遥感卫星相机电子学系统抗辐射加固技术研究

发布时间：2020-04-13 23:08

【摘要】：空间辐射对电子学系统的辐射破坏造成卫星故障,为了保障空间相机正常运行,提高在抗太空辐射和核环境的生存能力,使空间设备电子系统能在空间辐射环境下稳定可靠工作,对基础元器件和集成电路施以抗辐射防护加固是非常必要的。本文的研究工作基于空间辐射对卫星电子系统影响及其加固展开,包含以下几方面的内容:首先,论述了国内外关于空间辐射对卫星相机电子学系统发生故障的统计分析以及研究进展,针对国内空间相机电子学系统空间辐射加固应用的瓶颈问题及各方法的特点进行了分析与比较,对本课题的背景及意义进行了说明。根据现在空间相机普遍采用的空间轨道情况,针对两类典型轨道进行空间环境分析和研究。其次,以空间轨道1000 km高度临界倾角(63.4度)、1000 km(99.95度)和650km(97.3度)太阳同步轨道空间辐射进行仿真比较分析和研究,分别对不同轨道高度倾角进行了质子、电子环境和空间辐射总剂量计算比较和分析。进一步,根据空间环境辐射统计特性,对太阳质子影响和高能电子暴影响结果进行分析。轨道空间辐射环境仿真分析比较,确定空间辐射模型,对于卫星相机电子学系统抗辐射加固应用有重要的指导和工程实施意义。之后,在建立的比较符合实际的空间辐射模型的基础上,对不同轨道高度的太阳同步和临近轨道进行空间辐射仿真分析,通过加空间辐射屏蔽材料Al仿真分析计算对卫星相机电子学系统空间辐射防护效果。分别在轨道高度1000 km空间辐射环境5年和8年系统运行周期辐射总剂量进行分析,经过分析比较,发现当Al作为屏蔽材料时,空间辐射总剂量随着Al厚度增大剩余剂量变小渐进趋于饱和,因此仅依靠屏蔽材料厚度提高辐射屏蔽效果有其局限性,只能在一定范围应用才能满足电子系统空间辐射环境要求。针对微电子技术集成化高速发展,微电子器件特征尺寸越来越小,空间辐射呈现单粒子效应较为明显,对空间辐射电子和质子通量率及其分布进行仿真分析和计算,得出在轨道高度1000 km空间环境下,5年和8年电子和质子空间环境的通量随能量变化分布规律,对抗辐射加固方案设计和屏蔽加固工艺具有重要帮助。最后,依据第2、3章空间辐射仿真模型和辐射屏蔽材料衰减辐射剂量的变化规律,以及空间辐射粒子通量能量变化分布,针对1000 km轨道高度空间辐射环境一种满足空间相机电子学系统在空间辐射环境下工作5年和8年的抗辐照新型复合防护材料。这种新材料既能在不增加尺寸厚度的情况下有效衰减辐射总剂量又能够有效吸收空间电子和质子,达到降低微电子器件单粒子效应的结果。经过电子加速辐射实验验证,新的复合防护材料效果明显,具有工程实用强的特点。
【图文】：

变化曲线,总剂量,变化曲线,器件

和生产多层射线防护材料和抗辐射电子元器件的著名公司之一，他们的产品为伽利略卫星计划以及各种目的的长寿命航天器提供了可靠的保证。但由于受微电子工业技术发展水平的制约，我国目前还不能够完全自主制等级的具有内抗辐射能力的宇航级电子元器件产品。应用于航天领域的高等级器件产品多数还需要从国外进口，而高质量等级（宇航级）的器件价格昂贵且时往往受到严格的禁运限制，因此目前国内航天领域多采用相对低一级质量等军级）的器件进行抗辐射外防护的措施，如利用铅（Pb）、钽（Ta）等重金属荷的电子线路板上对器件进行外加固屏蔽。这些措施对于在较低轨道上（一般km）运行的航天器而言，在一定程度上能够提高器件的抗辐射能力。然而，，在面上粘贴金属片，一方面，正像图 1.1 所显示的：当铝作为屏蔽物其厚度达到值后，屏蔽作用已越来越小；另一方面，并未考虑金属材料受高能粒子辐照后生的二次电离辐射效应。事实上，随着卫星轨道的提高由二次辐射所产生的γ 和 x 射线等，对微电子学器件的辐射损伤更加严重。

临界倾角,粒子辐射,轨道,环境

第 2 章轨道空间环境分析对空间轨道 1000 km 高度临界倾角（63.4 度）、1000 km（99.95 度）和 650 km（97.3 度）太阳同步轨道空间辐射进行仿真比较分析和研究，分别对不同轨道高度倾角进行了质子、电子环境和空间辐射总剂量计算比较和分析。进一步，根据空间环境辐射统计特性，对太阳质子影响和高能电子暴影响结果进行分析。2.1 轨道环境概述1000 km 高度临界倾角（63.4 度）、1000 km（99.95 度）和 650 km（97.93度）高度太阳同步轨道位于内辐射带内边缘，遭遇的粒子辐射成分主要为高能质子和电子。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V443.5

【参考文献】