CN103698679A - 一种空间单粒子烧毁效应在轨监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间辐射效应及加固技术领域，具体涉及一种空间单粒子烧毁效应在轨监测装置及方法。该监测装置包括高压直流可编程电源、限流保护电阻R_B、功率MOSFET、电荷灵敏放大器、对数转换器、脉冲高度分析仪；所述电荷灵敏放大器包括限流电阻R_L、反馈电阻R_F、去耦电容C_D、去耦电容C_F、电压保持电容C_H和运算放大器；该监测方法能够实现空间单粒子烧毁的非破坏性测试，为进一步在模拟源条件下获取单粒子烧毁特征参数提供一种可行的非破坏性监测方法，可全面表征单粒子烧毁效应的特征信息，为空间辐射效应防护设计提供参考。

Description

一种空间单粒子烧毁效应在轨监测装置及方法

技术领域

本发明属于空间辐射效应及加固技术领域，具体涉及一种空间单粒子烧毁效应在轨监测装置及方法。

背景技术

空间单个高能粒子与微电子器件或电路相互作用引起的单粒子效应，是诱发航天器在轨故障和工作异常的重要因素之一。单个高能粒子穿透功率MOSFET器件，在器件内部敏感节点产生大电流，从而诱发的单粒子烧毁效应是一种灾难性失效，会对航天器造成严重损伤，尤其对大量应用功率MOSFET器件的星上二次电源系统会造成致命威胁，严重影响航天器在轨长寿命、高可靠飞行。

随着航天技术的不断发展，星用电子器件的功率将不断增大，同时，随着半导体工艺水平的不断提高，器件的工作电压和功率也都在增大，这使得器件对单粒子效应越来越敏感。而对于广泛应用于卫星电源系统的功率MOSFET器件来说，其工作电压和功率的增大，使得器件对单粒子烧毁效应也越来越敏感。因此，在目前卫星高可靠性、长寿命运行的背景需求下，需要对功率器件的单粒子烧毁效应进行实时检测，为卫星在轨管理和辐射防护提供保障。

目前，随着我国“高分辨率对地观测系统”、“二代导航”、“遥感”、“电子对抗及空间攻防”、“载人航天与月球探测”等航天活动的不断进展，对航天器空间环境及其效应分析、试验、防护、评估等新技术提出了更高的要求。现有的单粒子烧毁监测，主要针对单粒子烧毁的监测和防护开展了大量的研究工作，没有把发生单粒子烧毁时脉冲信号进行全面的检测分析，因此，为了满足现有航天器发展的需求，需要设计一种单粒子烧毁监测方法，该方法不仅要实现大电流时脉冲信号计数，记录单粒子烧毁次数，而且也要实现脉冲信号的脉宽、幅值检测，为此，本发明设计了一种适用于空间单粒子烧毁效应的在轨监测方法，通过对数转换器和脉冲高度分析仪，实现了宽动态范围测量和脉冲信号的脉宽、幅值测量，可全面表征单粒子烧毁效应的特征信息。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，设计一种空间单粒子烧毁效应在轨监测装置及方法，该装置能够满足航天器单粒子烧毁效应的在轨管理和防护需求，该方法不仅能实现单粒子烧毁效应的监测计数以及防护，同时也能准确获取发生单粒子烧毁时的脉冲信息（脉宽、幅值），可为航天器在轨管理和防护设计提供依据，也可进一步完善单粒子烧毁效应的地面试验评价方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种空间单粒子烧毁效应在轨监测装置，包括高压直流可编程电源、限流保护电阻R_B、功率MOSFET、电荷灵敏放大器、对数转换器、脉冲高度分析仪；

所述电荷灵敏放大器包括限流电阻R_L、反馈电阻R_F、去耦电容C_D、去耦电容C_F、电压保持电容C_H和运算放大器；

其连接关系在于：所述限流保护电阻R_B的一端与所述高压直流可编程电源相连，所述限流保护电阻R_B的另一端与所述功率MOSFET的漏极D相连，所述功率MOSFET的栅极G和源极S接地线，所述限流电阻R_L的一端与所述功率MOSFET的漏极D相连，所述限流电阻R_L的另一端与所述去耦电容C_D的一端相连，所述去耦电容C_D的另一端分成四路分别与所述限流电阻R_F、去耦电容C_F、运算放大器的反相端和电压保持电容C_H的一端相连，所述限流电阻R_F、去耦电容C_F的另一端与所述运算放大器的输出端相连，所述电压保持电容C_H的另一端、运算放大器的同相端接电线，所述对数转换器的一端与所述运算放大器的输出端相连，所述对数转换器的另一端与所述脉冲高度分析仪相连；

其监测方法在于：步骤一、高压直流可编程电源为所述的功率MOSFET提供偏置电压，使得功率MOSFET处于工作状态。当发生单粒子烧毁效应时，所述功率MOSFET的漏极D和源极S之间通过大电流；所述限流保护电阻R_B限制流经所述功率MOSFET的电流，避免烧毁所述MOSFET；

步骤二、所述限流电阻R_L限制流经所述运算放大器的电流，避免所述大电流烧毁所述运算放大器；所述大电流对所述去耦电容C_D充电，并使所述去耦电容C_D收集电荷形成电压；所述电压通过电压保持电容C_H进行恒定保持，并为所述运算放大器提供输入电压；

步骤三、所述电压通过所述反馈电阻R_F、去耦电容C_F和运算放大器构成的反馈回路对电压信号进行放大处理；

步骤四、经过放大的电压信号经对数转换器进行坐标转换得到宽动态范围的脉冲信号，然后由脉冲高度分析仪获取脉冲信号的脉宽与幅值。

本发明的优点和有益效果在于：能够实现空间单粒子烧毁的非破坏性测试，为进一步在模拟源条件下获取单粒子烧毁特征参数提供一种可行的非破坏性监测方法，可全面表征单粒子烧毁效应的特征信息，为空间辐射效应防护设计提供参考。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明具体实施的技术方案是：一种空间单粒子烧毁效应在轨监测装置，包括高压直流可编程电源、限流保护电阻R_B、功率MOSFET、电荷灵敏放大器、对数转换器、脉冲高度分析仪；

所述电荷灵敏放大器包括限流电阻R_L、反馈电阻R_F、去耦电容C_D、去耦电容C_F、电压保持电容C_H和运算放大器；

其连接关系在于：所述限流保护电阻R_B的一端与所述高压直流可编程电源相连，所述限流保护电阻R_B的另一端与所述功率MOSFET的漏极D相连，所述功率MOSFET的栅极G和源极S接地线，所述限流电阻R_L的一端与所述功率MOSFET的漏极D相连，所述限流电阻R_L的另一端与所述去耦电容C_D的一端相连，所述去耦电容C_D的另一端分成四路分别与所述限流电阻R_F、去耦电容C_F、运算放大器的反相端和电压保持电容C_H的一端相连，所述限流电阻R_F、去耦电容C_F的另一端与所述运算放大器的输出端相连，所述电压保持电容C_H的另一端、运算放大器的同相端接电线，所述对数转换器的一端与所述运算放大器的输出端相连，所述对数转换器的另一端与所述脉冲高度分析仪相连；

其监测方法在于：步骤一、高压直流可编程电源为所述的功率MOSFET提供偏置电压，使得功率MOSFET处于工作状态。当发生单粒子烧毁效应时，所述功率MOSFET的漏极D和源极S之间通过大电流；所述限流保护电阻R_B限制流经所述功率MOSFET的电流，避免烧毁所述MOSFET；

步骤二、所述限流电阻R_L限制流经所述运算放大器的电流，避免所述大电流烧毁所述运算放大器；所述大电流对所述去耦电容C_D充电，并使所述去耦电容C_D收集电荷形成电压；所述电压通过电压保持电容C_H进行恒定保持，并为所述运算放大器提供输入电压；

步骤三、所述电压通过所述反馈电阻R_F、去耦电容C_F和运算放大器构成的反馈回路对电压信号进行放大处理；

步骤四、经过放大的电压信号经对数转换器进行坐标转换得到宽动态范围的脉冲信号，然后由脉冲高度分析仪获取脉冲信号的脉宽与幅值。

空间单粒子烧毁效应监测中，将单粒子烧毁效应监测装置放置于实验室模拟源下，利用设计的测试系统进行单粒子烧毁效应监测，具体流程如下：

①监测装置初始化参数。

②模拟源辐照，监测装置开始实时监测单粒子烧毁效应。

③辐照过程中，当发生单粒子烧毁效应时，功率MOSFET器件的漏极和源极之间流经大电流，一方面电荷灵敏放大器捕获电荷，利用对数转换器将被测信号转换到对数坐标系内，再由脉冲高度分析仪对脉冲信号进行脉宽、幅值的输出；另一方面记录发生单粒子烧毁效应的次数。通过监测单粒子烧毁的发生次数以及发生单粒子烧毁时的脉冲宽度和幅值，得到可表征单粒子烧毁效应的全面信息。

④重复进行步骤③，直至满足试验要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种空间单粒子烧毁效应在轨监测装置，其特征在于：包括高压直流可编程电源、限流保护电阻R_B、功率MOSFET、电荷灵敏放大器、对数转换器、脉冲高度分析仪； 

所述电荷灵敏放大器包括限流电阻R_L、反馈电阻R_F、去耦电容C_D、去耦电容C_F、电压保持电容C_H和运算放大器； 

其连接关系在于：所述限流保护电阻R_B的一端与所述高压直流可编程电源相连，所述限流保护电阻R_B的另一端与所述功率MOSFET的漏极D相连，所述功率MOSFET的栅极G和源极S接地线，所述限流电阻R_L的一端与所述功率MOSFET的漏极D相连，所述限流电阻R_L的另一端与所述去耦电容C_D的一端相连，所述去耦电容C_D的另一端分成四路分别与所述限流电阻R_F、去耦电容C_F、运算放大器的反相端和电压保持电容C_H的一端相连，所述限流电阻R_F、去耦电容C_F的另一端与所述运算放大器的输出端相连，所述电压保持电容C_H的另一端、运算放大器的同相端接电线，所述对数转换器的一端与所述运算放大器的输出端相连，所述对数转换器的另一端与所述脉冲高度分析仪相连。 

2.根据权利要求1所述的一种空间单粒子烧毁效应在轨监测装置的监测方法，其特征在于： 

步骤一、高压直流可编程电源为所述的功率MOSFET提供偏置电压，使得功率MOSFET处于工作状态，当发生单粒子烧毁效应时，所述功率MOSFET的漏极D和源极S之间通过过电流；所述限流保护电阻R_B限制流经所述功率MOSFET的电流，避免烧毁所述功率MOSFET； 

步骤二、所述限流电阻R_L限制流经所述运算放大器的电流，避免所述过电流烧毁所述运算放大器；所述过电流对所述去耦电容C_D充电，并使所述去耦电容C_D收集电荷形成电压；所述电压通过电压保持电容C_H进行恒定保持，并为所述运算放大器提供输入电压； 

步骤三、所述电压通过所述反馈电阻R_F、去耦电容C_F和运算放大器构成的反馈回路对电压信号进行放大处理； 

步骤四、经过放大的电压信号经对数转换器进行坐标转换得到宽动态范围的脉冲信号，然后由脉冲高度分析仪获取脉冲信号的脉宽与幅值。 

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