电离辐照防护问题分析与解决方案

在空间自然环境中，能量为100 MeV 或者更高电子的通量相对较小，单个电子的电离能力有限，因而针对电离辐射需要采用的防护主要是防护高能重离子的电离辐射损伤，虽然高能重离子的通量比电子通量更低，但由于单个重离子较高的线性能量转移能力，只要单个高能重离子入射到器件的敏感区域就可导致器件出现单粒子效应，威胁航天器安全。因而针对常规自然环境下，高能重离子引发的电离辐射效应常采用质量屏蔽的被动防护和电路加固的主动防护来减小电离辐射导致的在轨故障概率。

对于质量屏蔽防护方法，质量屏蔽要考虑到高能粒子在屏蔽物中的射程，让粒子的能量消耗到屏蔽物质中，减小入射到器件的离子通量，由于不同能量的电子和离子入射到同种材料中，透入深度与粒子能量、粒子类型及材料特性有关，如图13-9 表征的电子和质子在聚酰亚胺温控层中的透入深度所示。当能量为keV 数量级时，电子和离子只能穿透到接近表面很浅的深度，它们的透入深度没有显著差别；当能量为MeV 数量级时，电子比离子穿透得深，它们的透入深度差别非常明显。由于离子相对电子有较大的线性能量转移，即离子在单位路径上沉积的能量大于相同能量的电子在单位路径上沉积的能量，这就导致了相同能量的离子和电子入射到相同厚度的屏蔽层物质，由于离子损失能量很快，离子不能穿透屏蔽物质，而相同能量的电子单位路径上损失能量小，因而电子在屏蔽物质的射程远远大于实际屏蔽物质的厚度，最终电子入射到航天器内部器件，形成电子大量累积，这些电子通过集体电离作用使器件失效。

图13-9　电子和质子在聚酰亚胺温控层中的透入深度［16］

因而，针对常规的高能离子防护方法对于100 MeV 或更高量级的电子防护效果并不好，甚至完全失效，由于电子的射程大于同能量的离子的射程，为防护离子设计的防护系统对同能量的电子可能失效，使电子到达空间目标内部的敏感电子器件，如果电子沉积到敏感器件上的能量足够大，就会毁伤有效载荷，导致空间目标功能失效。(www.xing528.com)

另外，随着以半导体、集成电路、数字计算机、数字通信等为代表的新信息技术的全面应用，天基目标的技术水平与物理构成发生了巨大变化。空间飞行器中大量使用大规模集成电路、高性能半导体器件等，使飞行器中电子信息设备抗粒子束辐照的阈值越来越低，这为粒子束技术空间应用提供了新的思路。图13-10 给出了35 年来造成无线电电子仪器功能毁伤所需能量（曲线1）及其电路供电电压（曲线2）的动态变化情况［17］。由图可知，从1950 年到20世纪80 年代中期，造成仪器中元器件出现故障而丧失工作能力所需的必要能量从10-2 J 降低到10-9 J，这就导致高集成度集成电路的脆弱性不断增长，这种脆弱性表现在电子仪器设备电路中对强电流的带电粒子束辐射的抗辐照特性越来越差，因而，对于高能大通量的电子束入射到集成电路中通过电离作用导致电子器件失效的概率有可能大大增加。

图13-1　0 造成电子系统损伤的能量特性［17］

因此，当前航天器采用的不管是被动防护，还是主动防护，其都是基于空间自然环境的粒子种类、能量和通量采取的针对性防护方法，对于面临极端恶劣环境或人造环境，如高能高通量电子风暴，上述航天器加固防护方法对其基本无效。