AlGaN/GaN HEMT质子辐射效应研究进展

氮化镓（GaN）基异质结材料以其宽禁带、耐高温、高击穿电压以及优异的抗辐射性能成为航天领域半导体材料的研究和应用热点。而基于GaN材料的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）因其制备过程带来的缺陷和损伤,性能将受到空间辐射的严峻挑战。文章对空间辐射环境下AlGaN/GaN HEMT的辐射机理和效应进行梳理;针对低中地球轨道以质子为主的辐射环境,对不同能量和注量的质子辐照对AlGaN/GaN HEMT的效应进行系统分析。鉴于从压电极化角度分析AlGaN/GaN HEMT的质子辐射效应存在欠缺,且不同能量和注量的质子辐照对器件的影响不同,提出后续应开展AlGaN/GaN HEMT辐射损伤机制、不同轨道辐射环境模拟以及质子辐照对AlGaN/GaN HEMT宏观特性影响研究。     

InGaP/GaAs/InGaAs倒装结构三结太阳电池的辐照损伤仿真分析

为了保证倒装结构三结电池在空间辐射环境中使用的可靠性,揭示倒装工艺引入位错缺陷对电池辐射衰减的影响,文章基于泊松方程和载流子传输方程建立了倒装结构InGaP/GaAs/InGaAs三结太阳电池的物理模型,在地面等效实验验证的基础上,研究辐射以及电池内部位错缺陷对电池输出的影响。首先通过模型研究了微观载流子复合与电池电学性能之间的关联,发现当1 MeV电子入射注量达到1014 cm-2时,该电池中少数载流子复合由辐射复合起主要作用转变为由非辐射复合起主要作用。此外,文中还给出了InGaAs底电池的非辐射少数载流子寿命以及电池电学参数与穿透位错密度（TDD）的函数关系,发现随着TDD的增加,辐照对少子寿命和电池性能的影响均减弱。     

低能质子辐照下F46/Ag光学性能退化及损伤模型

利用空间综合辐照环境模拟器对F46/Ag二次表面镜进行低能质子辐照试验,发现30 keV质子辐照会导致F46/Ag的光学性能发生显著退化,波长为350 nm处的光谱反射率变化值随累积辐照通量呈指数关系增加,太阳吸收比变化值随累积辐照通量线性增加。通过Monte Carlo模拟计算得到不同深度电离能损和位移能损的分布,发现质子辐照F46/Ag主要通过电离进行能量的传递。当质子能量为30 keV时,F46表面获得质子传递能量的最大值。量子化学计算结果表明30 keV质子辐照F46/Ag时材料表面C—F键和C—C键断裂所需吸收的能量远小于质子传递给F46表面的能量。XPS分析表明质子辐照后材料表层发生了一系列断键和重组反应,生成了自由基和分子片段,表面发生脱氟和碳富集,与量子化学计算结果相吻合。     

空间电子辐照下星用热缩套管力学性能退化试验研究

为掌握星用热缩套管的力学性能在空间带电粒子辐射环境中的退化情况,分别利用1 Me V高能电子和45 ke V低能电子模拟地球同步轨道带电粒子辐射环境,研究热缩套管在这2种不同能量电子辐照下断裂伸长率和抗拉强度性能退化情况。试验结果表明,辐照后热缩套管颜色由透明变为黄色,力学性能均出现显著退化现象,且高能电子辐照后退化较低能电子辐照后更为严重。文章通过能量沉积分析、辐解气体分析、表面形貌分析和X射线光电子能谱分析等多种手段,对试验结果做出了合理解释。本研究对开展结构材料力学性能退化地面模拟试验中的能量粒子选择有指导意义。     

空间激光通信系统光电器件辐射效应研究

针对空间激光通信系统所用高速半导体激光器、光电探测器、掺铒光纤放大器(EDFA)、石英光纤等关键器件,开展电子、质子和γ射线辐照试验。半导体激光器经~(60)Co-γ射线和电子加速器辐照后斜率效率发生轻微下降,下降程度与总剂量大小有关;而光功率在电子辐照后出现严重下降,表明电子辐照比γ射线产生更多的损伤,可以归因于电子造成的位移损伤。PIN光电探测器在质子辐照后,暗电流和电容都明显增大,主要是由于质子造成的位移损伤引入深能级缺陷增加势垒,导致光电探测器性能退化。EDFA系统的掺铒光纤经~(60)Co-γ射线辐照后,对系统的增益和噪声影响很大。石英光纤主要受总剂量效应影响,辐射损耗随光纤通入的光波波长增大而减小,而且光纤损耗的剂量率效应不明显,实际试验可以根据试验条件选择适当的剂量率。研究结果可为空间激光通信系统的元器件选型、辐射效应评估与抗辐射加固设计提供参考数据。     

高能电子辐照下介质材料内沉积电荷分布试验研究

深层带电是影响航天器在轨安全和正常运行的重要空间环境效应，而高能电子在介质材料内部的沉积电荷分布特性是深层带电效应的重要考量因素。文章采用脉冲电声（pulsed electro-acoustic, PEA）法测试了0.3～1.0 MeV电子辐照下聚酰亚胺（PI）材料内部的沉积电荷分布特性，研究了电子能量和入射电子数对材料内部沉积电荷分布的影响规律。结果表明:高能电子主要沉积在辐照区的后端，随着入射电子数的增加，材料内部沉积的电荷量将不断增加，最终达到稳定状态；能量越高的电子穿透能力越强，并在材料内部形成分布范围更广的电荷沉积峰。     

星用光电器件位移损伤评估方法

位移损伤是导致星用光电器件性能衰退的重要因素之一。文章以GaAs太阳电池、CCD、光电耦合器和光敏晶体管为对象,研究了其敏感电参数随位移损伤剂量D_d的退化行为,建立了相应的退化方程。在此基础上,结合空间辐射环境仿真分析和地面辐照试验,提出了一种通用的位移损伤效应评估方法。利用该方法对拟用于某太阳同步轨道卫星上的光敏三极管的在轨退化行为进行了评估,评估结果证明了该方法的有效性和可行性。     

空间高速InGaAs-PIN光电二极管辐射损伤效应试验研究

利用质子、中子和伽马射线辐照空间激光通信系统拟选用的高速InGaAs-PIN光电二极管,对其辐射损伤效应开展研究,以评估PIN光电器件在空间辐射环境中的适用性。基于辐照前后器件的暗电流、光电流、光谱响应、电容等参数随辐照剂量变化的测试数据,对各参数受辐照影响的程度和不同辐照模拟源对光电器件造成的辐射损伤差异进行了比较分析。结果表明:PIN光电二极管的暗电流是受辐照影响最严重的参数,而光电流、光谱响应、电容等参数受辐照影响较小;暗电流增加主要与质子和中子辐照引入的非辐射复合中心有关,并与位移损伤剂量基本成线性关系。     

s781热控涂层光学特性电子辐照退化模型研究

文章在分析电子辐照对zno类热控涂层光学性能退化机理的基础上,提出了单分子层电子色心产生模型,推导了色心浓度表达式及材料光学性能退化随辐照剂量的变化关系.用该理论对100kev电子辐照下s781白漆太阳吸收比变化△αs的试验数据的拟合结果表明,单分子层模型能够很好地预测zno类热控涂层在电子辐照环境下光学特性退化趋势.该理论可扩展到其它热控材料在空间不同辐射环境下光学性能退化趋势的理论预测.     

空间带电粒子辐照与预应力耦合作用对功能形面薄膜结构性能影响研究

空间大尺度薄膜航天器是航天技术发展的重要方向,采用折叠展开的大面积功能形面结构是此类航天器的基本特征,为满足热控、通信、聚光、成像与能量传输等功能,结构需要通过预应力来维持形面,保证较高的形面精度和结构基频,但预应力加载对带电粒子辐照下薄膜材料性能退化存在促进作用.文章通过对薄膜材料在不同预应力工况和空间环境耦合作用下的损伤行为以及退化规律开展试验研究,建立与预应力状态、辐照注量相关的材料性能退化规律,量化研究了预应力对空间辐射环境下功能形面薄膜结构性能影响.随着薄膜力学性能的退化,形面结构基频随之有微弱的降低,且对薄膜结构平面度造成一定影响.     

Ni_3Al金属间化合物中空位团稳定构型的计算机模拟研究

本文采用分子动力学方法,对金属间化合物Ni3Al中的点缺陷进行了计算机模拟研究,其中原子间相互作用势采用F-S多体势。通过计算Ni3Al中各种构型的空位团的形成能及结合能,进而分析比较各种构型的空位团的稳定性以及热平衡时的数量,总结了Ni3Al中空位的聚集规律。     

三结太阳电池高能电子损伤模拟及仿真分析

利用wx AMPS软件构建了高效Ga In P/Ga As/Ge太阳电池的中电池模型,并对电池抗辐照性能进行模拟研究。模拟发现,当辐照缺陷密度较小时,缺陷对中电池的电性能影响较小;当缺陷密度较大时,电性能的下降与电子注量值的对数成正比。计算电池的I-V和量子效率谱(QE曲线)可知,电池电性能的下降直接对应于量子效率的下降、饱和暗电流的增强以及并联电阻的衰降。模拟结果与试验结果的对比显示,在各子电池均匀损伤的假定下,1 Me V电子辐照的缺陷引入率约为0.81。     

三结砷化镓太阳电池真空连续激光损伤效应

采用1 315 nm波长连续激光,在真空环境下辐照三结砷化镓太阳电池,通过对比辐照前后电池IV、QE等表征数据,研究三结砷化镓太阳电池的损伤效应,并对其损伤机理进行分析。结果表明:当激光功率密度为8 W/cm~2、辐照时间为60 s时,三结砷化镓太阳电池辐照后电性能下降显著,转化效率衰降超过70%。损伤机理是在热损伤与应力损伤的综合作用下,引起电池串联电阻(R_s)、并联电阻(R_(sh))的恶化,且Rsh是衡量电池损坏的关键指标。该结果可以为三结砷化镓太阳电池在激光损伤机理与无线能量传输方面的研究提供一定的参考。     

MEO轨道辐射环境对Si太阳电池影响研究

研究MEO轨道Si太阳电池在轨性能衰减规律,为太阳阵设计提供参考依据。利用位移损伤剂 量的方法,研究了电子辐照对Si太阳电池性能参数的影响,并分析了MEO轨道（高度20,000 km, 倾角56°）的电子和质子辐射环境,及其穿过不同厚度的石英玻璃盖片后的 衰减谱。研究发现,在没有玻璃盖片的情况下,MEO轨道一年期质子通量会造成电池最大输 出功率严重衰退,约为初始值的28％,而一年期电子通量影响很小,仅造成约7％的下降。 使用100μm的石英玻璃盖片几乎可以完全阻挡MEO轨道质子辐射的影响,但是对电子辐 射的阻挡作用很小。石英玻璃盖片对于屏蔽低能质子对电池辐照损伤是极其重要的。
     

红蓝光敏探测器空间环境效应探测数据分析

红蓝光敏太阳电池空间环境效应探测器利用镓铟磷和三结砷化镓太阳电池来探测空间污染、原子氧和辐射环境及效应,搭载在中国空间技术研究院自主研制的“新技术验证一号”卫星上。文章通过分析红蓝光敏探测器在轨1年时间的探测数据,得到如下结论：红蓝光敏探测器污染电池板功率下降2.7%,等效污染累积增加量2.23×10^-5 g/cm^2,日均6×10^-8 g/cm^2;原子氧探测器在轨道高度499.226 km运行11个月,原子氧积分通量探测数据为9.7×10^20 AO/cm^2;辐射效应探测器（三结砷化镓太阳电池）在轨1年后累计接受辐射剂量（等效1 MeV电子注量）5.49×10^11 e/cm^2。     

构件裂纹缺陷的超声识别

将小波包多分辨率分析与能量谱相结合,提出了金属材料缺陷特征提取的方法(小波包子带能量比较法)及不同缺陷的识别方法(小波分形神经网络法)。选取最能反映缺陷特征的参数——"能量特征向量"作为特征参数,进行缺陷的特征提取。缺陷的识别方法将小波包分解后各子带系数的分形维数作为特征矢量,对其进行径向基神经网络训练,从而可很明显区分出有无裂纹以及不同裂纹信号。以航天发射塔架钢连接构件疲劳裂纹超声检测信号为例,使用所提出的特征提取和模式识别方法,结果表明是行之有效的新方法,为金属材料缺陷检测与识别开拓了新思路。     

Enhancements of fluxes of precipitating energetic electrons on the boundary of the outer radiation belt of the earth and position of the auroral oval boundaries

An analysis of enhancements in the fluxes of electrons with energies above 300 keV registered onboard of the Coronas-F satellite in the polar regions at the boundary of the outer radiation belt is performed. Cases are revealed when the increases in question were observed consequently during multiple crossings of the outer radiation belt boundary. Localization of the revealed events relative to the auroral oval using the data of almost simultaneous observations of electrons with energies of 0.1–10 keV on the Meteor-3M satellite and OVATION model is studied. It is shown that almost all studied increases in relativistic electrons are localized at latitudes of the auroral oval. Various mechanisms which could cause the observed increases are discussed, as well as a possibility of formation of local traps of energetic particles in the high-latitude magnetosphere.     

Solidification of Anisotropic Semiconductor Tellurium Samples in Microgravity and Their Properties

A research program was partly completed to determine the influence of microgravity on the crystallization and electrical properties of tellurium, as a semiconductor with both anisotropic crystal lattice and energy spectrum. Three different tellurium samples were solidified in space by a modified Bridgman method in the Crystallizator ChSK-1 furnace aboard the MIR space station. The variation of the crystal structure, charge carrier concentration and mobility along the sample length was investigated and compared with material solidified on earth. The lowest impurity and defect concentrations were obtained in partially melted single crystals resolidified by the Bridgman method. The distribution of electric active and neutral defects along the samples with a concentration as small as 10⁻⁵ at% were measured by a galvanomagnetic method at low temperatures. Some peculiarities of the remelting process connected with microgravity were observed.