CN113543615A - 空间电子设备辐照防护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种空间电子设备辐照防护方法，其中的方法包括：S1、在每个印刷电路板的顶面与底面分别焊接敏感电子元器件；其中，将敏感电子元器件集中排布，且抗总剂量辐照能力弱的放在中间，各印刷电路板上的敏感电子元器件在竖向空间上重叠；S2、在顶层印刷电路板的顶面和底层印刷电路板的底面分别罩设局部防护箱体，在相邻的两个印刷电路板之间固定竖向防护结构，以对每个印刷电路板上的敏感电子元器件进行辐照防护；S3、在各印刷电路板的外部整体罩设电子学箱体，以对每个印刷电路板上的敏感电子元器件和普通电子元器件进行防护。本发明能够在减轻防护装置重量的前提下，满足电子设备的辐照防护要求，并且安装简单，可靠性高。

Description

空间电子设备辐照防护方法
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种空间电子设备辐照防护方法。
背景技术
空间电子设备在轨运行期间会暴露在复杂的空间辐射环境中，包括空间粒子辐射环境(如地球辐射带、太阳宇宙线和银河宇宙线等)、等离子体辐射环境及紫外辐射环境，并且这些空间辐射环境将不可避免地会与卫星相互作用而产生每个种辐射效应，进而对星上功能材料、电子元器件及系统造成不同程度的损伤，严重时会引起电子设备在轨工作异常或故障。在所有空间仪器故障中，大约40％是由空间环境直接导致的。而在空间环境导致的仪器故障中，有36％源于等离子体环境，34％源于电离辐射环境，10.5％源于热环境，5.3％源于太阳环境。因此，根据空间仪器飞行任务要求和轨道环境的具体特点，需要对电子设备采取辐照防护措施来降低空间辐照对电子设备产生的危害，从而降低航天仪器的故障率。
在现有的技术中，通常采用高原子序数的金属材料(如铅、钽等)来增加等效铝屏蔽厚度的方法，加强屏蔽以提高电子元器件的抗总剂量能力。例如，常用的一种方法是对电子设备结构壳体整体加厚，使壳体等效铝屏蔽厚度满足抗辐射设计余量，这种整体防护方案会显著增加航天仪器的重量，不满足航天仪器的轻量化设计要求；另一种方法是对敏感电子元器件单独增加屏蔽措施，由于器件封装种类较多，需要针对不同封装设计特定的屏蔽防护装置。一些贴片封装器件或者如TO-3、TO-39封装器件加装屏蔽防护装置较困难，并且屏蔽防护装置与器件结合强度有安全隐患，容易形成脱离而导致电子设备短路故障，不利于提高空间仪器可靠性。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种空间电子设备辐照防护方法，在减轻防护装置重量的前提下，满足电子设备的辐照防护要求，并且安装简单，可靠性高。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供的空间电子设备辐照防护方法，包括如下步骤：
S1、在每个印刷电路板的顶面与底面分别焊接敏感电子元器件和普通电子元器件；其中，按照敏感电子元器件的抗总剂量辐照能力大小，将敏感电子元器件从中间向两边逐行或逐列焊接在每个印刷电路板上，且各印刷电路板的顶面和底面焊接的敏感电子元器件在竖向空间上重叠；
S2、在位于顶层的印刷电路板的顶面和位于底层的印刷电路板的底面分别罩设局部防护箱体，以及在相邻的两个印刷电路板之间固定竖向防护结构，通过局部防护箱体与竖向防护结构对每个印刷电路板上的敏感电子元器件进行辐照防护；
S3、在各印刷电路板的外部整体罩设电子学箱体，以对每个印刷电路板的顶面和底面焊接的敏感电子元器件和普通电子元器件进行防护。
优选地，在步骤S2中，局部防护箱体的尺寸计算方法如下：
S21、根据轨道参数分别计算每个印刷电路板的顶面与底面焊接的敏感电子元器件在X+方向、X-方向、Y+方向、Y-方向、Z+方向和Z-方向所受到的辐照总剂量；
S22、将每个敏感电子元器件自身所受到的辐照总剂量减去自身所能承受的辐照剂量，获得局部防护箱体在X+方向、X-方向、Y+方向、Y-方向、Z+方向和Z-方向所要吸收的辐照剂量；
S23、根据局部防护箱体在X+方向、X-方向、Y+方向、Y-方向、Z+方向和Z-方向所要吸收的辐照剂量，计算局部防护箱体在X+方向、X-方向、Y+方向、Y-方向、Z+方向和Z-方向所需的屏蔽材料厚度。
优选地，在步骤S23中：
对于X+方向：根据共行或共列的敏感电子元器件中所要吸收的最大辐照剂量计算局部防护箱体在X+方向所需的屏蔽材料厚度；
对于X-方向：根据共行或共列的敏感电子元器件中所要吸收的最大辐照剂量计算局部防护箱体在X-方向所需的屏蔽材料厚度；
对于Y+方向：根据共行或共列的敏感电子元器件中所要吸收的最大辐照剂量计算局部防护箱体在Y+方向所需的屏蔽材料厚度；
对于Y-方向：根据共行或共列的敏感电子元器件中所要吸收的最大辐照剂量计算局部防护箱体在Y-方向所需的屏蔽材料厚度；
对于Z+方向：根据共行或共列的敏感电子元器件中所要吸收的最大辐照剂量计算局部防护箱体在Z+方向所需的屏蔽材料厚度；
对于Z-方向：根据共行或共列的敏感电子元器件中所要吸收的最大辐照剂量计算局部防护箱体在Z-方向所需的屏蔽材料厚度。
优选地，竖向防护结构在X-方向、X+方向的屏蔽材料厚度与局部防护箱体在X-方向、X+方向的屏蔽材料厚度相同。
本发明能够取得如下技术效果：
1、每个印刷电路板上的敏感电子元器件以行或列排布，并且多个印刷电路板上的敏感电子元器件在竖向空间上重叠，在顶层的印刷电路板的顶面和底层的印刷电路板的底面罩设局部防护箱体，以及在相邻的两个印刷电路板之间固定竖向防护结构，通过两个局部防护箱体和多层的竖向防护结构对全部印刷电路板上的敏感电子元器件进行叠加累积防护，从而达到在提高电子元器件的抗总剂量能力的同时，大幅度地减轻防护装置重量的目的。
2、局部防护箱体的第一防护沿和竖向防护结构的第二防护沿可以进一步屏蔽辐射线进入局部防护箱体内，避免对电子元器件造成危害，从而降低航天仪器的故障率。
3、局部防护箱体与竖向防护结构通过螺钉与印刷电路板固定，安装简单方便，可靠性高。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的空间电子设备辐照防护装置的结构示意图；
图2是根据本发明实施例提供的计算第一防护沿尺寸的原理示意图；
图3是根据本发明实施例提供的空间电子设备辐照防护方法的流程示意图。
其中的附图标记包括：电子学箱体1、防护侧板11、防护顶板12、防护底板13、局部防护箱体2、防护主壳体21、水平防护板211、竖向防护板212、第一防护沿22、绝缘垫片23、竖向防护结构3、防护竖板31、第二防护沿32、印刷电路板4、敏感电子元器件5。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
现有技术中增加等效铝屏蔽厚度的方法有两种，一种是将全部印刷电路板作为一个整体，在其外部罩设电子学箱体，通过增加电子学箱体的整体厚度来满足抗辐射设计余量，另一种方式是针对敏感电子元器件单独增加屏蔽防护装置，由于器件封装种类较多，需要针对不同封装设计特定的屏蔽防护装置，该方法实施起来较为困难。
本发明为了解决上述问题，将每个印刷电路板上的敏感电子元器件集中焊接形成敏感电子元器件阵列，且在竖向空间上重叠，分别在位于顶层的印刷电路板顶面的敏感电子元器件阵列的外围和位于底层的印刷电路板底面的敏感电子元器件阵列的外围罩设一个局部防护箱体，以及在相邻的两个印刷电路板之间固定将敏感电子元器件阵列围在中间的竖向防护结构，通过两个局部防护箱体和多个竖向防护结构，对需要重点防护的敏感电子元器件进行叠加累积防护，达到局部防护的目的，这样可以在提高电子元器件的抗总剂量能力的同时，大幅度地减轻防护装置的重量，满足航天仪器的轻量化设计要求。
图1示出了根据本发明实施例提供的空间电子设备辐照防护装置的结构。
如图1所示，本发明实施例提供的空间电子设备辐照防护装置，包括电子学箱体1、局部防护箱体2和竖向防护结构3，电子学箱体1起到两个作用，第一个作用是将至少两个印刷电路板4固定在自身内部，第二个作用是对每个印刷电路板4的顶面与底面焊接的所有电子元器件进行初步辐照防护，局部防护箱体2的数量为两个，分别罩设在位于顶层的印刷电路板4的顶面和位于底层的印刷电路板4的底面，具体罩设在两个印刷电路板4上的部分电子元器件的外部，竖向防护结构3固定在相邻的两个印刷电路板4之间，防护结构3的一端与一个印刷电路板4的顶面固定连接，防护结构3的另一端与另一个印刷电路板4的底面固定连接，用于将部分电子元器件围在其中，通过局部防护箱体2和竖向防护结构3对该部分电子元器件进行进一步的辐射防护。
在实际应用时，先对电子元器件进行分类，主要分为两类，一类为通过电子学箱体1达到防护效果无需进一步防护的普通电子元器件，另一类为需要进一步防护的敏感电子元器件5，将敏感电子元器件5聚集在一起形成敏感电子元器件阵列，焊接在印刷电路板4的顶面与底面，尽量保持每个印刷电路板4的顶面与底面焊接的敏感电子元器件阵列在竖向空间重叠，然后在位于顶层的印刷电路板4的顶面和位于底层的印刷电路板4的底面分别罩设局部防护箱体2，以及在相邻的两个印刷电路板4之间固定竖向防护结构3，实现对敏感电子元器件5的叠加累积防护，且为仅对敏感电子元器件5的局部防护。
下面对电子学箱体1、局部防护箱体2和竖向防护结构3的具体结构进行详述。
电子学箱体1包括防护侧板11、防护顶板12和防护底板13，防护顶板12和防护底板13与防护侧板11围成封闭空间的棱柱体，防护顶板12与防护底板13通过螺钉与防护侧板11固定连接。
印刷电路板4同样可以通过螺钉固定方式与防护侧板11固定，从而固定在电子学箱体1的内部。
局部防护箱体2包括一体成型结构的防护主壳体21和第一防护沿22，防护主壳体21包括水平防护板211和竖向防护板212，水平防护板211的数量为至少三个，竖向防护板212的数量为一个，水平防护板211与竖向防护板212围成一个用于容纳敏感电子元器件阵列的腔体，第一防护沿22沿着竖向防护板212的端部向水平方向延伸而成，第一防护沿22与防护主壳体21形成类似于草帽的形状。
第一防护沿22通过螺钉固定在印刷电路板4上，在第一防护沿22与印刷电路板4之间接触的位置垫有绝缘垫片23。
如果局部防护箱体2只具有防护主壳体21，而不具有向外延伸的第一防护沿22，则会存在辐射线射入局部防护箱体2内部的情况，防护主壳体21向外延伸的第一防护沿22可以保证辐射线不会射入局部防护箱体2的内部。
防护主壳体21、第一防护沿22及电子学箱体1均由屏蔽材料制作而成。
防护主壳体21的厚度计算方法如下：
先计算敏感的电子元器件所受到的辐射总剂量，再用该辐射剂量减去敏感的电子元器件所能承受的辐射剂量，即为防护主壳体21所要吸收的辐照剂量，根据该辐照剂量求得防护主壳体21所使用的屏蔽材料的厚度。
图2示出了根据本发明实施例提供的计算第一防护沿尺寸的原理。
如图2所示，第一防护沿22的尺寸计算方式如下：
防护沿22的长度≥DK，
Figure BDA0003138221370000061
其中，DK为防护主壳体21(即竖向防护板212)的厚度，DP为印刷电路板4的厚度。
作为优选地实施方式，第一防护沿22的长度＝DK，
Figure BDA0003138221370000071
Figure BDA0003138221370000072
第一防护沿22选择该尺寸时，能够屏蔽辐射线进入局部防护箱体2内。
竖向防护结构3包括防护竖板31和从防护竖板31的两端向水平方向延伸的第二防护沿32，第二防护沿32通过螺钉固定在印刷电路板4上，在第二防护沿32与印刷电路板4之间接触的位置垫有绝缘垫片23。
第二防护沿32的长度≥CK，
Figure BDA0003138221370000073
其中，CK为防护竖板31的厚度，CP为印刷电路板4的厚度。
第一防护沿22和第二防护沿32在保证能够屏蔽辐射线的情况下，尽量避免增大其尺寸，厚度与长度的增加都会增加第一防护沿22和第二防护沿32的重量，导致防护装置整体重量的增加。
本发明在相邻的两个印刷电路板4之间固定竖向防护结构3的目的是减轻防护装置的整体重量。如果在每个印刷电路板4的顶面与底面分别罩设局部防护箱体2，会增加防护装置的整体重量，而固定竖向防护结构3，相比局部防护箱体2可以节省水平防护板211，多个局部防护箱体2则会节省多个水平防护板211，大幅度地减轻防护装置的重量。
使敏感电子元器件阵列在竖向空间重叠的目的是使相对外层的局部防护箱体和竖向防护结构都能够对相对内层的敏感电子元器件起到防护作用，以实现叠加累积防护。
上述内容详细说明了本发明实施例提供的空间电子设备辐照防护装置的结构。与该防护装置相对应，本发明实施例还提供一种利用防护装置对空间电子设备进行辐照防护的方法。
图3示出了根据本发明实施例提供的空间电子设备辐照防护方法的流程。
如图3所示，本发明实施例提供的空间电子设备辐照防护方法，包括如下步骤：
S1、在每个印刷电路板的顶面与底面分别焊接敏感电子元器件和普通电子元器件；其中，按照敏感电子元器件的抗总剂量辐照能力大小，将敏感电子元器件从中间向两边逐行或逐列焊接在每个印刷电路板上，且各印刷电路板的顶面和底面焊接的敏感电子元器件在竖向空间上重叠。
本发明先对电子元器件进行分类，由于空间电子设备的电子元器件较多，一些需要重点防护，一些不需要重点防护，不需要重点防护的电子元器件通过最外围的电子学箱体即可实现防护，本发明称之为普通电子元器件；需要重点防护的电子元器件需要通过局部防护箱体进一步防护，本发明称之为敏感电子元器件。
在对电子元器件进行分类后，对敏感电子元器件进行布局，便于后续罩设局部防护箱体。
每个印刷电路板上的敏感电子元器件的布局方法相同，以其中一个印刷电路板为例进行说明，其他印刷电路板同理可得。敏感电子元器件的布局方法如下：
将位于印刷电路板顶面和底面的敏感电子元器件焊接在同一行或者同一列。如印刷电路板顶面的敏感电子元器件以行排布，则印刷电路板低层的敏感电子元器件也以行排布。
当同一行或者同一列无法满足敏感电子元器件的布局时，增加第二行或者列布局，以此类推。
将抗总剂量能力较低的敏感电子元器件尽可能焊接在行或者列的中心位置，将抗总剂量能力较高的敏感电子元器件尽可能焊接在行或者列的边缘位置。
在每个印刷电路板上焊接敏感电子元器件时，要保证各印刷电路板上的敏感电子元器件在竖向空间上重叠，以达到叠加累积防护的目的。
S2、在位于顶层的印刷电路板的顶面和位于底层的印刷电路板的底面分别罩设局部防护箱体，以及在相邻的两个印刷电路板之间固定竖向防护结构，通过局部防护箱体与竖向防护结构对每个印刷电路板上的敏感电子元器件进行辐照防护。
局部防护箱体与竖向防护结构与印刷电路板围成多个封闭的空间，各印刷电路板上的敏感电子元器件分别位于封闭的空间内，通过局部防护箱体与竖向防护结构对各个方向的辐射线进行屏蔽，达到叠加累积防护敏感电子元器件的目的。
在步骤S2中，局部防护箱体的尺寸计算方法如下：
S21、根据轨道参数分别计算每个印刷电路板上的敏感电子元器件在X+方向、X-方向、Y+方向、Y-方向、Z+方向和Z-方向所受到的辐照总剂量；
S22、将每个敏感电子元器件自身所受到的辐照总剂量减去自身所能承受的辐照剂量，获得局部防护箱体在X+方向、X-方向、Y+方向、Y-方向、Z+方向和Z-方向所要吸收的辐照剂量；
S23、根据局部防护箱体在X+方向、X-方向、Y+方向、Y-方向、Z+方向和Z-方向所要吸收的辐照剂量，计算局部防护箱体在X+方向、X-方向、Y+方向、Y-方向、Z+方向和Z-方向所需的屏蔽材料厚度。
对于X+方向：根据共行或共列的敏感电子元器件中所要吸收的最大辐照剂量计算局部防护箱体在X+方向所需的屏蔽材料厚度。
由于X+方向上的每个敏感电子元器件所能承受的辐照剂量不同，且所受到的辐照总剂量也不同，所以局部防护箱体在X+方向所要吸收的辐照剂量要以最大辐照剂量作为局部防护箱体在X+方向所需的屏蔽材料厚度。
X-方向、Y+方向、Y-方向、Z+方向和Z-方向选取屏蔽材料的厚度同理可得。
对于X-方向：根据共行或共列的敏感电子元器件中所要吸收的最大辐照剂量计算局部防护箱体在X-方向所需的屏蔽材料厚度。
对于Y+方向：根据共行或共列的敏感电子元器件中所要吸收的最大辐照剂量计算局部防护箱体在Y+方向所需的屏蔽材料厚度。
对于Y-方向：根据共行或共列的敏感电子元器件中所要吸收的最大辐照剂量计算局部防护箱体在Y-方向所需的屏蔽材料厚度。
对于Z+方向：根据共行或共列的敏感电子元器件中所要吸收的最大辐照剂量计算局部防护箱体在Z+方向所需的屏蔽材料厚度。
对于Z-方向：根据共行或共列的敏感电子元器件中所要吸收的最大辐照剂量计算局部防护箱体在Z-方向所需的屏蔽材料厚度。
S3、在各印刷电路板的外部整体罩设电子学箱体，以对每个印刷电路板的顶面和底面焊接的敏感电子元器件和普通电子元器件进行防护。
电子学箱体由屏蔽材料制成，主要起到两个作用，是一个作用是将每个印刷电路板固定在自身内部，另一个作用是对印刷电路板上的普通电子元器件和敏感电子元器件进行初步辐照防护。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的每个种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种空间电子设备辐照防护方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在每个印刷电路板的顶面与底面分别焊接敏感电子元器件和普通电子元器件；其中，按照敏感电子元器件的抗总剂量辐照能力大小，将敏感电子元器件从中间向两边逐行或逐列焊接在每个印刷电路板上，且各印刷电路板的顶面和底面焊接的敏感电子元器件在竖向空间上重叠；
S2、在位于顶层的印刷电路板的顶面和位于底层的印刷电路板的底面分别罩设局部防护箱体，以及在相邻的两个印刷电路板之间固定竖向防护结构，通过所述局部防护箱体与所述竖向防护结构对每个印刷电路板上的敏感电子元器件进行辐照防护；
S3、在各印刷电路板的外部整体罩设电子学箱体，以对每个印刷电路板的顶面和底面焊接的敏感电子元器件和普通电子元器件进行防护。
2.如权利要求1所述的空间电子设备辐照防护方法，其特征在于，在步骤S2中，所述局部防护箱体的尺寸计算方法如下：
S21、根据轨道参数分别计算每个印刷电路板的顶面与底面焊接的敏感电子元器件在X+方向、X-方向、Y+方向、Y-方向、Z+方向和Z-方向所受到的辐照总剂量；
S22、将每个敏感电子元器件自身所受到的辐照总剂量减去自身所能承受的辐照剂量，获得所述局部防护箱体在X+方向、X-方向、Y+方向、Y-方向、Z+方向和Z-方向所要吸收的辐照剂量；
S23、根据所述局部防护箱体在X+方向、X-方向、Y+方向、Y-方向、Z+方向和Z-方向所要吸收的辐照剂量，计算所述局部防护箱体在X+方向、X-方向、Y+方向、Y-方向、Z+方向和Z-方向所需的屏蔽材料厚度。
3.如权利要求2所述的空间电子设备辐照防护方法，其特征在于，在步骤S23中，
对于X+方向：根据共行或共列的敏感电子元器件中所要吸收的最大辐照剂量计算所述局部防护箱体在X+方向所需的屏蔽材料厚度；
对于X-方向：根据共行或共列的敏感电子元器件中所要吸收的最大辐照剂量计算所述局部防护箱体在X-方向所需的屏蔽材料厚度；
对于Y+方向：根据共行或共列的敏感电子元器件中所要吸收的最大辐照剂量计算所述局部防护箱体在Y+方向所需的屏蔽材料厚度；
对于Y-方向：根据共行或共列的敏感电子元器件中所要吸收的最大辐照剂量计算所述局部防护箱体在Y-方向所需的屏蔽材料厚度；
对于Z+方向：根据共行或共列的敏感电子元器件中所要吸收的最大辐照剂量计算所述局部防护箱体在Z+方向所需的屏蔽材料厚度；
对于Z-方向：根据共行或共列的敏感电子元器件中所要吸收的最大辐照剂量计算所述局部防护箱体在Z-方向所需的屏蔽材料厚度。
4.如权利要求3所述的空间电子设备辐照防护方法，其特征在于，所述竖向防护结构在X-方向、X+方向的屏蔽材料厚度与所述局部防护箱体在X-方向、X+方向的屏蔽材料厚度相同。
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