CN112946397B - 一种用于电子器件重离子辐照的空气高温试验箱 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电子器件重离子辐照的空气高温试验箱，包括：试验箱本体，所述试验箱本体包括前壁面，所述前壁面上设置有凹槽，所述凹槽内设置有入射孔以及覆盖在所述入射孔上的薄膜作为入射窗，所述薄膜的厚度范围为5‑100μm，所述前壁面的厚度小于2.5cm；所述试验箱本体上设置有进风口和出风口，所述进风口和出风口被配置为向所述试验箱本体内通入恒温空气，以使所述实验箱内的温度保持恒定。本发明通过将重离子束流照射的壁面改为耐高温且厚度小于2.5cm的壁面，而且在壁面上设置凹槽以及入射窗，大大减少了重离子束流的能量损失，更真实、更高效的模拟太空环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电子器件重离子辐照的空气高温试验箱，属于高温试验箱技术领域。
背景技术
在外太空环境下，高能宇宙射线能够穿透航天器外壳材料，引起内部的电子器件发生逻辑错误、瞬态干扰、性能退化、功能失效以及烧毁等辐射效应，因此宇航级的电子器件需要在地面开展一系列必要的粒子辐照试验，以确保设计的目标器件满足抗辐射阈值的要求。重离子是外太空重要的辐射源之一，其可以引起电子器件发生单粒子翻转、单粒子锁定、单粒子瞬态、单粒子烧毁等多种辐射效应，多呈现为单个粒子引起的严重辐射效应。由于高能重离子在材料中产生的能损大，所以在宇航级电子器件的地面辐照评估试验中，重离子辐照试验尤为重要。
由于外太空属于真空环境，因此航天器也会经历复杂的温度梯度变化，进而影响部分星载电子器件的温度分布。大量研究表明高温可以影响电子器件重离子辐射效应的发生，电子器件的地面重离子辐照试验需要考虑高温的影响。
在传统的电子器件重离子辐照试验中，高温测试条件的获得一般分为空气与真空两种环境。在空气中，一般采用在电子器件周围粘贴加热器与温度传感器的方法来实现温度的控制，由于开封装后的电子器件表面需要完全暴露在重离子束流辐照范围内，所以温度传感器只能粘贴在电子器件的周围，这造成对电子器件温度的控制在空间上存在一定的延时与误差，极易因为温度过冲而烧坏电子器件；其次，由于电子器件在辐照试验中需要加电测试，在其周围粘贴加热器与温度传感器也极易损坏器件，有部分电子器件根本无法在其周围进行加热设备的粘贴，在空气中使用该方法，为了保持良好的接触，紧密的粘贴很容易损坏电子器件。在真空环境下，可将电子器件背面紧贴恒温金属板(如铜板)来进行温度控制，加热器与温度传感器粘贴在恒温金属板上面，由于是真空环境，恒温金属板将会拥有较为均匀的温度分布。为了获得电子器件的真实温度，可以利用非接触的红外温度探头来监测器件表面的温度，但真空试验效率极低，大量的时间将会浪费在样品室的抽真空过程中，一旦加热设备或者电子器件测试系统故障，都需要破坏真空环境后方能有效的解决。
与直接在电子器件周围粘贴加热器与温度传感器相比，将电子器件放置于空气高温试验箱内则可以获得更佳的温度控制与温度分布效果，同时可以大大的提高试验效率。然而，传统的空气高温试验箱无法直接应用于电子器件重离子辐照试验，因为重离子是在真空条件下加速后经金属薄膜真空窗引出到空气中的，一般其射程极短(地面加速器产生的重离子在金属中的射程一般都不大于毫米量级，多数只能穿透几十到数百微米)，根本无法穿过常规空气高温试验箱厚厚的外壳与保温材料，因此无法将电子器件直接放置于传统空气高温试验箱开展辐照试验。
发明内容
针对上述突出问题，本发明提供一种用于电子器件重离子辐照的空气高温试验箱，该装置既能够在密闭的箱体内提供恒定的温度分布，又可以将穿透能力有限的重离子束流引入箱内，进而能够在空气环境下完成电子器件的高温辐照试验。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种用于电子器件重离子辐照的空气高温试验箱，包括试验箱本体，还包括：
所述试验箱本体的前壁面上设置有凹槽，所述凹槽内设置有入射孔以及覆盖在所述入射孔上的薄膜作为入射窗，所述薄膜的厚度范围为5-100μm，所述前壁面的厚度小于2.5cm；
所述试验箱本体上设置有进风口和出风口，所述进风口和出风口被配置为向所述试验箱本体内通入恒温空气，以使所述实验箱本体内的温度保持恒定。
所述的空气高温试验箱，优选地，所述前壁面的材质为耐热温度大于150℃的绝热无机材料或有机材料。
所述的空气高温试验箱，优选地，所述无机材料包括绝热玻璃、玻璃棉、氧化铝、纳米微孔二氧化硅、耐高温石墨板材或耐高温板状云母，所述有机材料包括环氧树脂、聚四氟乙烯或耐高温聚醚醚酮。
所述的空气高温试验箱，优选地，所述薄膜为耐热温度高于125℃的聚合物薄膜。
所述的空气高温试验箱，优选地，所述聚合物薄膜包括聚酰亚胺薄膜、聚氨酯薄膜、聚酰胺薄膜、聚丙烯薄膜或聚碳酸酯薄膜。
所述的空气高温试验箱，优选地，所述凹槽的深度范围为1.0-1.5cm。
所述的空气高温试验箱，优选地，所述试验箱本体为长方体或正方体结构，所述试验箱本体的其他壁面为复合层壁面，所述复合层壁面包括两金属面板以及夹在两所述金属面板之间的隔热层，所述复合层壁面的厚度为10cm。
所述的空气高温试验箱，优选地，还包括样品位移台，所述样品位移台设置于所述试验箱本体的试验箱内部空间内，所述样品位移台上设置有电子器件电路板，所述电子器件电路板被配置为承载电子器件样品。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明通过将重离子束流照射的壁面改为耐高温且厚度小于2.5cm的壁面，而且在壁面上设置凹槽以及入射窗，大大减少了重离子束流的能量损失，更真实、更高效的模拟太空环境。
2、本发明通过在箱体内提供恒温空气环境来完成电子器件的高温辐照试验，无需单独在电子器件周围粘贴加热器与温度传感器等复杂步骤。本发明通过优化高温试验箱箱体结构与材料，可以实现低射程的重离子束流从箱体外部进入箱体内部，有效降低了重离子的能量损失，整体设计即满足箱体保温的效果，同时满足了电子器件辐照时重离子的能量要求，大大提高了高温辐照试验效率。
3、本发明所设计的高温空气试验箱，即能够在密闭的箱体内提供恒定的温度分布，又可以将穿透能力有限的重离子束流引入箱内，进而能够在空气环境下完成电子器件的高温辐照试验。本发明有效的将电子器件测试设备与高温设备隔离开，提高了高温辐照试验的可靠性，大大提高了重离子高温辐照试验的效率。
附图说明
图1为本发明该实施例提供的空气高温试验箱的结构示意图；
图2为本发明该实施例提供的空气高温试验箱A-A切面的内部结构示意图；
图3为本发明该实施例提供的空气高温试验箱A-A切面的内部各部件的位置关系示意图；
图4为本发明该实施例提供的空气高温试验箱B-B切面的示意图；
图5为本发明该实施例提供的空气高温试验箱B-B切面的内部结构示意图；
图6为本发明该实施例提供的空气高温试验箱C-C切面的示意图；
图7为本发明该实施例提供的空气高温试验箱C-C切面的内部结构示意图；
图中各附图标记如下：
1-前壁面；2-凹槽；3-入射窗；4-右壁面；5-上壁面；6-重离子束流管道；7-重离子束流；8-电子器件样品；9-电子器件测试电路板；10-样品位移台；11-后壁面；12-下壁面；13-试验箱内部空间；14-真空窗；15-左壁面。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
本发明公开一种用于电子器件重离子辐照的空气高温试验箱，包括：试验箱本体，试验箱本体包括前壁面1，前壁面1上设置有凹槽2，凹槽2内设置有入射孔以及覆盖在入射孔上的薄膜作为入射窗3，薄膜的厚度范围为5-100μm，前壁面1的厚度小于2.5cm；试验箱本体上设置有进风口和出风口，进风口和出风口被配置为向试验箱本体内通入恒温空气，以使实验箱本体内的温度保持恒定。本发明通过优化高温试验箱本体的结构与材料，可以实现低射程的重离子束流从箱体外部进入箱体内部，有效降低了重离子的能量损失，整体设计即满足箱体保温的效果，同时满足了电子器件辐照时重离子的能量要求，大大提高了高温辐照试验效率。
本具体实施方式中，空气高温试验箱的结构如图1所示，试验箱整体呈垂直六面体结构(长方体或正方体)，面向重离子束流一侧的前壁面1采用耐高温材料(例如，环氧树脂板)，板厚小于2.5cm，也可以采用绝热玻璃等厚度较薄的隔热材料；其它5个面的箱体结构材料均采用常规金属面板-隔热材料(如玻璃纤维)-金属面板的多层复合结构，厚度一般可以达到10cm。
为进一步降低重离子束流到空气高温试验箱本体内部电子器件表面的距离(即降低重离子能量损失)，在面向重离子束流一侧的前壁面1上设计了圆形凹槽2，凹槽2可以将重离子束流管道深入试验箱本体前壁面1的距离为T1(即凹槽2的深度，详见图3)。圆形凹槽2的中间为中空圆形结构(见图1中的入射窗3)，该区域为重离子束流进入空气高温试验箱的窗口。为了保持空气高温试验箱内部的密闭环境，采用了耐热温度高于125℃的聚合物薄膜(例如，聚丙烯薄膜)对前壁面1上的圆形空洞进行了密封，因此形成了圆形的重离子束流入射窗口，聚合物薄膜与试验箱的位置如图3所示。本发明优选聚丙烯薄膜，其可以在200多度的高温环境下长期使用，具有良好的耐高温效果。通过以上结构设计，该空气高温试验箱可以成功地将重离子束流引入箱体内部，同时保持试验箱的空间密闭与温度分布恒定。
本具体实施方式中，优选地，前壁面1的材质为耐热温度大于150℃的绝热无机材料或有机材料；更优选地，所述无机材料包括绝热玻璃、玻璃棉、板状氧化铝、超薄板状纳米微孔二氧化硅、耐高温石墨板材或耐高温板状云母，所述有机材料包括环氧树脂、聚四氟乙烯或板状耐高温聚醚醚酮。
本具体实施方式中，优选地，薄膜为耐热温度高于125℃的聚合物薄膜。更优选地，聚合物薄膜包括聚酰亚胺薄膜、聚氨酯薄膜、聚酰胺薄膜、聚丙烯薄膜或聚碳酸酯薄膜。
本具体实施方式中，优选地，凹槽2的深度范围为1.0-1.5cm。
本具体实施方式中，如图5所示，还包括样品位移台10，样品位移台10设置于试验箱本体的试验箱内部空间13内，样品位移台10上设置有电子器件电路板9，电子器件电路板9被配置为承载电子器件样品8。
本发明仅对前壁面1的结构和材质进行了改进，其他壁面保持与常规试验箱采用相同的材质，具体理由如下：由于前壁面1正对重离子束流管道6，重离子束流需要穿过前壁面1进入箱体内部才能完成辐照试验，前壁面1使用厚度不超过2.5cm的板材可以大大降低重离子束流在空气路径中的损失，部分中低能量的重离子束流在穿过10cm空气后能量会大大衰减，更无法穿过传统试验箱的金属外壁；此外，通过在前壁面1上设置凹槽2，可以将重离子束流管道6伸进前壁内1.0-1.5cm，因此离子束流穿过的空气层小于1.5cm，进一步降低了重离子束流的能量损失。在设计空气高温试验箱的过程中，保持重离子束流能量衰减小和加强保温效果是相互矛盾的，因此本发明仅将前壁面1使用更薄的板材，需要折中设计前壁面1的材料与结构。在前壁面1上面设置凹槽2的圆周大小仅略大于重离子束流管道6的直径，也是为了尽量保持良好的保温效果。
本具体实施方式中，空气高温试验箱内部的主要参数如图3所示，D1为重离子束流管道出射窗口与薄膜前壁的距离，D2为薄膜后壁与电子器件表面的距离，T1为凹槽2的深度，T2为薄膜厚度。为进一步降低重离子束流进入试验箱的能量损失，需要减小重离子束流出射窗口与电子器件表面的距离，即减小空气中D1与D2的长度，同时减小薄膜T2的厚度。通过增大凹槽2的深度T1，那么允许重离子束流管道深入到试验箱前壁面1内部的距离增大，D1进一步降低。薄膜的厚度T2可以从数百微米降低到几个微米量级，能够显著抑制重离子束流的能量损失。D2的减小可以通过移动样品台10来实现。
为了进一步筛选出能降低重离子束流损失的薄膜，本发明对比了几种不同材料的薄膜对重离子束流所造成的损失，入射重离子以800MeV 86Kr离子束流为例，具体如表1所示：
表1为800MeV 86Kr离子束流穿过不同材质薄膜的能量损失比较
表1详细计算了800MeV 86Kr离子束流穿过不同材质与厚度薄膜的能量损失情况，对于常用铜、铝或铁金属薄膜材料，800MeV 86Kr离子束流均无法穿过60μm或100μm厚度，能量损失比例随薄膜厚度增加变化较大。对于聚酰亚胺、聚氨酯、聚酰胺、聚丙烯或聚碳酸酯等聚合物薄膜材料，800MeV 86Kr离子束流均可以穿过100μm厚度薄膜；对于5μm厚度的聚合物薄膜，800MeV 86Kr离子束流的最大能量损失比例仅为3.7％，这给重离子进入温度试验箱后提供了较大的能量调节空间。通过以上分析可知，5-100μm厚度的耐高温聚合物薄膜非常适合作为本发明空气温度试验箱的入射窗3。
本发明的空气高温试验箱在使用前需要对箱体内部不同位置进行温度校准，为确保试验精度，在试验过程中可以在试验箱内安置额外的温度传感器获得具体区域的温度。由于空气高温试验箱的安装环境与样品尺寸存在一定的依赖关系，试验箱的进风口与出风口、电缆连接口一般需要根据具体情况设计其位置，本发明不对进风口、出风口以及电缆连接口进行约束。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种用于电子器件重离子辐照的空气高温试验箱，包括试验箱本体，其特征在于，还包括：
所述试验箱本体的前壁面(1)上设置有凹槽(2)，所述凹槽(2)内设置有入射孔以及覆盖在所述入射孔上的薄膜作为入射窗(3)，所述薄膜的厚度为5-100μm，所述前壁面(1)的厚度小于2.5cm；
所述试验箱本体上设置有进风口和出风口，所述进风口和出风口被配置为向所述试验箱本体内通入恒温空气，以使所述试验箱本体内的温度保持恒定；
还包括样品位移台(10)，所述样品位移台(10)设置于所述试验箱本体的试验箱内部空间(13)内，所述样品位移台(10)上设置有电子器件电路板(9)，所述电子器件电路板(9)被配置为承载电子器件样品(8)。
2.根据权利要求1所述的空气高温试验箱，其特征在于，所述前壁面(1)的材质为耐热温度大于150℃的绝热无机材料或有机材料。
3.根据权利要求2所述的空气高温试验箱，其特征在于，所述无机材料包括绝热玻璃、玻璃棉、氧化铝、纳米微孔二氧化硅、石墨板材或云母，所述有机材料包括环氧树脂、聚四氟乙烯或聚醚醚酮。
4.根据权利要求1所述的空气高温试验箱，其特征在于，所述薄膜为耐热温度高于125℃的聚合物薄膜。
5.根据权利要求4所述的空气高温试验箱，其特征在于，所述聚合物薄膜包括聚酰亚胺薄膜、聚氨酯薄膜、聚酰胺薄膜、聚丙烯薄膜或聚碳酸酯薄膜。
6.根据权利要求1所述的空气高温试验箱，其特征在于，所述凹槽(2)的深度为1.0-1.5cm。
7.根据权利要求1所述的空气高温试验箱，其特征在于，所述试验箱本体为长方体或正方体结构，所述试验箱本体的其他壁面为复合层壁面，所述复合层壁面包括两金属面板以及夹在两所述金属面板之间的隔热层，所述复合层壁面的厚度为10cm。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5058833A (en) * | 1990-03-06 | 1991-10-22 | Carmouche William J | Spaceship to harness radiations in interstellar flights |
| CN102200586A (zh) * | 2011-03-04 | 2011-09-28 | 中国原子能科学研究院 | 单粒子试验重离子束流诊断装置及相关测量方法 |
| CN104888364A (zh) * | 2015-04-23 | 2015-09-09 | 中国科学院近代物理研究所 | 基于水等效系数的离子束放射治疗剂量验证方法 |
| CN208383632U (zh) * | 2018-07-26 | 2019-01-15 | 安徽理工大学 | 用于分离式霍普金森压杆试验装置的低温环境箱 |
| CN111398778A (zh) * | 2020-03-16 | 2020-07-10 | 中国电子产品可靠性与环境试验研究所（（工业和信息化部电子第五研究所）（中国赛宝实验室）） | Mems器件敏感结构辐照在线监测装置及监测方法 |
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| CN111948701A (zh) * | 2020-07-08 | 2020-11-17 | 中国科学院国家空间科学中心 | 一种单粒子效应探测器 |
-
2021
- 2021-02-09 CN CN202110178174.7A patent/CN112946397B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 高温环境下SRAM器件单粒子锁定效应试验研究;李晓亮等;航天器环境工程;第36卷(第6期);全文 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112946397A (zh) | 2021-06-11 |
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