太阳系边际探测任务辐射效应综合分析

针对太阳系边际探测任务中面临的强辐射问题,在太阳系边际鼻尖和尾部两次探测任务中,系统分析了探测器飞行过程中涉及到的空间辐射环境,包括地球辐射环境、太阳宇宙线辐射环境、银河宇宙线辐射环境、木星辐射环境和海王星辐射环境及模型特点。采用模型仿真给出了屏蔽厚度与辐射剂量关系曲线,结合国外探测数据获得了两次任务遭受的辐射总剂量,估算结果可支持在屏蔽重量代价和探测器抗辐射能力之间进行优化选择。针对空间核电源辐射特性,提出了适用于工程应用的核电源辐射效应分析方法。结合探测任务特点和工程可实现性,对各类辐射效应的综合影响提出了系统级防护策略,为太阳系边际探测的方案设计和任务实施提供了技术支持和参考。

火星表面辐射环境分析

火星表面没有全球性磁场保护,存在较强的辐射环境。文章基于Mars-GRAM模型和MCD模型的火星大气数据、“海盗号”(Viking Lander 1/2)及“探路者号”(Pathfinder)等测量得到的火星土壤数据、银河宇宙射线环境(CREME 96模型)以及太阳宇宙射线环境(1989年10月太阳事件),采用基于GEANT4的粒子输运方法,分析得到了火星表面辐射环境;并与“好奇号”火星车辐射评价探测器(Radiation Assessment Detector,RAD)实测值进行了比较。结果显示:次级伽马光子和中子通量分析值与实测值偏差不超过50%,辐射剂量分析值与实测值偏差不超过5%。火星表面辐射环境可用于分析航天员在不同位置处遭遇的人体剂量,作为载人火星任务着陆点数据参考。

基于碳纳米管透明导电膜的航天器表面充电防护试验研究

ITO膜常用于卫星表面电位控制,但其易碎、折叠后电阻增大,导致卫星表面存在充电隐患。为解决此问题,试验研究碳纳米管透明导电膜的电阻经过折叠后的变化,并采用低能电子辐照的手段获得碳纳米管膜的充电特性。试验结果显示:碳纳米管膜的体电阻率、充电电位与ITO膜接近,但在相同折叠次数下,碳纳米管膜电阻的变化远小于ITO膜,因此碳纳米管膜在航天器表面充电防护工程应用方面比ITO膜更有优势。

利用弯曲晶体实现空间带电粒子屏蔽方法及应用初探

文章针对传统辐射屏蔽方法质量利用率低的问题,提出利用弯曲晶体对空间带电粒子进行偏转屏蔽的新方法。该方法利用规则晶体内部连续性势垒对带电粒子的束缚作用,使得被束缚的带电粒子随着晶体弯曲而偏转。采用解析方法深入分析了弯曲晶体对带电粒子偏转机理的4个关键参数:临界角,临界半径,退沟道长度和偏转效率;并从偏转效率的角度对比了硅晶体和碳纳米管2种材料的屏蔽效能,结果显示碳纳米管更具备工程应用前景。建立了适合偏转空间各向同性入射带电粒子的屏蔽材料结构,初步分析了该结构偏转空间不同能量电子和质子所需的屏蔽厚度,结果表明:对电子而言,利用弯曲晶体的屏蔽方法优于传统的能量损失方法。

航天材料紫外辐射效应地面模拟试验方法

空间紫外辐射环境可造成航天器材料的光学性能、电学性能或力学性能退化甚至失效。在地面模拟试验过程中较难真实模拟空间紫外辐射环境,因此,通常采用基于效应等效原理的加速模拟试验方法。文章首先对国内外紫外辐射效应试验方法和标准现状进行梳理,进而从紫外曝辐量的计算方法、紫外波长的选择、模拟光源选用、温度选择与控制以及总曝辐量和加速因子的选择等角度对紫外辐射效应地面模拟试验方法进行分析研究,并给出应进一步开展工作的建议。

航天器内带电效应的微弱电流监测技术

航天器的内带电效应是影响其在轨稳定运行的重要因素。内带电效应的电流监测可以直接获得一手的内带电效应监测数据,也可获得反映引起内带电效应的高能电子充电环境的状态。针对近地中高地球轨道环境,基于国外电流监测数据并考虑可能遭遇的高能电子暴环境,分析获得了内带电效应电流的测量范围10 fA~500 pA。针对未来中高轨及木星、火星等深空探测任务内带电监测需求,提出了一种微弱电流监测方案,实现了pA级微弱电流测量模块的实验室模拟标定。标定结果表明,在10 fA~500 pA范围内,输入电流与输出测量电压之间的线性度较好。

基于CYCIAE-100中能质子回旋加速器的单粒子效应敏感度评估

针对基于SRAM型FPGA实现的系统的单粒子效应敏感度评估,采用北京放射性核束装置CYCIAE-100回旋加速器提供的中能质子进行辐照试验研究。以典型SRAM型FPGA器件XC4VSX55为试验样品,获得其本征单粒子翻转截面以及特定应用下的翻转位数与功能错误数的比例关系;并将结果与在瑞士PSI质子辐照装置获得的试验结果进行比较。此外,提出针对基于SRAM型FPGA实现的系统的两步骤单粒子翻转敏感度评估方法,可以定量评估器件在轨功能错误数。本工作同时表明CYCIAE-100提供的长射程的质子,对于倒装器件的单粒子翻转敏感度评估具有重要价值。

倒装SRAM型FPGA单粒子效应防护设计验证

在倒装芯片的单粒子效应防护设计验证中,重离子在到达器件敏感区前要经过几百微米的衬底材料,需要计算器件敏感区中离子的线性能量传输(LET)值。采用兰州重离子加速器加速的55 Me V/μ58Ni离子对基于倒装的Xilinx公司550万门现场可编程门阵列(FPGA)实现的典型系统的单粒子效应防护设计进行了试验验证,采用SRIM、FLUKA和GEANT等不同方法对试验中的LET值进行了分析,同时将SRIM分析的典型结果与基于磁偏转飞行时间法的试验数据进行了比较,发现与现有的重离子分析结果有一定差异。因此在防护验证中采用离子LET作为主要参数的情况下,应对重离子(尤其是高能段)的LET的计算方法进行约定,以规范试验过程,增强数据的可比性。

木星系探测中多层材料的辐射屏蔽优化设计方法

与地球辐射环境相比,木星辐射带中的粒子辐射环境有能量高、通量大、能谱硬等特点,对木星探测器的辐射防护要求更高。航天器设计中常用的多层金属材料的防护效果取决于辐射环境、屏蔽层数量与厚度、屏蔽层叠放顺序等众多因素,因此采用数值方法进行设计十分困难,有必要开发智能屏蔽优化算法。文章结合遗传算法和MULASSIS多层屏蔽仿真程序,以屏蔽后的吸收剂量为优化目标,开发了多层材料辐射防护优化设计方法。利用该方法,得到一定重量指标约束下的最优屏蔽结构,其特点是将高低原子序数材料相结合,多为双层或三层结构,并把高原子序数材料放置在外侧。以远木点和近木点分别为25个和10个木星半径的赤道面轨道为例,当面密度为1 g/cm2时,最优屏蔽结构为0.829 mm铅和0.158 mm镁的双层结构,可将辐射造成的总剂量降低至120.3 krad(Si)/a,与传统铝屏蔽材料相比,可节省近43.6%的重量资源。本方法可用于指导未来木星探测的辐射防护设计。

空间单粒子翻转甄别与定位系统原理样机的设计及试验

单粒子翻转(SEU)是影响空间电子设备可靠性的重要因素,本文提出了一种SEU甄别与定位技术方法,研制了原理样机。硅探测器与辐照敏感器件在垂直方向相互临近安装,粒子入射到硅探测器的位置区域与目标辐照器件单粒子翻转的物理位置相对应。采用波形数字化技术实现了多道粒子甄别与能量信号测量,通过数据回读比较法实现了SRAM器件翻转逻辑定位检测。根据实验室测试和单粒子辐照试验结果,可探测高能粒子的LET≥6.06×10^(-3) MeV·cm^(2)/mg,入射粒子的位置分辨率优于5 mm,最大计数率≥10000 s^(-1),SRAM器件的SEU巡检周期时间分辨率为13.76 ms。通过掌握大容量SRAM型器件的SEU甄别与定位及其辐射环境感知能力,有助于提升空间电子设备的在轨工作性能。

利用人工神经网络快速计算木星系磁坐标

在木星辐射带研究中,从地理坐标向磁坐标的准确转换是建模基础.以往的建模中,磁壳参数L值的计算基于磁偶极场假设,该方法精确度较差.结合最新的高精度木星磁场模型JRM09,本文提出基于磁力线追踪法的木星磁坐标计算方法,并分析其合理性和必要性.要求精确度较高时,磁力线追踪法计算耗时很长.本文在磁力线追踪法的基础上进行改进,提出基于人工神经网络的磁坐标快速计算方法.该方法包括分类器和拟合器.分类器基于Adaboost算法的BP神经网络,用于预测某地理坐标是否在内磁层,如果在内磁层,则用拟合器计算L值.拟合器采用遗传算法优化BP神经网络.结果表明,分类器的分类错误率在3%以内,而拟合器的预测误差在7%以内.以Juno号一圈探测轨道为例,利用神经网络的磁坐标计算法比磁力线追踪计算法速度快3个数量级以上.基于人工神经网络的磁坐标快速计算方法可用于未来木星辐射带的研究.

载人火星任务带电粒子辐射探测方案与应用技术研究

为确保载人火星任务中航天员的安全,有必要搭载辐射探测器对舱内的辐射环境进行实时监测。在对载人火星任务辐射环境分析的基础上,确定了辐射探测器的测量指标并完成了基于两片硅传感器探头的探测器方案设计,包括探头设计和可变采样快门时间的采样设计。另外,针对人体组织与探测材料不同,测量数据无法直接用于航天员辐射损伤预估的问题,将人体组织近似为水,分别给出了辐射剂量、传能线密度在硅和水间的转换关系。