光电耦合器高能质子位移辐射损伤效应评估

文章针对光电耦合器的空间辐射损伤效应,在国内首次开展了高能质子辐照对光电耦合器的位移损伤效应试验研究。结果表明:电流传输比是光电耦合器件位移损伤的敏感参数;相同质子等效注量辐照下,70 MeV能量的质子比191.17 MeV能量的质子对光电耦合器的损伤更严重;此外其他条件相同时,较大驱动电流下器件的位移损伤较小。文章还分析了引起光电耦合器件电流传输比退化的原因。     

光电耦合器件中子辐照位移损伤效应试验研究

空间高能粒子引发的位移损伤效应会引起光电耦合器件饱和压降、电流传输比、击穿电压和正向电压等参数发生变化以致器件失效。为研究低地球轨道中子环境产生的位移损伤效应对该轨道航天器上光电耦合器件的影响,文章利用中子辐照源,在不同注量下对不同型号的光电耦合器件进行试验研究,得出器件饱和压降、电流传输比、击穿电压及正向电压随中子辐照注量的变化规律。研究结果表明:饱和压降、电流传输比和击穿电压对中子辐照的敏感度较高,而正向电压对辐照并不敏感。分析表明,辐照引起的位移损伤效应是导致器件电流传输性能退化的一个重要原因。研究结果可为光电耦合器件在空间环境中的使用提供试验依据和参考。     

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。     

宇航用双极器件和光电耦合器位移损伤试验研究

文章针对器件的位移损伤效应,利用质子加速器产生的质子及反应堆中子对化合物器件和硅器件位移损伤进行试验研究,得到了GaAs光电耦合器的电流传输比(CTR)和硅晶体管电流增益hFE的退化率随等效剂量的变化规律。研究结果表明,在质子70 MeV以上高能量范围,对于硅器件适用的位移损伤等效原理对于GaAs化合物器件则不再适用,需要修正。根据试验数据,给出了经验的修正系数。     

GaN基高电子迁移率晶体管的质子辐照效应研究

文章研究了A1GaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）的质子辐照效应。在3MeV质子辐照下,采用三种不同辐照剂量6×10¹⁴,4×10¹⁴和1×10¹⁵protons/cm²。在最高辐照剂量下,漏极饱和电流下降了20%,最大跨导降低了5%。随着剂量增加,阈值电压向正向漂移,栅泄露电流增加。AlGaN/GaN HEMT电学特性的退化主要是由辐照引入的位移损伤引起的。从SRIM软件计算出空位密度,将Ga空位对应的能级引入Silvaco器件仿真软件中,仿真结果与实验结果相匹配。Hall测试结果显示二维电子气（2DEG）浓度和迁移率在辐照后有所降低。     

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。     

高能电子辐照引起的纳米器件翻转效应研究

随着电子器件特征尺寸的减小,其翻转阈值也在降低,使得空间中的高能电子或可诱发纳米器件产生翻转效应。文章选用28 nm的V7型FPGA作为研究对象,分别采用能量为0.2 MeV和1.5 MeV、注量率为5×108～1×109/(cm2·s)的电子进行辐照,结果表明试件产生了明显的翻转效应。结合高能电子作用28 nm器件的仿真结果,经分析可知,1.5 MeV能量的单个电子与器件碰撞不能发生核反应;针对高能电子诱发器件存储单元翻转的几种可能机理,初步认为该器件的翻转是由多个电子同时作用到其中形成局部电荷累积导致的。因此可见,对于电子能量高、通量大的木星等星体的辐射带环境,需考虑高能电子诱发纳米器件翻转对航天器的影响。     

防静电Kapton二次表面镜的电子辐照效应

文章研究防静电Kapton二次表面镜（ITO/Kapton/Al）在不同能量电子辐照后,太阳吸收比退化情况,并利用X射线光电子能谱仪（XPS）和扫描电子显微镜（SEM）对样品表面的成分和形貌进行了分析。结果表明,相同电子注量下,电子能量越高,对样品的太阳吸收率退化作用越大;电子辐照对样品表面形貌影响不大,但是会降低表面氧化铟锡的含量;不同能量的电子对样品表面成分的损伤效应是一致的。     

利用脉冲激光开展的卫星用器件和电路单粒子效应试验

利用脉冲激光进行单粒子效应试验具有操作方便、试验效率高、可对芯片单粒子效应响应的空间区域和时间特性进行测试等特点,可作为卫星用器件和电路单粒子效应测试的有力手段。利用自主建立的脉冲激光单粒子效应试验装置（PLSEE）,针对某卫星用数字器件和电路进行了辐照试验,观测到了丰富的单粒子效应现象,首次测试了多次单粒子锁定对器件和电路的影响,对器件选用评价和电路系统抗单粒子效应设计具有参考价值。利用此装置,还首次在国内对有空间应用背景和前景的运算放大器、光电耦合器进行了单粒子瞬态脉冲效应的试验,表明这些器件像数字器件一样会发生严重的单粒子效应,而且更难捕捉和定位,对卫星系统的威胁不容忽视。     

光电耦合器件在低地球轨道航天器中的运用评估

不同种类光电耦合器件(光耦)结构工艺对空间总剂量辐射的敏感性存在较大差异,故对其在航天器的使用应区别对待。文章分别对组成常见光耦的LED部分、光电耦合部分以及集成放大电路部分受电离总剂量辐射和位移损伤效应的影响进行分析,比较了光耦各个组成部分和不同工艺的光耦对辐射的敏感度。在地面辐照测试数据基础上,以3种典型光耦为原型,设计在轨验证电路,对器件在辐射环境下的长期工作情况进行了试验验证。结果表明,在适当的参数选择和合理的电路设计下,这些光耦能够满足低地球轨道航天领域的应用需求。     

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。
     

典型卫星轨道的位移损伤剂量计算与分析

位移损伤剂量是评估电子元器件在轨发生位移损伤导致性能退化的重要参数。文章首先给出了位移损伤剂量的等效原理和计算方法,即用位移损伤等效注量来表征卫星轨道带电粒子导致的位移损伤剂量;之后分别采用3种不同的太阳质子注量模型,计算了典型大椭圆轨道的位移损伤等效注量,并结合计算结果对不同模型的特点和适用性进行了分析;其后针对4种典型卫星轨道,计算了不同飞行寿命期内的位移损伤等效注量,发现不同轨道的位移损伤剂量有较大差异,并结合空间带电粒子辐射环境分布特点及卫星轨道参数等分析了差异的产生原因;最后,分析不同的太阳质子注量预估方法对位移损伤剂量计算结果的影响,总结了不同轨道、不同飞行寿命情况下卫星经受的带电粒子辐射环境的严酷程度。研究结果可为卫星内部元器件位移损伤效应防护工作提供参考。     

空间CCD图像传感器辐射损伤评估方法

CCD图像传感器作为高灵敏度光电集成部件,易受空间辐射的影响而发生性能退化和工作异常。开展其辐射效应评价研究并制定相应的防护对策,是保证其在空间可靠应用的前提。文章通过地面模拟试验和辐射屏蔽计算,对空间用CCD图像传感器电离辐射损伤与位移损伤效应开展评估方法研究,为CCD抗辐射加固设计与地面评估试验提供参考。该方法也可用于其他光电器件和材料辐射效应评价。     

航天器空间辐射效应分析技术现状与思考

文章梳理了面向航天器总体设计的空间辐射效应分析技术现状,重点归纳了航天器空间辐射效应分析中需关注的总剂量效应、位移损伤效应、单粒子效应分析的要素、分析方法及软件工具,并结合近年来国际上空间辐射环境模型的最新进展,就辐射环境动态变化认知、在轨辐射风险表征、陌生轨道区域辐射环境影响分析等方面提出国内空间辐射效应分析技术的不足及后续发展建议。     

空间辐射环境工程的现状及发展趋势

空间辐射环境是航天器在轨运行所面临的重要环境要素之一,因其诱发的单粒子效应、总剂量效应、位移损伤效应、表面充放电效应、内带电效应等既可引起航天器材料、器件、结构等在轨损伤、性能退化甚至失效,然而又可以利用其开展空间育种等活动。文章从空间辐射环境与模型、空间辐射效应及机理、空间辐射环境与效应试验的评价标准、空间辐射环境效应试验方法、空间辐射环境与效应地面模拟试验设备、空间辐射环境与效应数值模拟、空间辐射环境与效应飞行试验及抗辐射加固技术等角度对空间辐射环境工程的现状进行了评述,进而提出了空间辐射环境工程各个领域的发展趋势。     

用10 MeV质子和钴60 γ射线进行CCD空间辐射效应评估

文章用10MeV质子和钴60γ射线对CCD(Charge Coupled Device)进行了辐照试验,分别计算得到了电离总剂量和位移效应的失效剂量。通过分析比较得出:在空间环境中,相对于电离总剂量效应而言,位移效应对CCD的损伤更为严重。因此,进行CCD辐射效应评估时,不仅要考虑电离总剂量效应,还要考虑位移效应。文章还探讨了评估CCD抗位移损伤能力的方法。     

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。     

S781白漆电子辐照后光学性能退化的恢复与保护

为了深入认识和抑制航天器材料空间辐照损伤在地面环境中的恢复,在模拟的空间环境下对S781白漆进行了90keV电子辐照试验。研究了电子辐照后,试样分别在真空环境下、真空室注入空气后和空气中储存几小时后辐照诱发的光谱反射系数和太阳吸收比的变化。结果表明,S781白漆光学性能退化的恢复主要发生于与空气接触的数分钟内。此外,液氮环境对S781白漆的电子辐照损伤和光学性能退化具有保护作用。液氮的保护机制不仅在于它抑制了氧在材料表面的化学吸附,还在于它对辐照诱发缺陷的冻析效应。