CN115932445B - 一种模拟空间辐射的器件试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟空间辐射的器件试验方法，包括以下步骤：S1.分析器件在轨遭遇的质子辐射环境；S2.根据器件材料和构型，建立器件几何结构模型，计算和分析空间质子在器件中的剂量深度分布；S3.采用多能质子拟合模拟轨道质子能谱辐照环境，获取质子能量和注量；S4.分析和计算电子在印刷电路板材料中沉积形成的电位；S5.按照计算结果施加质子辐照和电场，测试器件电参数的退化特性。本发明中，采用多能质子综合辐射，能够较为真实地还原空间辐射环境，能够较为真实地模拟空间质子辐射效应，为空间电子器件辐射环境效应试验和器件评估提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及模拟空间辐射技术领域，尤其涉及一种模拟空间辐射的器件试验方法。
背景技术
现代航天器采用了越来越多的电子器件，在空间辐射环境的影响下，主要是电子和质子，电子元器件会发生电离总剂量效应和位移损伤效应，导致器件电参数发生偏移和退化，严重时可能发生器件失效。
一般采用单能质子模拟空间辐射环境对电子器件的影响，但上述方法存在一定的缺陷：
首先，空间环境是多能谱辐射环境，采用单能质子辐射与空间真实环境存在较大差别，辐射等效性问题难以达成共识；
其次，电子器件中半导体材料的敏感界面位置是确定的，对于单能质子辐射而言，由于入射深度相对确定，沉积位置可能无法与敏感位置相匹配，导致出现器件对辐射不敏感的不准确结论(即器件对某能量区间质子辐射不敏感却对另一个能量区间的质子辐射敏感)；
再次，现有的试验方法大多考虑单一因素的影响，没有考虑空间电子器件工作时复杂的电场环境，即在空间高能电子会穿透航天器舱板和单机外壳，沉积在电子元器件所在的印刷电路板上，形成强电场，该电场对器件工作及器件退化均有显著影响。
因此，本发明提供一种模拟空间辐射的器件试验方法。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决上述问题，而提出的一种模拟空间辐射的器件试验方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种模拟空间辐射的器件试验方法，包括以下步骤：
S1.分析器件在轨遭遇的质子辐射环境；
若器件为地球同步轨道航天器搭载，该轨道辐照环境主要来自于辐射带粒子、太阳质子和银河宇宙线，其中银河宇宙线的通量极低，对器件贡献可忽略，重点考虑辐射带质子和太阳质子对器件的影响，可以采用辐射带质子模型和太阳质子模型计算辐射带质子和太阳质微分能谱和注量谱；其他轨道航天器参照分析；
S2.根据器件材料和构型，建立器件几何结构模型，计算和分析空间质子在器件中的剂量深度分布；
计算不同能量的质子在敏感半导体材料中的射程，然后与轨道质子辐照环境结合计算得到空间辐照环境在器件中的剂量深度分布曲线；
S3.采用多能质子拟合模拟轨道质子能谱辐照环境，获取质子能量和注量；
为了较为真实模拟轨道质子能谱辐照环境，采用多种能量的质子进行拟合，例如可采用50keV、140keV和400keV但不限于上述三种能量的质子进行拟合，拟合得到的剂量深度分布与轨道实际剂量深度分布较为接近，可以作为地面模拟试验的参数；
S4.分析和计算电子在印刷电路板材料中沉积形成的电位；
在考虑等效屏蔽的条件下计算电子在印刷电路板中的沉积特性，得到材料内部电场和电位(相对结构地)；
S5.按照计算结果施加质子辐照和电场，测试器件电参数的退化特性。
一种模拟空间辐射的器件试验方法的装置，包括真空容器，所述真空容器的内部设置有样品台，所述样品台上设置有绝缘材料二，所述绝缘材料二的上面设置有高压电极，所述高压电极的上面设置有绝缘材料一，所述绝缘材料一的上面设置有被测器件，所述真空容器的顶部且位于被测器件上方设置有电子枪、质子源、紫外源，所述真空容器的侧壁和底部分别设置有穿真空法兰一和穿真空法兰二，所述真空容器的外部还设置有高压电源、半导体测试仪、器件电源、空间静电放电干扰源。
优选地，所述半导体测试仪的电缆为屏蔽电缆，所述器件电源的电缆为非屏蔽电缆，所述器件电源的电线过穿真空法兰二与被测器件电性连接。
优选地，所述高压电源的电缆过穿真空法兰一与高压电极电性连接，模拟被测器件局部静电场。
优选地，所述空间静电放电干扰源用于产生空间静电放电脉冲，通过线缆耦合的方式经由器件电源电缆注入真空容器中的被测器件。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本申请中，采用多能质子综合辐射，能够较为真实地还原空间辐射环境，能够较为真实地模拟空间质子辐射效应，为空间电子器件辐射环境效应试验和器件评估提供依据。
2、本申请中，可以根据器件半导体材料的敏感位置选择和匹配质子能量，使得沉积位置与敏感位置相匹配，从而试验出器件对辐射的敏感程度。
3、本申请中，针对空间内带电问题，采用内带电效应模拟的静电场和瞬态电场，考虑了内带电导致的电场影响，有利于得到器件准确的试验结果。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例提供的一种模拟空间辐射的器件试验方法的装置示意图；
图2示出了根据本发明实施例提供的质子吸收剂量曲线。
图例说明：
1、电子枪；2、质子源；3、紫外源；4、被测器件；5、绝缘材料一；6、穿真空法兰一；7、高压电源；8、穿真空法兰二；9、半导体测试仪；10、器件电源；11、空间静电放电干扰源；12、放电脉冲；13、绝缘材料二；14、高压电极；15、真空容器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：
一种模拟空间辐射的器件试验方法，包括以下步骤：
S1.分析器件在轨遭遇的质子辐射环境；
S2.根据器件材料和构型，建立器件几何结构模型，计算和分析空间质子在器件中的剂量深度分布；
S3.采用多能质子拟合模拟轨道质子能谱辐照环境，获取质子能量和注量；
S4.分析和计算电子在印刷电路板材料中沉积形成的电位；
S5.按照计算结果施加质子辐照和电场，测试器件电参数的退化特性。
一种模拟空间辐射的器件试验方法的装置，包括真空容器15，真空容器15的内部设置有样品台，样品台上设置有绝缘材料二13，绝缘材料二13的上面设置有高压电极14，高压电极14的上面设置有绝缘材料一5，绝缘材料一5的上面设置有被测器件4，真空容器15的顶部且位于被测器件4上方设置有电子枪1、质子源2、紫外源3，真空容器15的侧壁和底部分别设置有穿真空法兰一6和穿真空法兰二8，真空容器15的外部还设置有高压电源7、半导体测试仪9、器件电源10、空间静电放电干扰源11；高压电源7的电线贯穿穿真空法兰一6与高压电极14电性连接；半导体测试仪9的电缆为屏蔽电缆，器件电源10的电缆为非屏蔽电缆，器件电源10的电缆过穿真空法兰二8与被测器件4电性连接。
具体的，如图2所示，将被测器件4置于真空容器15内部质子源2正下方，真空容器15顶部除质子源2外，还安装有电子枪1和紫外源3，用于多因素作用下的环境模拟；
空间静电场的模拟：被测器件4通过绝缘材料一5与高压电极14隔离，使用高压电源7经由穿真空法兰一6为高压电极14提供负偏压，模拟空间内带电状态，在高压电极14和样品台之间也同样使用绝缘材料二13进行隔离；
为了避免高压电源7的干扰，被测器件4供电通过穿真空法兰二8连接在外部的器件电源10上，为了在线测试器件电参数的退化情况，使用半导体测试仪9对被测器件4的关键参数进行测试和记录；
空间瞬态电场的模拟：通过空间静电放电干扰源11产生模拟空间放电脉冲12，并通过线缆耦合的方式通过器件电源10线缆注入被测器件4；
试验中通过调节质子源2的能量和注量模拟空间质子辐射效应；通过调节高压电极14的偏压模拟内带电的静电场效应；通过施加放电脉冲12来模拟内带电的瞬态电场效应。
实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (1)
1.一种模拟空间辐射的器件试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.分析器件在轨遭遇的质子辐射环境；
S2.根据器件材料和构型，建立器件几何结构模型，计算和分析空间质子在器件中的剂量深度分布；
计算不同能量的质子在敏感半导体材料中的射程，然后与轨道质子辐照环境结合计算得到空间辐照环境在器件中的剂量深度分布曲线；
S3.采用多能质子拟合模拟轨道质子能谱辐照环境，获取质子能量和注量；
采用多种能量的质子进行拟合，采用50keV、140keV和400keV的质子进行拟合，拟合得到的剂量深度分布与轨道实际剂量深度分布较为接近，可以作为地面模拟试验的参数；
S4.分析和计算电子在印刷电路板材料中沉积形成的电位；
在考虑等效屏蔽的条件下计算电子在印刷电路板中的沉积特性，得到材料内部电场和电位；
S5.按照计算结果施加质子辐照和电场，测试器件电参数的退化特性；
基于所述器件试验方法的装置，包括真空容器（15），所述真空容器（15）的内部设置有样品台，所述样品台上设置有绝缘材料二（13），所述绝缘材料二（13）的上面设置有高压电极（14），所述高压电极（14）的上面设置有绝缘材料一（5），所述绝缘材料一（5）的上面设置有被测器件（4），所述真空容器（15）的顶部且位于被测器件（4）上方设置有电子枪（1）、质子源（2）、紫外源（3），所述真空容器（15）的侧壁和底部分别设置有穿真空法兰一（6）和穿真空法兰二（8），所述真空容器（15）的外部还设置有高压电源（7）、半导体测试仪（9）、器件电源（10）、空间静电放电干扰源（11）；
所述半导体测试仪（9）的电缆为屏蔽电缆，所述器件电源（10）的电缆为非屏蔽电缆，所述器件电源（10）的电线过穿真空法兰二（8）与被测器件（4）电性连接；
所述空间静电放电干扰源（11）用于产生空间静电放电脉冲（12），通过线缆耦合的方式经由器件电源（10）电缆注入真空容器（15）中的被测器件（4）；
所述高压电源（7）的电缆过穿真空法兰一（6）与高压电极（14）电性连接；
将被测器件（4）置于真空容器（15）内部质子源（2）正下方，真空容器（15）顶部除质子源（2）外，还安装有电子枪（1）和紫外源（3），用于多因素作用下的环境模拟；
空间静电场的模拟：被测器件（4）通过绝缘材料一（5）与高压电极（14）隔离，使用高压电源（7）经由穿真空法兰一（6）为高压电极（14）提供负偏压，模拟空间内带电状态，在高压电极（14）和样品台之间也同样使用绝缘材料二（13）进行隔离；
为了避免高压电源（7）的干扰，被测器件（4）供电通过穿真空法兰二（8）连接在外部的器件电源（10）上，为了在线测试器件电参数的退化情况，使用半导体测试仪（9）对被测器件（4）的关键参数进行测试和记录；
空间瞬态电场的模拟：通过空间静电放电干扰源（11）产生模拟空间放电脉冲（12），并通过线缆耦合的方式通过器件电源（10）线缆注入被测器件（4）；
试验中通过调节质子源（2）的能量和注量模拟空间质子辐射效应；通过调节高压电极（14）的偏压模拟内带电的静电场效应；通过施加放电脉冲（12）来模拟内带电的瞬态电场效应。
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| Miyake et al. | Space charge accumulation in polymeric materials for spacecraft irradiated electron and proton |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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