CN104297585A - 一种用高能质子进行空间位移损伤效应评估试验的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用高能质子进行空间位移损伤效应评估试验的方法，步骤如下：步骤1，航天器内部辐射环境计算，采用空间环境效应计算软件，输入地球轨道航天器的轨道参数值，空间辐射环境模型，航天器屏蔽厚度，计算航天器内部质子微分能谱；步骤2，选择质子，计算出的轨道中航天器内部质子微分谱，由于质子随能量不是均匀分布的，存在质子注量峰值，选择注量峰值对应的能量质子作为评估试验用质子；步骤3，试验用质子注量，计算试验用质子注量；步骤4，辐照试验，用计算确定的能量的质子，辐照器件到规定的注量。辐照后，按产品规范要求进行电测试。

Description

一种用高能质子进行空间位移损伤效应评估试验的方法

技术领域

本发明涉及一种用高能质子进行空间位移损伤效应评估试验的方法，可用于指导对宇航用器件在空间辐射环境中因位移损伤效应造成的性能退化情况，获得器件抗位移损伤能力数据，为器件抗辐射加固设计提供依据，也为卫星设计师选择抗辐射能力满足要求的器件和进行应用加固设计提供参考数据。

背景技术

空间辐射环境中的高能粒子，如质子，入射航天器电子系统中的器件，会产生位移损伤效应，造成航天器用器件性能退化，甚至失效。航天器用器件需进行位移效应试验评估，获得器件抗位移损伤能力数据，为器件加固和应用加固提供依据。空间质子能量高、能力范围宽，能量在0.1-400MeV。在地面实验室难以完全模拟空间辐射环境，不同能量质子位移损伤不同，需要建立模拟空间连续谱质子位移损伤的方法，给出试验用粒子的选择方法，包括试验粒子种类和能量的选择。

现有技术中,给出了利用中子评估中子环境位移损伤的方法,评估空间质子引起的位移损伤存在不同辐射源等效问题，目前，不同辐射源等效问题尚未完全解决；给出了利用钴-60γ射线评估空间质子、电子引起的电离总剂量效应，该方法不适用于评估空间辐射环境的位移损伤效应；给出了利用单一能量质子辐照试验评估CCD器件由空间连续谱质子引起的位移损伤，该方法没有给出针对航天器内部环境的最佳质子能量选择方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用高能质子进行空间位移损伤效应评估试验的方法，通过计算各种轨道航天器内部辐射环境，分析确定地面位移损伤效应评估试验用质子，实现了不同轨道航天器用器件位移损伤效应评估，最大程度满足卫星抗辐射加固设计的需求。

本发明的技术解决方案是：

如图1所示，本发明提出了一种用高能质子进行空间位移损伤效应评估试验的方法，步骤如下：

步骤1，航天器内部辐射环境计算，

采用空间环境效应计算软件，输入地球轨道航天器的轨道参数值，空间辐射环境模型，航天器屏蔽厚度，计算航天器内部质子微分能谱；

步骤2，选择质子，

计算出的轨道中航天器内部质子微分谱，由于质子随能量不是均匀分布的，存在质子注量峰值，选择注量峰值对应的能量质子作为评估试验用质子；

步骤3，试验用质子注量，

计算试验用质子注量                                                ：

，

式中为试验用质子能量的注量，为能量为的质子非电离能损，为空间质子微分能谱，和分别为空间质子最大能量和最小能量，一般选取0.01MeV-500MeV，为能量为的质子非电离能损。不同能量质子在硅中的非电离能量损如图2所示；

步骤4，辐照试验，

用计算确定的能量的质子，辐照器件到规定的注量。辐照后，按产品规范要求进行电测试。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

（1）本发明给出了计算不同轨道航天器内部辐射环境过程中，计算程序的选择、空间环境模型选择、航天器轨道参数选择、航天器屏蔽厚度选择等要求，有利于航天器内部辐射环境计算的工程化开展；

（2）本发明给出了根据航天器内部质子谱峰值对应的质子能量，作为地面试验用质子的能量，可以使地面评估试验比以往更有可操作性，评估结果更准确。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为不同能量质子在硅中的非电离能量损；

图3为低地球轨道（LEO）质子微分能谱；

图4为地球同步轨道（GEO）质子微分能谱。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明提出了一种用高能质子进行空间位移损伤效应评估试验的方法，步骤如下：

步骤1，航天器内部辐射环境计算

采用空间环境效应计算软件，输入地球轨道航天器的轨道参数值，空间辐射环境模型，航天器屏蔽厚度，计算航天器内部质子微分能谱。

步骤2，选择质子

计算出的轨道中航天器内部质子微分谱，由于质子随能量不是均匀分布的，存在质子注量峰值，选择注量峰值对应的能量质子作为评估试验用质子。

步骤3，试验用质子注量

计算试验用质子注量：

 

式中为试验用质子能量的注量，为能量为的质子非电离能损，为空间质子微分能谱，和分别为空间质子最大能量和最小能量，一般选取0.01MeV-500MeV，为能量为的质子非电离能损。不同能量质子在硅中的非电离能量损如图2所示。

步骤4，辐照试验

用计算确定的能量的质子，辐照器件到规定的注量。辐照后，按产品规范要求进行电测试。

实施例一

用高能质子进行低地球轨道航天器内部位移损伤效应的评估试验方法，具体包括如下步骤：

步骤1，低地球轨道航天器内部辐射环境计算

采用空间环境效应计算软件（如Space Radiation，或者CREME软件）计算，地地球轨道航天器的轨道参数取空间站轨道参数值为（400km×400km，28°），空间辐射环境模型为：空间辐射带捕获质子模型用AP8模型；太阳质子采用ESP模型（7年太阳高年，90%置信度）。航天器屏蔽厚度分别取3mm、10mm、30mm铝。航天器内部质子微分能谱计算结果见图3。

步骤2，选择质子

从图3所示的低地球轨道（LEO）质子微分能谱可以看出，在低地球轨道航天器内部，在3mm~30mm铝屏蔽厚度的条件下，注量峰值对应的能量在50MeV，选择50MeV质子进行辐照试验。

步骤3，质子注量选择

根据上述试验用质子注量的计算公式，计算低地球轨道航天器内部器件位移损伤试验用的质子注量为：

 

步骤4，辐照试验

用计算确定的能量的质子，辐照器件到规定的注量。辐照后，按产品规范要求进行电测试。进而评价高能质子对低地球轨道航天器内部位移损伤效应。

实施例二

用高能质子进行地球同步轨道航天器内部位移损伤效应的评估试验方法，具体包括如下步骤： 

步骤1，地球同步轨道航天器内部辐射环境计算

采用Space Radiation空间环境效应计算软件，输入航天器轨道高度和倾角（36000km，0°），空间辐射环境模型为：捕获质子用AP8模型；太阳质子采用ESP（7年太阳高年，90%置信度）。航天器屏蔽厚度分别取3mm、10mm、30mm铝。航天器内部质子微分能谱计算结果如图4所示。

步骤2，选择质子

从图4所示的地球同步轨道（GEO）质子微分能谱可以看出，在地球同步轨道航天器内部，在3mm~30mm铝屏蔽条件下，注量峰值对应的质子能量在20MeV，选择峰值对应的20MeV质子进行辐照试验。

步骤3，质子注量选择

根据上述试验用质子注量的计算公式，计算地球同步轨道航天器内部器件位移损伤试验用的质子注量为：

 

步骤4，辐照试验

用计算确定的能量的质子，辐照器件到规定的注量。辐照后，按产品规范要求进行电测试。进而评价高能质子对地球同步轨道航天器内部位移损伤效应。

以上所述实施方式仅表达了本发明的两种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用高能质子进行空间位移损伤效应评估试验的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

步骤1，航天器内部辐射环境计算，

采用空间环境效应计算软件，输入地球轨道航天器的轨道参数值，空间辐射环境模型，航天器屏蔽厚度，计算航天器内部质子微分能谱；

步骤2，选择质子，

计算出的轨道中航天器内部质子微分谱，由于质子随能量不是均匀分布的，存在质子注量峰值，选择注量峰值对应的能量质子作为评估试验用质子；

步骤3，试验用质子注量，

计算试验用质子注量                                                ：

，

式中为试验用质子能量的注量，为能量为的质子非电离能损，为空间质子微分能谱，和分别为空间质子最大能量和最小能量，为能量为的质子非电离能损；

步骤4，辐照试验，

用所述步骤2计算确定的所述能量质子，辐照器件到根据所述步骤3所述质子注量，辐照后，按产品规范要求进行电测试。

2.根据权利要求1所述的用高能质子进行空间位移损伤效应评估试验的方法，其特征在于： 所述空间质子最大能量和最小能量取值范围是0.01MeV-500MeV。

3.根据权利要求2所述的用高能质子进行空间位移损伤效应评估试验的方法，其特征在于：所述空间质子最大能量为500MeV，所述空间质子最小能量为0.01MeV。

4.根据权利要求1、2或3所述的用高能质子进行空间位移损伤效应评估试验的方法，其特征在于：

所述步骤1中，所述空间环境效应计算软件采用PACE RADIATION或CRèME，

所述地球轨道航天器的轨道参数值取空间站轨道参数值为400km×400km和28°，所述空间辐射环境模型采用AP8模型，太阳质子采用ESP模型，所述ESP模型的参数值为7年太阳高年和90%置信度，所述航天器屏蔽厚度为3mm、10mm或30mm。

5.根据权利要求4所述的用高能质子进行空间位移损伤效应评估试验的方法，其特征在于：

所述步骤2中， 所述质子微分谱为低地球轨道质子微分能谱，所述注量峰值对应的能量在50MeV。

6.根据权利要求5所述的用高能质子进行空间位移损伤效应评估试验的方法，其特征在于：

所述步骤3中，计算试验用质子注量：

根据所述试验用质子注量的计算公式，计算低地球轨道航天器内部器件位移损伤试验用的质子注量为：

。

7.根据权利要求1、2或3所述的用高能质子进行空间位移损伤效应评估试验的方法，其特征在于：

所述步骤1中，所述空间环境效应计算软件采用PACE RADIATION或CRèME，所述地球轨道航天器的轨道参数值取航天器轨道高度和倾角为36000km和0°，所述空间辐射环境模型采用AP8模型，太阳质子采用ESP模型，所述ESP模型的参数值为7年太阳高年和90%置信度，所述航天器屏蔽厚度为3mm、10mm或30mm。

8.根据权利要求7所述的用高能质子进行空间位移损伤效应评估试验的方法，其特征在于：

所述步骤2中， 所述质子微分谱为地球同步轨道质子微分能谱，所述注量峰值对应的能量在20MeV。

9.根据权利要求8所述的用高能质子进行空间位移损伤效应评估试验的方法，其特征在于：

所述步骤3中，计算试验用质子注量：

根据所述试验用质子注量的计算公式，计算地球同步轨道航天器内部器件位移损伤试验用的质子注量为：

。

10.根据权利要求1、2或3所述的用高能质子进行空间位移损伤效应评估试验的方法，其特征在于：所述航天器屏蔽的材质为铝。