（3）相对论电子效应。高通量高能电子以近似光速入射卫星，造成卫星内部绝缘介质或元器件电子堆积，引起介质深层充电，导致卫星故障。此外，太阳质子事件和沉降粒子的注入，会导致电离层电子浓度增大，严重干扰卫星的通信、测控和导航。

1.辐射损伤效应

带电粒子对航天器的辐射损伤效应主要表现为以下两种方式［1，16-17］：①电离作用，即入射粒子的能量通过被照物质的原子电离而被吸收，高能电子大都产生这种作用；②原子位移作用，即高能离子击中原子引起原子位移而脱离原来所处的晶格，造成晶格缺陷。

高能质子和重离子既能产生电离作用，又能产生位移作用［1，3］。这些作用导致航天器的各种材料、电子器件等性能变差，严重时会失效。例如，玻璃材料在严重辐照后会变黑、变暗；胶卷变得模糊不清；人体感到不舒服、患病甚至死亡；太阳能电池输出降低、工作点漂移，甚至完全失效。在半导体器件和太阳电池中，电离作用使二氧化硅绝缘层中的电子-空穴对增加，导致MOS金属-氧化物-半导体晶体管的阈值电压漂移、双极型晶体管增益下降，并导致漏电流增加和器件性能降低。位移作用的结果使硅材料中少数载流子的寿命不断缩短，造成晶体管电流增益下降和漏电流增加。这些综合作用也就导致了太阳电池的输出功率下降。此外，带电粒子和紫外辐射对太阳电池屏蔽物的辐射损伤，如使屏蔽物变黑，将影响太阳光进入太阳电池，导致其功率下降。

2.单粒子效应

单粒子事件［1，3］是指单个的高能质子或重离子轰击微电子器件，引起该器件状态改变，致使航天器发生异常或故障的事件。它包括使微电子器件逻辑状态改变的单粒子翻转事件、使CMOS 组件发生可控硅效应的单粒子锁定事件等。

1）单粒子翻转事件(www.xing528.com)

当空间高能带电粒子入射航天器或与航天器舱壁发生相互作用产生的重离子通过微电子器件时，在粒子通过的路径上发生电离，沉积在器件中的电荷部分被电极收集。其结果可能产生两种重要效应：软错误的单粒子翻转效应和锁定效应。当收集的电荷超过电路状态临界电荷时，电路就会出现不期望的翻转和逻辑功能混乱。这种效应不会使逻辑电路损坏，但可以被重新写入另外一种状态，因此，常把它叫作软错误［18］。

单粒子翻转事件虽然并不产生硬件损伤，但它会使航天器控制系统的逻辑状态混乱，从而导致灾难性后果。单粒子翻转效应早在20 世纪70 年代初就已经在卫星上观测到，在以后的各类卫星中也屡见不鲜。

2）单粒子锁定事件

在CMOS 电路（固有P-N-P-N 结构以及内部寄生晶体管）中，当高能带电粒子，尤其是重离子穿越芯片时，会在P 阱衬底结中沉积大量电荷。这种瞬时电荷流动所形成的电流，在P 阱电阻上产生压降，会使寄生NPN 晶体管的基-射极正偏而导通，结果造成锁定事件。锁定时通过器件的电流过大，容易将器件烧毁［2，18］。当出现锁定现象时，器件不会自动退出此状态，除非采取断电措施，然后重新启动。

在低轨道上，虽然宇宙线和辐射带中的高能质子与重离子的通量比其他轨道上的小，但大量的观测结果表明，低轨道上的单粒子事件仍然是影响航天器安全的重要因素，发生区域主要集中在极区（太阳宇宙线和银河宇宙线诱发）和辐射带异常区（南大西洋上空）。

3.相对论电子效应

相对论电子是指速度接近光速的高能电子，具有极强的穿透能力［19］。相对论电子入射介质，不仅会引起辐射损伤和单粒子事件（大于10 MeV），还会产生特有效应——介质深层充放电。由于地球轨道上环境大于10 MeV 的相对论电子通量相当小，引起辐射损伤或单粒子事件的概率并不大，但在人工辐射环境下，这一效应仍然值得重点关注。

在自然辐射条件下，介质深层充放电是当前航天领域危害较大、研究较多的一个领域。区别于表面充放电，介质沉层充放电需要能量达到相对论效应的电子，穿透表面结构达到内部介质上，因此也常常称为内带电（Internal Charging）效应［1-3］。内带电效应一般需要电子的能量大于1 MeV，且具备一定的通量，除了人为环境以外，只有在太阳耀斑爆发、日冕物质抛射、地磁暴或地磁亚暴等强扰动环境下才可能发生。此时大量的高能（MeV 量级以上）电子注入GEO（地球静止轨道）或SSO（极地轨道同步轨道）中，这些电子可以直接穿透航天器表面蒙皮、航天器结构和仪器设备外壳，在航天器内部电路板、导线绝缘层等绝缘介质中沉积，导致其发生电荷累积，引起介质的深层充电［20-22］。

由于航天器内电介质是高电阻绝缘材料，沉积在其中的电子泄漏缓慢。如果高能电子的通量长时间处于高位，介质中电子沉积率会超过泄漏率，其内建电场会逐渐增强，当超过材料的击穿阈值时，就会发生内部放电［22］。同理，对于航天器内部未接地的金属，进入其中的电子不易泄漏，也易于临近设备产生电场，发生放电现象，这一现象也属于内放电领域。放电所产生的电磁脉冲会干扰甚至破坏航天器内电子系统，严重时会使整个航天器失效。