电离辐射的防护措施

空间环境充斥着各种带电粒子，带电粒子入射到航天器内部，由于带电粒子具有电离能力，通过电离作用使器件材料原子电离，电离的电子-空穴对被器件敏感节点收集，产生异常信号，导致器件工作异常，最终干扰航天器的正常工作。空间粒子辐射环境包括银河宇宙射线、太阳宇宙射线和地球俘获带，粒子辐射环境效应对航天器的影响主要为总剂量效应和单粒子效应两方面，总剂量效应是大量离子的累积效应，单粒子效应主要是单个高能重离子导致器件功能损伤。为了减少这些空间粒子辐射效应对航天器的潜在威胁，在进行航天器设计和研制时，常常需要采用一些必要的防护措施，对于空间粒子电离辐射效应的防护方法，也存在着被动防护和主动防护两种方式。

1.被动防护

电离辐射被动防护同充放电被动防护原理基本相同，包括电子元器件封装屏蔽和特殊部位质量屏蔽。质量屏蔽方法是基于带电粒子在贯穿物质的过程中逐渐损失其能量，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，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的，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、储存物质和水等进行合理布局，使电子设备周围有大体均匀的质量屏蔽厚度，这一方法可以有效降低电子设备接受的辐射剂量和离子通量。图13-4 所示为使用CREME96 程序计算得到的国际空间站轨道粒子能量谱［11］，屏蔽铝为100 mile，航天器外部屏蔽材料可以有效地降低到达内部电子元器件的粒子通量和能量，将屏蔽层厚度从100 mile 提高到1 000 mile，国际空间站轨道粒子能量谱如图13-5 所示，从图中可以看出低能段的粒子通量明显降低。

图13-4　国际空间站轨道粒子能量谱（100 mile 铝屏蔽）［11］

图13-5　国际空间站轨道粒子能量谱（1 000 mile 铝屏蔽）［11］

2.主动防护

航天器时时刻刻面对着空间粒子电离辐射效应的危害，在进行航天器设计和研制时需要充分考虑空间粒子电离辐射的威胁，设计人员从离子源、效应机理、电子器件材料工艺、单机电路和整星系统等，从多方面、多手段对电离辐射效应进行主动防护，进行航天器及其元器件的主动防护一般有以下几种防护措施。

（1）电场防护：利用电场产生偏压来阻止带电粒子运动或使其发生偏转，对于不同能量电子和种类的离子，需要采用不同的电场方向和强度，一旦电场方向确定，只能对其中一种电性的离子具有防护作用，而对另一种电性的离子不但不能起到防护的作用，反而具有加重损伤的作用，因而电场防护需要权衡利弊，是一种折中的方法，防护效果非常有限。

（2）磁场防护：由于很多带电粒子具有很大的方向性，可以利用磁场来改变入射粒子的方向，以起到屏蔽的作用，主动减小入射到航天器舱体内的离子通量，减小发生电离辐射效应的概率，但同电场防护一样，只能对其中一种电性粒子具有防护作用，需要权衡利弊，防护效果有限。

（3）主动规避：当空间辐射环境极其恶劣，以致航天器设备和元器件工作受到严重影响，这时利用地面遥控或者自动保护系统进行切断电源，在空间环境好转时再重新工作。如在当航天器运行到地磁场的南大西洋异常区时，该区域通常呈现出低地轨道中最浓密的辐射环境，在南大西洋异常区离子有高的能量和通量，在此区域常常出现比其他区域更多的在轨电离辐射效应事件，因而可以通过轨道设计，一方面尽可能使航天器避开电离辐射事件敏感区；另一方面可以通过指令，使航天器运行到电离辐射事件敏感区停机休眠状态，减小发生电离辐照事件在轨率。(www.xing528.com)

（4）容错计算：计算机容错技术（包括双机系统），由于高能粒子的入射而使计算机工作产生错误，利用所设计的容错和纠错性能，可以使计算机工作不受其错误影响或在一定时间内不受其错误影响。

（5）元器件材料和工艺加固：宇航元器件采用具有抗辐射特性的新型材料加固、Si 器件的双极技术和CMOS 技术与元件间的隔离加固技术等，可以对特定的离子辐射效应有针对性地进行加固，如使用GaAs 和InP 等半导体材料改善器件的工作特性的同时提高器件地抗辐射能力；使用HfO2 等高K 栅极介电材料降低栅氧层的有效厚度减小总剂量效应；使用绝缘体上硅（SOI）工艺（图13-6）可以有效消除半导体器件发生单粒子闩锁效应等［12］。

图13-6　绝缘体上硅（SOI）工艺结构

（6）器件电路级加固：航天器材料、元器件、分系统等往往不能满足航天器在轨寿命期间的抗辐射要求，因此，需要对其进行电路级抗辐射加固。通常，抗辐射加固一般针对元器件和电子线路，主要从硬件、软件和结构设计角度进行。

单粒子效应抗辐射加固设计主要通过选用对单粒子效应敏感度低的器件，在电路防护设计方面采用硬件“看门狗”、冗余设计和降额设计，将操作系统内核和与有效载荷安全以及飞行成败有关的程序存放在ROM 只读存储器区，采用对特定工作信号进行监视的软件“看门狗”，三模冗余、主动延迟技术（图13-7）以及DICE 锁存器电路（图13-8）等技术来实现。

总剂量效应抗辐射加固设计主要通过加强电子元器件和材料的选用、给予电子元器件和材料一定的设计余量、加强电子元器件的总剂量局部屏蔽防护以及对航天器内部设备布局进行抗辐射优化设计等措施来实现。

图13-7　主动延迟技术［13］

图13-8　DICE 锁存器电路［14］

航天器抗辐射加固方法随着航天技术的发展相伴相生，抗辐射加固技术经过多年的发展，取得了一系列重要成果，并在航天器中得到应用，为航天器的安全工作保驾护航，通过主被动方式一定程度上减小了在轨辐射事件率，但上述防护方法受航天器的功耗、重量和体积等的限制，防护方法和效果都十分有限，上述防护方法并不能彻底避免航天器在轨事故，仍有航天器在轨事故见诸报道。而且，最重要的是上述防护方法都是基于空间自然环境的粒子种类和能量采取的防护方法，对于面临极端恶劣环境或人造环境，上述航天器防护方法存在可能失效的巨大风险。