CN107677898A - 一种地面与在轨环境相结合的器件抗总剂量能力确定方法 - Google Patents

一种地面与在轨环境相结合的器件抗总剂量能力确定方法 Download PDF

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Abstract

一种地面与在轨环境相结合的器件抗总剂量能力确定方法，该方法包括：对器件在轨电离辐射总剂量环境参数的确定，根据在轨电离辐射总剂量参数确定器件地面辐照试验的性能测试剂量点和辐照试验的剂量率，通过地面辐照试验确定器件电离辐射总剂量敏感参数，对器件进行在轨试验并实时检测器件的敏感参数的变化及器件所承受的电离辐射总剂量值，进而确定器件的抗辐射电离总剂量能力。本发明将地面辐照试验与轨道环境结合来确定器件的抗电离辐射总剂量能力，具有更准确的特点。

Description

一种地面与在轨环境相结合的器件抗总剂量能力确定方法
技术领域
本发明涉及一种地面与在轨环境参数相结合的器件抗总剂量能力确定方法。
背景技术
航天器在轨运行会受到来自地球辐射带、银河宇宙射线、太阳宇宙射线等产生的电子、质子及少量重离子的辐射，对这些辐射敏感的器件会产生电离总剂量效应，使其性能参数发生改变而影响其正常工作。而不同航天器轨道、不同在轨时间因太阳活动、宇宙天体活动的不同而对航天器辐射影响较大，器件在空间环境所受到辐射剂量具有很大的不确定性，而地面条件完全模拟复杂的空间辐射环境是不可能的；同时，器件电离总剂量辐射损伤具有一定的退火效应，若器件在地面进行到耐总剂量能力值，但经过航天器单机的地面试验等过程，退火后器件还能承受的耐总剂量能力会发生变化，这样不确定性较多。因此，仅仅在地面用特定的辐射源对器件开展总剂量辐射效应模拟试验评估存在着剂量率大、等效模型不准确、不确定因素较多等问题。
然而，完全通过在轨来评估器件抗辐射能力需要占用大量的航天器资源，付出较大的代价，也具有较大的局限性。因此，开发一种地面与在轨相结合的器件抗总剂量能力评估方法，通过实施该方法修订地面模拟试验评估方法，使其更准确评价器件抗总剂量效应能力具有较强的现实意义。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有方法的不足，提供了一种地面与在轨环境相结合的器件抗总剂量能力确定方法，弥补仅仅通过地面试验确定器件的抗总剂量辐射能力不准确的问题。
本发明的技术解决方案是：
一种地面与在轨环境相结合的器件抗总剂量能力确定方法，步骤如下：
(1)确定器件在轨寿命期内所承受的电离辐射总剂量D；
(2)根据所述电离辐射总剂量D，确定器件性能测试的剂量点以及剂量率；
(3)将器件在轨应用的偏置状态作为地面辐照试验的偏置状态，根据步骤 (2)所确定剂量率对器件进行辐照试验，在所述剂量点处对器件进行测试，得到每个剂量点处的器件电性能参数值aij，i＝1，2，3,...,n，n为电性能参数个数， j＝1，2，3,...,8，分别对应8个剂量点；
(4)根据步骤(3)确定的每个剂量点处的器件电性能参数值aij，确定器件辐照敏感参数；
(5)选取一只或两只非地面辐照试验的同批器件装机进行在轨试验；
(6)在轨实时检测器件辐照敏感参数的值以及器件所承受的电离辐射总剂量D1；
(7)根据步骤(6)测试得到的器件辐照敏感参数的值以及所述电离辐射总剂量D1，确定器件的抗电离辐射总剂量能力Pk。
所述步骤(1)中电离辐射总剂量D通过公式
D＝2(De+Db+Dp+Ds-p)
计算得到，其中，De为捕获电子剂量、Db为韧致辐射剂量、Dp为捕获质子剂量、 Ds-p为太阳耀斑质子剂量。
所述捕获电子剂量De、韧致辐射剂量Db、捕获质子剂量Dp、太阳耀斑质子剂量Ds-p具体通过如下方式确定：根据航天器所在的轨道、航天器设计寿命T、器件在航天器应用时的等效铝屏蔽厚度以及航天器在轨运行的太阳活动高年或低年，通过查询辐射剂量-深度关系表确定。
所述辐射剂量-深度关系表具体包括如下条件的表格：
在600公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动高年的条件下，
在800公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动高年的条件下，
在1000公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动高年的条件下，
在1200公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动高年的条件下，
在600公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动低年的条件下，
在800公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动低年的条件下，
在1000公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动低年的条件下，
在1200公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动低年的条件下，
在地球静止轨道、轨道倾角为0°、实心球屏蔽模型、航天器设计寿命T＝15 年、东经180°的条件下，
在地球静止轨道、轨道倾角为0°、实心球屏蔽模型、航天器设计寿命T＝15 年、东经100°或东经135°的条件下，
所述步骤(2)确定器件性能测试的剂量点以及剂量率，具体为：
将D/3、D/2、D、2D、3D、4D、5D、6D确定为器件性能测试的剂量点，其中剂量点小于等于D时，其剂量率选择为0.005rad(Si)/s；剂量点大于D时，剂量率选择为0.01rad(Si)/s。
所述步骤(3)对器件进行辐照试验采用钴-60辐射源。
所述步骤(4)确定器件辐照敏感参数，具体为：根据每个剂量点处的器件电性能参数值aij，通过公式计算每个电性能参数值的相对变化率，其中，ai0为辐照前的器件电性能参数值，选取变化率最大的两个电性能参数作为器件辐照敏感参数。
所述步骤(7)根据步骤(6)测试得到的器件辐照敏感参数的值以及所述电离辐射总剂量D1，确定器件的抗电离辐射总剂量能力，具体为：
(8.1)通过公式Pk＝Yk×D1/Xk计算器件的抗总剂量能力，k＝1,2，对应两个敏感参数；其中Yk为器件设计参数所规定的某一敏感参数的允许变化值，Xk为器件这一敏感参数在轨期间的变化值，该变化值为步骤(6)测试得到的器件辐照敏感参数的值与器件辐照前的值的差的绝对值；
(8.2)取P1和P2中的较小值作为最终的器件抗电离辐射总剂量能力。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明充分利用在轨空间环境条件，使得器件抗总剂量能力评估的结果更真实。
(2)本发明所描述的地面模拟试验采用了与在轨应用状态相同的偏置电路，相对于以往较严酷的静态偏置，更能准确地获得器件辐射敏感参数以及预计器件在轨空间应用状态下的抗总剂量辐射能力，更有实际意义。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明负电压调整器SW137在轨应用与地面试验偏置及敏感参数测试电路图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提出的一种地面与在轨环境相结合的器件抗总剂量能力确定方法，步骤如下：
(1)确定器件在轨寿命期内所承受的电离辐射总剂量D；
电离辐射总剂量D通过公式
D＝2(De+Db+Dp+Ds-p)
计算得到，其中，De为捕获电子剂量、Db为韧致辐射剂量、Dp为捕获质子剂量、 Ds-p为太阳耀斑质子剂量。De、Db、Dp、Ds-p具体通过如下方式确定：根据航天器所在的轨道、航天器设计寿命T、器件在航天器应用时的等效铝屏蔽厚度以及航天器在轨运行的太阳活动高年或低年，通过查询辐射剂量-深度关系表确定。航天器所在的轨道包括太阳同步轨道、地球静止轨道，其中太阳同步轨道的高度包括600公里、800公里、1000公里、1200公里；地球静止轨道的高度为35786公里、轨道倾角为0、东经180°或东经100°或东经135°。等效铝屏蔽厚度包括航天器结构板的等效铝厚度和器件所在电子设备外壳等效铝厚度。
辐射剂量-深度关系表具体包括：
在600公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动高年的条件下，
在800公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动高年的条件下，
在1000公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动高年的条件下，
在1200公里高度太阳同步轨道、
航天器设计寿命T＝3年、太阳活动高年的条件下，
在600公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动低年的条件下，
在800公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动低年的条件下，
在1000公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动低年的条件下，
在1200公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动低年的条件下，
在地球静止轨道、轨道倾角为0°、实心球屏蔽模型、航天器设计寿命T＝15 年、东经180°的条件下，
在地球静止轨道、轨道倾角为0°、实心球屏蔽模型、航天器设计寿命T＝15 年、东经100°或东经135°的条件下，
(2)根据所述电离辐射总剂量D，确定器件性能测试的剂量点以及剂量率；
具体为：
将D/3、D/2、D、2D、3D、4D、5D、6D确定为器件性能测试的剂量点，其中剂量点小于等于D时，其剂量率选择为0.005rad(Si)/s；剂量点大于D时，剂量率选择为0.01rad(Si)/s。
(3)将器件在轨应用的状态作为地面辐照试验的偏置状态，根据步骤(2) 所确定剂量率对器件进行辐照试验，在所述剂量点处对器件进行测试，得到每个剂量点处的器件电性能参数值aij，i＝1，2，3,...,n，n为电性能参数个数， j＝1，2，3,...,8，分别对应8个剂量点；对器件进行辐照试验采用钴60辐射源。
(4)根据步骤(3)确定的每个剂量点处的器件电性能参数值aij，确定器件辐照敏感参数；
根据每个剂量点处的器件电性能参数值aij，通过公式计算每个电性能参数值的相对变化率，其中，ai0为辐照前的器件电性能参数值，选取变化率最大的两个电性能参数作为器件辐照敏感参数。辐照敏感参数是指对器件受到航天器空间轨道环境的辐射后相对于器件的其它参数更容易发生改变的参数，通过检测这些敏感参数值的变化情况来判断器件抗电离辐射总剂量的能力。
(5)选取一只或两只非地面辐照试验的同批器件装机进行在轨试验；
(6)在轨实时检测器件的器件辐照敏感参数的值以及器件所承受的电离辐射总剂量D1；
(7)根据步骤(6)测试得到的器件辐照敏感参数的值以及所述电离辐射总剂量D1，确定器件的抗总剂量能力：
具体为：
(7.1)通过公式Pk＝Yk×D1/Xk计算器件的抗总剂量能力，k＝1,2，对应两个敏感参数；其中Yk为器件设计参数所规定的某一敏感参数的变化值，Xk为器件这一敏感参数在轨期间的变化值，该变化值为步骤(6)测试得到的器件辐照敏感参数的值与器件辐照前的值的差的绝对值；
(7.2)取P1和P2中的较小值作为最终的器件抗总剂量能力。
实施例：
本发明实例中，以某航天器为例，其轨道类型为太阳同步轨道，平均轨道高度为800公里，设计寿命为3年，在轨运行时间为太阳活动高年。该航天器结构板等效厚度为2mm，器件所在电子设备外壳等效铝厚度为2.5mm，即总的等效铝屏蔽厚度为4.5mm。根据辐射剂量-深度关系表(如表1所示)，分别确定捕获电子剂量De为6.48×102rad(Si)、韧致辐射剂量Db为2.25×101rad(Si)、捕获质子剂量Dp为6.93×102rad(Si)、太阳耀斑质子剂量Ds-p为1.01×102rad(Si)。
表1 800公里高度太阳同步轨道的粒子引起辐射剂量-深度关系(3年，太阳活动高年)
根据式D＝2(De+Db+Dp+Ds-p)，器件在该航天器内3年寿命期间所承受到的辐射总剂量D为2.93×103rad(Si)，那么设置器件性能测试的8个剂量点 D/3、D/2、D、2D、3D、4D、5D、6D分别为0.98krad(Si)、1.47krad(Si)、 2.93krad(Si)、5.86krad(Si)、8.79krad(Si)、11.72krad(Si)、14.65krad(Si)、17.58 krad(Si)。辐射源采用钴-60射线，累积总剂量在0～2.93krad(Si)范围内采用0.005 rad(Si)/s的剂量率；累积总剂量在2.93krad(Si)～17.58krad(Si)范围内采用0.01 rad(Si)/s的剂量率。
以某公司生产的负电压调整器SW137为例，该器件为双极工艺具有电离总剂量效应，但其敏感参数需要通过试验来确定。该器件的典型应用电路及地面模拟试验偏置电路如图2所示，该电路包括：输入端(In)的输入电源及其监测电路、被试器件SW137、调整端(Adj)的电流采集电路1、输出端(Out) 的电流采集电路2、输出电压监测电路、输出电压调整电阻R1和R2、输出负载电阻R3、输入滤波电容C1和输出滤波电容C2。本发明实例中，R1为1KΩ可调电阻，R2为120Ω固定电阻，R3为500Ω电阻负载，C1和C2均为1μF 耐压值为50V的钽电容。
通过输入电源及其监测电路给被试器件SW137提供输入电压，通过电流采集电路1和电流采集电路2分别采集器件SW137的调整端电流和输出端电流，通过输出电压监测电路采集到负载上的电压，可计算出基准输出电压数值。
选取5只同批次器件进行辐照试验，辐照到8个测试剂量点时分别测试器件的所有电性能参数，包括基准输出电压、电压调整率、电流调整率、调整端电流、调整端电流相对输入电压变化、纹波抑制比等，当某只器件有两项参数超出规范允许变化值时停止试验。表2是辐照至2.93krad(Si)时以及辐照到5.86 krad(Si)时某只参数变化较大器件的测试结果。
表2辐照试验测试结果
从表2可以看出，当辐照至2.93krad(Si)时器件的基准输出电压的变化值为0.0620V，超过规范允许变化值0.0615V；当辐照至5.86krad(Si)时器件的基准输出电压的变化值为0.1110V，调整端电流变化值为13.82μA，这两项均超过了规范允许的变化值，且相对于其它参数值的变化相对较大。因此，确定基准输出电压和调整端电流为SW137器件的电离辐射总剂量敏感参数。
选取1只非地面辐照试验的同批器件进行在轨试验，在轨试验的偏置电路如图2所示(与地面辐照试验偏置电路相同)，在轨3年内实时检测该器件的基准输出电压和调整端电流，检测结果如表3所示。同时，通过辐射剂量仪实时监测器件所在航天器内3年所受的电离辐射总剂量D1为3.15krad(Si)。
表3辐射敏感参数在轨检测结果
由公式Pk＝Yk×D1/Xk可计算基于“基准输出电压”辐射敏感参数的器件抗总剂量能力P1为7.45krad(Si)；基于“调整端电流”辐射敏感参数的器件抗总剂量能力P2为9.22krad(Si)。那么某公司生产的负电压调整器SW137抗总剂量能力为7.45krad(Si)。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种地面与在轨环境相结合的器件抗总剂量能力确定方法，其特征在于步骤如下：
(1)确定器件在轨寿命期内所承受的电离辐射总剂量D；
(2)根据所述电离辐射总剂量D，确定器件性能测试的剂量点以及剂量率；
(3)将器件在轨应用的偏置状态作为地面辐照试验的偏置状态，根据步骤(2)所确定剂量率对器件进行辐照试验，在所述剂量点处对器件进行测试，得到每个剂量点处的器件电性能参数值aij；
(4)根据步骤(3)确定的每个剂量点处的器件电性能参数值aij，确定器件辐照敏感参数；
(5)选取一只或两只非地面辐照试验的同批器件装机进行在轨试验；
(6)在轨实时检测器件辐照敏感参数的值以及器件所承受的电离辐射总剂量D1；
(7)根据步骤(6)测试得到的器件辐照敏感参数的值以及所述电离辐射总剂量D1，确定器件的抗电离辐射总剂量能力Pk。
2.根据权利要求1所述一种地面与在轨环境相结合的器件抗总剂量能力确定方法，其特征在于：所述步骤(1)中电离辐射总剂量D通过公式
D＝2(De+Db+Dp+Ds-p)
计算得到，其中，De为捕获电子剂量、Db为韧致辐射剂量、Dp为捕获质子剂量、Ds-p为太阳耀斑质子剂量。
3.根据权利要求2所述一种地面与在轨环境相结合的器件抗总剂量能力确定方法，其特征在于：所述捕获电子剂量De、韧致辐射剂量Db、捕获质子剂量Dp、太阳耀斑质子剂量Ds-p具体通过如下方式确定：根据航天器所在的轨道、航天器设计寿命T、器件在航天器应用时的等效铝屏蔽厚度以及航天器在轨运行的太阳活动高年或低年，通过查询辐射剂量-深度关系表确定。
4.根据权利要求3所述一种地面与在轨环境相结合的器件抗总剂量能力确定方法，其特征在于：所述辐射剂量-深度关系表具体包括：
在600公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动高年的条件下，
在800公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动高年的条件下，
在1000公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动高年的条件下，
在1200公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动高年的条件下，
在600公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动低年的条件下，
在800公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动低年的条件下，
在1000公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动低年的条件下，
在1200公里高度太阳同步轨道、航天器设计寿命T＝3年、太阳活动低年的条件下，
在地球静止轨道、轨道倾角为0°、实心球屏蔽模型、航天器设计寿命T＝15年、东经180°的条件下，
在地球静止轨道、轨道倾角为0°、实心球屏蔽模型、航天器设计寿命T＝15年、东经100°或东经135°的条件下，
5.根据权利要求1所述一种地面与在轨环境相结合的器件抗总剂量能力确定方法，其特征在于：所述步骤(2)确定器件性能测试的剂量点以及剂量率，具体为：
将D/3、D/2、D、2D、3D、4D、5D、6D确定为器件性能测试的剂量点，其中剂量点小于等于D时，其剂量率选择为0.005rad(Si)/s；剂量点大于D时，剂量率选择为0.01rad(Si)/s。
6.根据权利要求1所述一种地面与在轨环境相结合的器件抗总剂量能力确定方法，其特征在于：所述步骤(3)对器件进行辐照试验采用钴-60辐射源。
7.根据权利要求1所述一种地面与在轨环境相结合的器件抗总剂量能力确定方法，其特征在于：所述步骤(4)确定器件辐照敏感参数，具体为：根据每个剂量点处的器件电性能参数值aij，通过公式计算每个电性能参数值的相对变化率，其中，ai0为辐照前的器件电性能参数值，选取变化率最大的两个电性能参数作为器件辐照敏感参数。
8.根据权利要求1所述一种地面与在轨环境相结合的器件抗总剂量能力确定方法，其特征在于：所述步骤(7)根据步骤(6)测试得到的器件辐照敏感参数的值以及所述电离辐射总剂量D1，确定器件的抗电离辐射总剂量能力，具体为：
(8.1)通过公式Pk＝Yk×D1/Xk计算器件的抗总剂量能力，k＝1,2，对应两个敏感参数；其中Yk为器件设计参数所规定的某一敏感参数的允许变化值，Xk为器件这一敏感参数在轨期间的变化值，该变化值为步骤(6)测试得到的器件辐照敏感参数的值与器件辐照前的值的差的绝对值；
(8.2)取P1和P2中的较小值作为最终的器件抗电离辐射总剂量能力。
9.根据权利要求1所述一种地面与在轨环境相结合的器件抗总剂量能力确定方法，其特征在于：所述每个剂量点处的器件电性能参数值aij，i＝1，2，3,...,n，n为电性能参数个数，j＝1，2，3,...,8，分别对应8个剂量点。
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