行星际空间质子引起介质深层充电的GEANT4模拟研究

高通量的空间质子是导致行星际航天器深层充电的主要原因,基于辐射诱导电导率模 型（RIC）和粒子输运模拟工具GEANT4对介质材料在质子辐照条件下的深层充电问题进行了 预估。利用GEANT4-RIC充电计算方法,首先计算出10MeV质子在Kapton和Teflon中的注量和 剂量沉积曲线,进而根据电流连续性方程、泊松方程和电荷俘获方程组成的辐射诱导电导率 模型（RIC）求解出介质内电荷和电场分布,与介质击穿电场阈值对比作为其是否发生放电 的依据。模拟结果证实了对10MeV质子,在质子注量为3×10 12 ／cm 2时Kapton会发 生放电,而Teflon则不会发生放电的一般性试验结论。验证了GEANT4-RIC方法用于行星际航 天器介质材料质子充放电评价的可行性,为此类问题的解决奠定了基础。
     

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。     

载人深空长期飞行辐射粒子的磁场防护探讨

简介了空间辐射环境中的银河宇宙线和太阳质子事件及其对航天员的辐射危害;根据辐射危害防护需求,比较了磁场偏转、电场抵消和等离子体偏转3种防护方法的原理和优缺点;对载人火星探测选用的磁场防护方法进行了初步分析和数值仿真。分析表明:偏转200 MeV能量以下的质子,须在航天器上建造半径2.04km,质量2240kg,通过电流1600A的环形线圈。此方法可以使进入航天器舱室的宇宙线粒子总通量降低3个数量级,能显著地降低空间粒子对航天员的危害。分析结果可为载人深空飞行项目的任务规划、载人飞船设计、辐射危害评价防护措施的制定等提供参考。     

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。     

FY—1C卫星空间粒子成分监测器及其探测结果

简要介绍了FY－1C星空间粒子成分监测器的任务目标、工作原理、创新特色及在轨探测结果。空间粒子成分监测器用于卫星轨道空间的带电粒子辐射监测，为卫星的在轨安全和抗辐射加固设计服务。监测器在世界上实现用1套传感器完成对高能电子、质子、α粒子至铁离子的全成分监测，使我国首次获得了870km高太阳同步轨道全空间的各种重离子分布、质子能谱分布和电子通量分布，捕捉到大量的地磁暴和太阳质子事件，获得了批重要的探测成果。     

空间质子直接和非直接电离引发单粒子效应的地面等效评估试验方法

以40 nm和65 nm CMOS工艺SRAM为样品,进行质子辐照单粒子效应试验研究,以建立空间质子引起单粒子效应的地面等效评估试验方法.分别进行低能质子直接电离、高能质子核反应和重离子直接电离引起的单粒子翻转试验;根据获得的试验数据,分析讨论给出空间质子引起半导体器件单粒子效应的地面等效评估试验方法:对低能质子直接电...     

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。     

电子与质子综合辐照下ZnO白漆的光学性能 退化研究

为研究电子与质子综合辐照中电子与质子间的协合效应,在模拟的空间环境下对S781白漆分别进行了10 keV电子辐照、70 keV质子辐照、和10 keV电子与70 keV质子综合辐照试验。研究了辐照后S781白漆光谱反射系数和太阳吸收比的变化,计算了综合辐照效应的相加性系数。结果表明,10 keV电子与70 keV质子在S781白漆中的平均投影射程相近,辐照损伤机理相似,综合辐照存在协合效应,协合效应减弱光学性能退化。     

基于Space radiation 5.0软件平台分析典型GEO空间辐射环境

文章介绍了兰州空间技术物理研究所真空低温技术与物理国家重点实验室从美国引进的空间辐射环境及效应分析软件Space Radiation 5.0的结构功能模块,采用该软件计算分析了典型的GEO（地球同步轨道）空间辐射环境。计算表明：GEO的总剂量效应比较严重,主要是由捕获电子和太阳耀斑质子辐射引起的;GEO的带电粒子主要由质子、α粒子、碳离子、氮离子、氧离子等重核离子组成,此轨道上的单粒子效应主要由太阳宇宙射线中的高能质子和重离子以及银河宇宙射线的重离子引发。     

质子单粒子效应引发卫星典型轨道下SRAM在轨错误率分析

利用中国原子能科学研究院100 Me V质子回旋加速器(CY CIAE-100)的单粒子效应辐照装置,测量了典型静态随机存储器(SRAM)的质子单粒子翻转截面;利用Space Radiation 7.0软件计算了卫星搭载该器件在典型轨道条件下运行的在轨错误率;同时研究了航天器在不同轨道高度、轨道倾角和屏蔽条件下对质子单粒子效应引发的在轨错误率的影响。计算结果表明:航天器运行于地球同步轨道高度及以下时,质子单粒子效应引发的在轨错误率均高于重离子的,最高可相差3个数量级左右。     

航天器对空间带电粒子方向探测的需求分析

空间高能粒子很强的各向异性分布,对三轴稳定卫星各个方向的影响带来巨大的差异。通过探测高能带电粒子的方向分布及能谱测量,为卫星设计制造、在轨管理和故障分析提供最有效、最直接的保障。本文还简单介绍了我国新一代空间环境探测仪器——空间粒子方向探测器。该仪器集成了高能电子、质子的多方向通量测量和精细能谱测量,首次实现了180。粒子方向测量。     

星载电子系统高能质子单粒子翻转率计算

文章对星载电子系统空间高能质子单粒子翻转率计算方法进行了研究.总结了13种主要计算质子单粒子翻转率的方法,并对各种算法之间的相似性和差异性进行了比对分析.用Visual Basic语言编程,实现了高能质子单粒子翻转率计算模型软件化,为高能质子单粒子效应加固设计和验证评估提供技术依据.计算了几种典型轨道上的质子单粒子翻转率;在此基础上,与在轨观测数值进行比对分析验证,并分析了质子单粒子翻转率与空间轨道的关系.     

等离子体鞘层加速模拟质子辐照连续谱 数值仿真研究

质子辐照是导致空间飞行器热控涂层性能衰退的重要原因。目前地面多采用单一能量的粒子替代空间能量连续分布的粒子来开展质子辐照模拟试验。文章提出了在一个脉冲宽度内获得连续能量质子谱的方法,即脉冲偏压等离子体鞘层加速方法。文章利用细胞粒子（particle-in-cell,PIC）模型对在3种脉冲偏压三角波作用下等离子体鞘层加速质子以获得连续能量质子谱的动力学过程进行了数值仿真研究,分析了3种脉冲三角波形对鞘层扩展、离子加速及能量分布的影响。结果表明,电势空间分布和离子运动状态紧密联系,鞘层内离子密度变化受到脉冲波形和离子热扩散运动的综合影响,通过调整脉冲偏压三角波形,能够获得不同的能量-剂量分布,从而为下一步工作打下基础。     

空间辐射对空间站航天员的剂量影响分析

为有效实施对航天员的空间辐射防护,采用计算机断层扫描数据（CT）建立了精细化男性体素模型;基于Geant4建立蒙特卡罗程序计算空间站轨道辐射经过舱壁（5 g·cm^-2等效铝屏蔽）后在体模中的辐射剂量;分析了不同辐射粒子在体素模型组织或器官中的吸收剂量、当量剂量和有效剂量。计算结果表明：航天员体内吸收剂量大约80%来源于地球辐射带（ERB）质子;大约14%来源于银河宇宙线（GCR）质子;α粒子的剂量贡献占比约为5%;其余重离子的剂量贡献占比在1%左右。另外,航天员吸收的当量剂量和有效剂量50%左右来自于ERB质子,另50%左右来自于GCR粒子。计算结果将有助于评估航天员在空间站舱内的潜在辐射风险并提供辐射防护参考。     

SRAM FPGA电离辐射效应试验研究

针对SRAM FPGA空间应用日益增多,以100万门SRAM FPGA为样品,进行了单粒子效应和电离总剂量效应辐照试验。单粒子试验结果是:试验用粒子最小LET为1.66 MeV·cm2/mg,出现SEU（单粒子翻转）;LET为4.17 MeV·cm2/mg,出现SEFI（单粒子功能中断）,通过重新配置,样品功能恢复正常;LET在1.66～64.8 MeV?cm2/mg范围内,未出现SEL（单粒子锁定）;试验发现,随SEU数量的累积,样品功耗电流会随之增加,对样品进行重新配置,电流恢复正常。电离总剂量辐照试验结果是:辐照总剂量75 krad(Si)时,2只样品功能正常,功耗电流未见明显变化。辐照到87 krad(Si)时,样品出现功能失效。试验表明SRAM FPGA属于SEU敏感的器件,且存在SEFI。SEU和SEFI会破坏器件功能,导致系统故障。空间应用SRAM FPGA必须进行抗单粒子加固设计,推荐的加固方法是三模冗余（TMR）配合定时重新配置（Scrubbing）。关键部位如控制系统慎用SRAM FPGA。     

低轨航天器运行环境质子通量预测模型对比研究

辐射带粒子环境是导致航天器故障和异常的重要因素。为此,需要对辐射带粒子环境及其通量分布进行研究。文章主要研究低地球轨道（LEO）环境辐射带质子分布情况。分析了目前用来计算质子通量的几种常用模型的优缺点;利用各模型计算了不同轨道的质子通量,对计算结果进行了比较;总结了进行不同高度、不同能量范围的质子通量计算时,选择不同模型的依据原则。     

典型国产双极工艺宇航用稳压器单粒子闩锁 效应研究

通过对某国产双极工艺宇航用稳压器进行不同LET值重离子辐照试验,实时监测器件输出电压的变化幅度和器件供电管脚电流,准确评估了器件抗单粒子效应性能。研究结果表明器件发生单粒子瞬态效应阈值小于5 MeV·cm 2·mg -1 ,当辐照重离子LET值增加至37.37 MeV·cm 2·mg -1 时,诱发器件产生单粒子闩锁效应,器件供电管脚电流由6 mA陡增至24 mA。在分析重离子试验数据的基础上,借助脉冲激光获得了器件内部单粒子效应敏感区域位置和结构特征。分析认为由于芯片内部多个功能模块共用一个隔离岛,同一个隔离岛内的器件之间形成的寄生PNP管与隔离岛内NPN管形成了PNPN可控硅结构,当入射重离子LET值足够大时将诱发寄生PNPN结构导通,进入闩锁状态。采用模拟软件Spectre实现了电参数级的瞬态故障注入模拟,复现了该双极工艺结构下单粒子闩锁效应现象。     

SSO及GEO典型太阳质子事件单粒子翻转率估算

文章根据NOAA卫星和GOES卫星的测量数据,对太阳质子事件期间地球同步轨道（GEO）和太阳同步轨道（SSO）的质子辐射情况进行考察。采用Bendel双参数模型对GEO和SSO由质子引起的器件单粒子翻转率进行估算,并分析了影响翻转率的因素。在器件敏感度一定的情况下,单粒子翻转率与大于能量阈值的质子总通量以及质子能谱硬度呈正相关。SSO与GEO的质子辐射及单粒子翻转预测对比研究结果表明:由太阳质子事件引起的SSO质子能谱比GEO的要“软”。太阳质子事件对SSO卫星的影响与对GEO卫星的影响之间存在相关性。两轨道上DRAM型的D424100V器件和SRAM型的HM6516器件的翻转率比值接近,SSO翻转率约为GEO的13%～22%,而双极型93L422器件翻转率比值则在26%～57%之间。通过对比SSO与GEO翻转率的比值和两轨道辐射程度的比值发现,不同的器件对能谱硬度的反应各异,原因是每种器件产生SEU的能量阈值不同。     

不同内边界条件下SEP事件实例的集合数值模拟及其在SEP事件预报中的应用

太阳高能粒子（SEP）事件的定量数值预报是空间态势感知的重要方面之一。SEP事件主要来自于日冕物质抛射（CME）所驱动的激波扩散加速（DSA）。文章在三个有关模型的基础上,结合1 AU处卫星的太阳风观测参数和日冕仪的CME观测参数,建立了一套可用于预报SEP事件的数值方法。利用该方法对一次SEP实例进行数值模拟,并将模拟结果与GOES卫星观测结果进行比较。结果表明：数值模拟得到的＞10 MeV的高能粒子的通量和观测较为吻合,＞100 MeV的高能粒子的通量高于观测值。针对此事件进一步开展了不同CME抛射速度和不同内边界背景太阳风温度条件下的集合模拟试验,结果表明：CME抛射速度对SEP事件中高能粒子通量和能谱影响较大,而内边界背景太阳风温度的改变对于高能粒子通量和能谱的影响几乎可以忽略不计。     

《易经》宇宙探秘——《易经》与当代科学的故事

1935年,日本物理学家汤川秀树发表介子理论,用来解释原子核内的作用力,即把质子和中子束缚在一起的强核力,是由一种名叫“介子”的粒子传导的。他预言介子的质量应在电子和质子之间,约为电子的200-300倍。