图1 不同入射粒子在SiO2中的LET值分布
Fig. 1 LET value in SiO2 of different particles
北京大学学报(自然科学版) 第61卷 第2期 2025年3月
Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 61, No. 2 (Mar. 2025)
doi: 10.13209/j.0479-8023.2025.009
军事航天部队装备部“末级留轨系统空间粒子辐射效应综合测量仪”项目资助
收稿日期: 2024–04–03;
修回日期: 2024–10–11
摘要 针对太阳同步轨道空间粒子辐射及其辐射效应的特点, 在 CZ-4C 运载火箭末级留轨应用平台上搭载空间粒子辐射效应综合测量仪, 开展该轨道空间的高能质子能谱、粒子辐射 LET 谱及辐射剂量率探测, 在轨获取的探测数据可用于航天器在轨故障分析和运控管理, 同时为开展元器件试验验证等提供环境数据支持。载荷研制阶段的加速器标定试验及仿真计算结果表明, 高能质子、辐射总剂量以及 LET 谱等实测性能指标均满足探测范围、精度及灵敏度等指标要求, 在轨飞行试验结果也表明, 载荷各测量对象的探测结果符合航天器轨道粒子辐射环境的物理特性。
关键词 末级; 留轨平台; 粒子辐射; LET 谱; 辐射剂量; 高能质子
长期以来, 对空间环境的探测活动大多依赖在轨科学卫星或应用卫星(如低轨的空间站[1–2]、风云三号[3–4]以及实践系列和遥感系列[5]等, 中高轨道的风云四号[6–7]和北斗导航[8]等卫星), 探测内容涵盖太阳活动、带电粒子、高层大气、表面电位、辐射剂量和单粒子效应等, 对各轨道的空间环境状态已有初步的了解[9–10], 探测结果对航天器的在轨运控管理、故障分析等起到重要作用。然而, 由于空间环境是随着时空条件的变化而变化的, 对其规律特性的研究和业务应用, 还需开展广大空间区域的探测和长期数据的积累。因此, 目前仅靠少量卫星搭载空间环境探测类载荷进行原位探测, 无论从空间覆盖性还是时间分辨率来说, 都远远不够。
末级留轨应用平台是运载火箭实际入轨的组成部分, 火箭发射后, 末级及其组成部件能够在轨长期运行, 非常适合开展空间飞行试验[11]。相较于传统航天器, 末级能够在当前高密度发射任务支持下, 提供更多的航天新技术太空实验机会, 并大大降低试验成本。因此, 可以利用当前末级留轨数量大、轨道分布广的优势, 提升空间环境探测的空间覆盖率和时间分辨率。同时, 末级搭载任务具有高频次、短周期的特点和安装形式多样化的优势, 便于快速开展各类新型空间环境探测载荷的飞行验证和探测应用。因此, 末级留轨应用平台是适合规模化、体系化、长期化、可持续开展空间环境监测和探测工程的空间应用平台。
针对太阳同步轨道空间粒子辐射环境的特点, 通过将空间粒子辐射效应综合测量仪搭载在 CZ-4C运载火箭末级留轨平台上, 首次在 1000km 轨道高度开展高能质子能谱、粒子辐射LET谱及辐射剂量率探测, 从而填补该轨道空间环境辐射监测能力的空白, 为航天器的在轨安全运行、故障分析定位及在轨管理提供有效保障, 同时为开展元器件的验证试验提供输入条件。
CZ-4C 运载火箭末级留轨平台主要在 1000km左右高度的太阳同步轨道运行, 运行期间遭遇的粒子辐射环境主要是地球辐射带粒子[12–13]、银河宇宙线[14–15]和偶发的太阳高能粒子[16–17]。地球辐射带为稳定存在的粒子富集区, 包括外辐射带和内辐射带, 其中内辐射带分布在赤道面高度约 1.1～3.3Re 的范围, 粒子种类主要包括电子和质子等。银河宇宙线是产生于太阳系外银河系的高能带电粒子, 包括电子、质子和重离子, 属于常态的存在, 其存在范围覆盖整个宇宙空间。太阳高能粒子为偶发事件, 具有随机性, 低轨卫星(<3000km)一般会在地球极区遭遇。
末级留轨平台运行时, 将遭遇上述粒子辐射引起的各种辐射效应, 包括单粒子效应、总剂量效应和充放电效应等。对于充放电效应, 需考虑高能电子数据进行研究。
单粒子效应是对航天器电子系统危害最大的辐射效应之一, 可能带来卫星使用电子器件的逻辑状态发生改变、电路功能紊乱、计算机处理的数据发生错误、指令发生错误、程序“跑飞”、计算机瘫痪、体硅 CMOS 器件被其诱发的大电流烧毁等问题, 从而使卫星发生异常或故障, 甚至使卫星面临灾难性局面[18–21]。航天器件发生单粒子事件, 既与击中器件粒子的特性有关, 也与器件本身的特性和工作状况有关。
银河宇宙线、太阳宇宙线和地球辐射带粒子是轨道空间高能量粒子的主要来源, 这些能量非常高的粒子均可能引起器件的单粒子事件[22–23]。衡量高能粒子能否导致单粒子事件的参数为线性能量传输值(linear energy transfer, LET), 即带电粒子入射某种材料时, 输送到该材料中每单位长度上的能量。不同种类、不同能量的入射粒子在不同材料中的 LET 值不同, TRIM 计算得到的银河宇宙线中主要成分的 LET 值随入射粒子能量的分布情况如图 1所示。因此, 对于航天器件单粒子性能的评估, 需要输入轨道空间的LET谱和器件本身的抗辐照性能参数。
总剂量效应指辐射粒子进入航天器的材料和器件中, 与其原子和分子等发生电离作用, 将能量传递给被辐照的物质, 从而对材料和器件的性能产生影响。总剂量效应主要由高能质子、电子以及重离子造成, 它们既能够产生电离作用, 又能够产生位移作用。当航天器材料或器件接受的辐射剂量达到一定的量级时, 就会造成航天器材料变性以及元器件失效。把在轨辐射剂量率探测数据提供给地面评估系统, 就可以作为元器件验证试验的环境条件输入[24–27]。
目前对空间粒子辐射效应的认识尚不充分, 无法准确地区分和定位卫星异常的环境诱因。为了有效地评价航天器件的在轨性能, 需要准确的空间辐射 LET 谱和辐射剂量数据。本文重点研究粒子辐射LET谱和总剂量效应。
CZ-4C 运载火箭末级留轨应用平台空间粒子辐射效应综合测量仪主要用于开展太阳同步轨道高能质子能谱、粒子辐射 LET 谱及辐射剂量率探测, 其主要技术指标见表 1。
图1 不同入射粒子在SiO2中的LET值分布
Fig. 1 LET value in SiO2 of different particles
表1 末级平台空间粒子辐射效应综合测量仪的主要技术指标
Table 1 Main indexes of the SPRECMI on the orbital platform of the upper stage
探测项目测量范围精度灵敏度 高能质子能谱20～250 MeV 优于10%– 辐射LET谱0.1～37 MeV/(mg·cm−2)–5% (ΔN/N) 辐射剂量0～105 rad(Si)–20 nrad/h 单粒子效应监测典型器件的单粒子翻转频次
3.1.1LET谱探测
大规模集成电路的核心材料大多是硅材料, 因此在载荷设计中也采用硅半导体探测器, 探测不同粒子在硅材料中的线性沉积能量(即LET谱)[28–29]。粒子入射到硅半导体探测器中, 损失的能量为ΔE (单位为 keV), 探测器的厚度为 d (单位为 μm), 则粒子在硅材料中的 LET 值(即在硅材料中单位长度内粒子的能量损失)(单位为 keV/μm)用下式计算:
(1)
图 2 示意辐射LET谱探测原理。高能量的带电粒子穿透卫星的舱板, 入射到硅探测器上, 粒子穿透第一片硅传感器时沉积部分能量, 可由式(1)计算得到粒子的 LET 值。然而, 部分粒子沉积全部的能量, 并被阻止于第一片传感器中, 穿过的实际路径长度小于传感器的厚度, 具体路径长度不可知。对于上述第二种情况, 需根据入射粒子的能量, 通过地面数据反演, 获得该部分粒子的LET值。由于存在上述两种情况, 在进行LET谱探测时需要判断粒子是否穿过第一片传感器。
图2 辐射LET谱探测原理示意图
Fig. 2 Schematic diagram detection principle of LET spectra
图3 系统探测方案示意图
Fig. 3 Systematic detection scheme of SPRECMI
图4 传感器单元结构示意图
Fig. 4 Schematic diagram of the sensor unit
图5 传感器单元各探测张角示意图
Fig. 5 Schematic diagram of detection angles of sensor unit
3.1.2 辐射剂量探测
辐射剂量 D(即粒子在单位质量内的总能量沉积)的定义如下:
(2)
其中, ΔE 为粒子入射到硅探测器中损失能量(keV), ΔM 为探测器的单位质量(g)。
辐射剂量率 H(即单位时间内的累计剂量)的设计和测量完全从定义出发, 如下式所示:
(3)
由于卫星内的关键器件均为硅材料, 因此使用硅材料作为测量辐射剂量率的标的材料[30–31]。粒子在硅探测材料中产生能量损失, 通过电子学单元记录粒子的能量损失 ΔE, 累计得到单位时间内的总能量损失 ΣΔE, 再用 ΣΔE 除以硅探测材料的质量M, 即可得到辐射剂量率。
末级留轨应用平台空间粒子辐射效应综合测量仪是一台独立载荷, 其主要构成为传感器单元、电子学单元以及机箱结构三部分, 其核心部件为由 3片硅半导体探测器和一片待测器件组成的传感器单元, 电子学单元主要使用电子线路对传感器单元输出的测量信号进行处理和数据下行。
图 3 示意空间粒子辐射效应综合测量仪的系统测量方案, 包括传感器单元的 3 片硅半导体探测器(D1, D2 和 D3), 待测的单粒子效应典型器件[32–33]位于探测器 D2 与 D3 之间。
前端探测器 D1 和 D2 主要对高能质子进行测量, 通过 D1 的幅度信息对高能质子的能谱进行划分。D2 探测器用于鉴别是否是高能质子, 同时对辐射剂量率进行测量, 即通过单位时间内粒子在 D2 中的总能量传递和 D2 的质量进行剂量率测量。
待测器件位于 D2 与 D3 之间, D2 和 D3 形成用于 LET 谱测量的半导体望远镜形式。D2 用于幅度分析, 对粒子的 LET 值进行测量; D3 用于粒子的定位, 确定粒子是否击中或穿透待测器件。
空间粒子辐射效应综合测量仪在轨开机后, 上述试验项目同时进行。基于辐射剂量和 LET 谱测量获得的在轨实时辐射剂量率和 LET 谱可直接作为元器件验证试验的环境输入, 提供给地面评估系统, 典型器件的在轨实测翻转数据则可联合在轨LET 谱测量数据进行分析。
传感器单元的作用是测量带电粒子在半导体探测器中的能量损失, 将能量转化为电信号后提供给后续电子学电路进行分析。结合卫星的飞行姿态和方向以及载荷小型化、轻量化的设计目标, 将传感器单元设计为图 4 所示的构型, 其中 3 片硅半导体探测器均用螺钉固定于印制板的正反两面, 在传感器灵敏面下方安装待测器件。
硅半导体探测器可以接收入射到探头中的带电粒子, 从线性响应范围、能量分辨率和空间适用性等指标来说, 离子注入型硅半导体传感器是目前性能最好的半导体探测器。LET 谱探测采用两片硅半导体探测器 D2 和 D3 组成望远镜系统, 其中 D2 探测粒子在探测器的能量沉积, D3 记录粒子是否穿透探测器, 将 D2 中测量的沉积能量除以 D2 的厚度, 得到穿透探测器粒子的 LET 值。同时, 在这两片硅探测器之间安装典型的待测器件, 通过电子学单元监测待测器件发生的单粒事件信息, 实现对入射粒子和器件单粒子信息的同时监测, 有助于找到两者之间的关系。
对辐射剂量的测量采用探测器 D2, 即测量入射粒子进入 D2 的总沉积能量, D2 的最小可测量能量设计为 100keV, 最大可测量能量设计为 3GeV。
对空间粒子进行测量时, 探测载荷的几何因子也是衡量其性能(即载荷接受粒子的能力)的一个重要参量, 是对数据进行归一化处理和数据比对时必要的参数[34]。假设粒子通量为各向同性, 则载荷的计数率输出与环境中的粒子通量存在以下关系:
(4)
式中, M 表示载荷的通量测量值(cm−2·s−1·sr−1), N 表示计数率(个/s), G 表示几何因子(cm2·sr)。从式(4)可以看出, 载荷通量的测量范围与单位时间内的计数能力及几何因子有关。几何因子决定载荷接受空间粒子的能力, 也决定载荷最终的计数率状态。通过几何因子的合理设计, 既能保证仪器各道的计数不会出现饱和, 又能避免出现计数率过低、统计结果涨落幅度过大的现象。
根据空间粒子辐射效应综合测量仪传感器单元的结构, 可以确定各测量对象的探测张角, 原理如图 5 所示。结合载荷内部设计的逻辑工作方式, 通过 D1 和 D2 组成的探测视场, 实现对质子能谱的测量, 由 D2 单独对辐射剂量进行测量, D2 与 D3 符合可测得大视场范围的 LET 谱, D1, D2 和 D3 符合可测得小视场范围的 LET 谱。
空间粒子辐射效应综合测量仪的原理如图 6 所示, 其电子学单元主要包括前端和后端两部分电子学线路, 其中前端电子学线路主要对传感器单元输出的电荷信号进行预处理, 包括多路电荷灵敏前置放大、滤波成形、主放大器和峰值保持器等电路。后端数字电子学线路主要完成对前端模拟信号输出的 ADC 采样、FPGA 数据处理、打包存储以及与卫星总线接口等任务。此外, 电子学单元还包括电源变换、传感器偏压及工程参数检测等电路。
空间粒子辐射效应综合测量仪地面定标的目的是验证并精确地给出载荷实际的测量指标, 包括能道精度、剂量范围、灵敏度、LET 谱范围及通量精度等。由于地面加速器束流条件的限制, 对于不满足定标需求的情况, 还采用标准放射源、等效信号源定标及与仿真分析相结合等方式进行地面定标。表 2 列举载荷采用的主要标定方式和实验结果。
4.2.1 质子探测结果
图 7～9 分别展示 2022 年 5 月 7—16 日载荷在轨获取的高能质子实测结果和同期末级留轨段轨道环境的 AP-8 和 AP-9 模型仿真结果, 可见高能质子集中在南大西洋异常区(South Atlantic Anomaly, SAA), 实测高能质子分布与轨道环境模型仿真结果一致。AP-8 仿真结果与实测结果一致程度最高, 使用 AP-9 仿真得到的高能质子分布范围略大于实测结果和AP-8 仿真结果。这是由于轨道空间中部分质子会被卫星蒙皮和设备机壳屏蔽, 使得与轨道环境相比, 在轨实测高能质子的空间分布范围缩小, 通量强度降低。
图6 载荷电子学原理
Fig. 6 Principle of electronics for SPRECMI
表2 空间粒子辐射效应综合测量仪地面标定结果
Table 2 Calibration methods and results of SPRECMI
标定方式标定项目标定结果 中国科学院电子加速器, 束流条件: 0.1～2.0 MeV北京大学重离子加速器, 束流条件: 2.2～20 MeV标准放射源: 241Am其他能量采用等效信号源标定与仿真分析结合高能质子能量范围: 21.857～275 MeV线性度: 优于1.88%能档精度: 优于3.2% 辐射总剂量剂量范围: 0～1.04×106 rad剂量灵敏度: 6.2 µrad/h LET谱范围0.001～37.20 MeV/(mg·cm−2)
图7 2022年5月7—16日测量仪高能质子全球分布实测结果
Fig. 7 Results of global distribution of high-energy protons measured by SPRECMI during May 7–16, 2022
图8 2022年5月7—16日末级留轨段AP-8仿真结果
Fig. 8 AP-8 simulation results for rail section of upper stage during May 7–16, 2022
4.2.2 辐射剂量率监测结果
图 10 和 11 分别展示空间环境宁静时期和中等磁暴时期末级留轨段剂量率全球分布实测结果, 可见较大的剂量率主要分布在 SAA 和南北半球高纬度地区。SAA 中的大剂量率主要由辐射带质子和电子造成, 南北半球高纬度地区的大剂量率主要由辐射带电子和等离子体造成。对比图 10 与 11 可以看出, 磁暴期间南北半球高纬度地区的剂量率明显增强, 这是由于位于这些地区的末级留轨段轨道处于外辐射带边缘, 磁暴后的高能电子暴使得外辐射带电子通量增大, 从而造成剂量率增大。
图9 2022年5月7—16日末级留轨段AP-9仿真结果
Fig. 9 AP-9 simulation results for rail section of upper stage during May 7–16, 2022
图10 空间环境宁静时末级留轨段实测剂量率的全球分布
Fig. 10 Global distribution of measured dose rate for rail section of upper stage under no geomagnetic storm
图11 中等磁暴时末级留轨段实测剂量率的全球分布
Fig. 11 Global distribution of measured dose rate for rail section of upper stage during intermediate geo-magnetic storms
4.2.3LET谱测量结果
图 12 对比不同时段的仪器在南北极区获得的LET 谱线(LET1 和 LET2)与空间环境信息系统(spa-ce environment information system, SPENVIS)仿真结果。可以看到, LET1 与 LET2 探测结果一致性良好, 两条谱线基本上重合在一起。实测谱线与仿真谱线的变化趋势基本上一致, 均为幂律谱线。图 12 表明, 试验期间 LET 谱比较稳定, 不同时期 LET 谱线的形状和强度未出现显著的变化。
4.2.4 器件单粒子翻转监测结果
2022 年 4 月 17 日至 12 月 7 日, 仪器共监测到静态随机存取存储器(static random-access memory, SRAM)翻转 567 次, 其中一条记录中翻转 1 位 547次, 一条记录中翻转 2 位 10 次, 平均翻转频率约为2.46 次/天。监测在轨单粒子翻转的待测器件选用ATMEL 公司生产的 SRAM 器件AT68166HT-YS20, 根据该器件在地面开展的重离子单粒子效应试验数据, 通过模型分析, 预估在本轨道的器件翻转频率为 1.71～2.4 次/天, 与在轨实测结果的符合度较好。图 13 显示所有单粒子翻转(single-event upset, SEU)事件的空间分布, 对比高能质子实测结果(图 7), 可以看出大部分单粒子翻转事件发生在 SAA 中。
图12 末级留轨段实测南北极区LET谱线
Fig. 12 LET spectral line in the north and south polar regions measured by the rail section of the upper stage
本次实验利用 CZ-4C 火箭末级留轨平台搭载空间粒子辐射效应综合测量仪, 在太阳同步轨道轨道高度开展高能质子能谱、粒子辐射LET谱及辐射剂量率探测, 成功地获得大量相关探测结果, 可应用于卫星在轨运控管理和业务保障, 并为航天器工程抗辐照加固设计提供数据支撑。
图13 实测单粒子翻转事件的空间分布
Fig. 13 Actual measured spatial distribution of SEU
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Comprehensive Detection Technology of Particle Radiation Effects in Solar Synchronous Orbit
Abstract Based on the characteristics of space particle radiation in the sun-synchronous orbit (SSO), a space particle radiation effect comprehensive measuring instrument (SPRECMI) was installed on the orbital platform of upper stage of Chinese CZ-4C carrier rocket for obtaining the high-energy proton energy spectra, linear energy transfer (LET) spectra of particles, and radiation dose rate. The detection results can be used for in-orbit fault analysis and operational control management of spacecraft and serve as reference data for component validation tests. After SPRECMI’s development, accelerator calibration and simulations were conducted, and the results demonstrated that the measured indicators such as high-energy protons, total radiation dose, and LET spectrum all met the requirements of detection range, accuracy, and sensitivity. Furthermore, the in-orbit flight test revealed that the detection results of the load components were consistent with the physical characteristics of the particle radiation environment of the spacecraft orbit.
Key words upper stage; orbital platform; particle radiation; linear energy transfer (LET) spectra; radiation dose; high-energy proton