空間電子產(chǎn)品輻照被動防護技術(shù)①

趙 闊，文 陳，桑 潔，2，白晶瑩，劉 峰，孫浩然，藺鵬婷，張立功

(1.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100190；2.北京星馳恒動科技發(fā)展有限公司，北京 100190；3.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094)

0 引言

隨著太空探索活動的不斷發(fā)展，月球探測、火星探測等深空探測任務成為我國的航天的重點。深空探測任務中長距離的航行使得探測任務周期延長，由深空輻射環(huán)境引起的輻射危險和輻射防護愈發(fā)重要[1-2]?？臻g高能粒子輻射是空間探索任務中必須面臨的重要環(huán)境因素。因此，空間高能粒子輻射環(huán)境及其防護受到美國、俄羅斯、歐洲、日本以及我國航天機構(gòu)的高度關(guān)注。長期暴露在輻射環(huán)境中，將導致生物體輻射損傷，威脅航天員的健康，而且也會影響航天器的電子元器件的運行，對航天器的正常工作構(gòu)成重大威脅。因此，空間輻射環(huán)境的屏蔽是航天器總體設(shè)計亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)。

據(jù)統(tǒng)計，衛(wèi)星在軌服役故障中，由空間高能粒子輻射環(huán)境誘發(fā)的衛(wèi)星故障占比高達70%。比如，我國的“風云一號(B)”氣象衛(wèi)星在在軌服役165天后，空間高能粒子導致多次單粒子翻轉(zhuǎn)事件，使得星載計算機突發(fā)故障，繼而過早失效?？臻g輻射環(huán)境與太陽活動周期緊密相關(guān)。2003年，太陽活動頻繁，空間輻射環(huán)境導致許多航天器出現(xiàn)在軌異常。在眾多在軌異常事件中，大部分均是短時出現(xiàn)異常，可以自行恢復。比如，美國“Chandra”號探測器，2003年10月24日出現(xiàn)在軌異常，25日恢復正常運行[3]。但是，部分航天器出現(xiàn)了永久性故障，無法恢復。日本“Adeos2”衛(wèi)星由于輻射效應進入安全模式，由于電源故障，最終完全報廢。由于空間輻射效應，“Adeos2”衛(wèi)星僅在軌運行10個月就提前報廢，比原計劃少運行3年[3]。

與地球輻射環(huán)境相比，深空中輻射環(huán)境更加惡劣，加之空間及時間的延伸，空間高能粒子的屏蔽防護是深空探測任務中的主要難點。針對空間輻照防護需求，本文基于空間輻射環(huán)境特點分析、及各種材料與輻射的相互作用及屏蔽機理研究，進行空間輻射屏蔽方法的分析，并提出合理的研究方向和發(fā)展建議，為我國航天器的抗輻射設(shè)計提供支撐和指導。

1 目前國內(nèi)空間輻射方法介紹

在惡劣的空間輻射環(huán)境中，輻射效應嚴重影響設(shè)備的正常運行，空間輻射防護必不可少[4]。為保證航天器的可靠性，需要采用多種抗輻射措施，包括抗輻射加固和輻射屏蔽等手段。在器件表面貼蓋金屬材料,在封裝前采用涂覆防護層的屏蔽方法是國內(nèi)通用的輻射加固的方式，已取得了成效?？馆椛浼庸碳夹g(shù)可以在一定程度上提高元器件的抗輻射性能，但是只能解決單個或數(shù)量不多的幾個器件，對于排列密度大、器件數(shù)量多、重量有嚴格限制的單機實施工藝難度就很大，而且輻射加固的器件價格昂貴，難以供貨，對高能粒子產(chǎn)生的單粒子效應屏蔽效果不佳。因此，航天器還需要采用輻射屏蔽材料以提高抗輻射性能。

2 空間輻照被動防護技術(shù)研究

空間輻射能量高，難以完全屏蔽。通常，航天器的殼體屏蔽10 MeV以下的質(zhì)子。但僅增加殼體厚度會導致韌致輻射的產(chǎn)量增加，從而航天器內(nèi)總劑量增加。為降低空間高能帶電粒子的危害，國內(nèi)外對輻射屏蔽材料的性能和機理開展了大量的研究，包括金屬材料〔圖1(a)〕、碳氫材料及多層材料〔圖1(b)〕等。

圖1 (a)Juno號的鈦合金防輻射拱頂，(b)小衛(wèi)星上裝配的多層屏蔽材料

2.1 金屬材料

航天器外殼通常為鋁合金，可以屏蔽10 MeV以下的質(zhì)子。Sajid等人[5]研究了Al屏蔽層的屏蔽性能。以南太平洋磁異常區(qū)為例，增加Al屏蔽層后，最高劑量率由10 rad/s降低至0.01 rad/s。通過蒙特卡羅模擬仿真的方法分析了不同面密度Al屏蔽層的防護性能，其在LEO軌道三年的深度劑量分布特點如圖2所示。3 mm厚的Al屏蔽可將總劑量減少至10 krad，即可以滿足65 nm和130 nm工藝集成器件的輻射屏蔽需求。

圖2 近地軌道衛(wèi)星運行三年的劑量-深度曲線

Novikov等人[6]對在國際空間站軌道上的哥倫布號實驗艙內(nèi)的初級粒子及次級粒子能譜進行了研究，如圖3所示。航天器外殼可以對入射粒子起到屏蔽作用，但同時會產(chǎn)生大量的次級粒子。對于銀河宇宙射線中的質(zhì)子，艙內(nèi)質(zhì)子的通量高于入射粒子的通量。Fujita等人[7]對高能電子穿過鐵屏蔽層后的次級輻射種類及劑量進行了研究。高能電子穿過鐵屏蔽層后產(chǎn)生了大量的韌致輻射X射線和次級中子，其中次級中子的劑量約為軔致輻射X射線劑量的1%～20%，而且二次中子的劑量也是不可忽略的。對高能粒子的輻射屏蔽防護，不僅需要對入射粒子有良好的屏蔽能力，二次粒子的產(chǎn)生及屏蔽也是需要重點考慮的因素。

圖3 倫布實驗艙內(nèi)由(a)地球輻射帶粒子和(b)銀河宇宙射線中質(zhì)子產(chǎn)生的粒子能譜(1：初級粒子能譜；2：艙內(nèi)中子能譜；3：艙內(nèi)質(zhì)子能譜)

為實現(xiàn)對高能帶電粒子的可靠屏蔽，研究人員還對其他金屬材料的屏蔽性能進行了研究。Fujimoto等人[8]研發(fā)了一種鎢功能紙，其鎢含量高達80wt%，并研究了對電子的屏蔽效果。結(jié)果表明：15 mm鎢功能紙對9 MeV的電子的屏蔽率達到94.2%。但當鎢功能紙厚度較薄時(<4 mm)，出射粒子的劑量反而增加，這是由二次粒子導致的。針對高能帶電粒子與物質(zhì)作用產(chǎn)生的二次粒子。

木星具有太陽系行星中輻射環(huán)境最惡劣的輻射環(huán)境，其輻射帶主要由高能電子組成，極難進行屏蔽。Lasi等人[9]針對木星輻射環(huán)境，研究了微通道板探測器的輻射屏蔽材料。研究結(jié)果表明，鉭屏蔽材料具有良好的電子屏蔽效果(圖4)。8 mm厚鉭屏蔽相比6 mm厚鉭屏蔽，增加了2 mm厚度，但屏蔽效果僅增加2 mm厚度鉭的30%。綜合屏蔽效果及重量資源，6 mm厚鉭屏蔽材料具有最優(yōu)的屏蔽效果。此外，NASA利用鈦和鉭等具有高Z的金屬材料作為高能電子的屏蔽防護材料開發(fā)了防輻射拱頂和屏蔽盒(圖5)，成功應用于“Juno”號木星探測器。

察哈爾蒙古兵介入戰(zhàn)爭不是因為與回、哈薩克等民族有平時促成矛盾，而是因為蒙古兵作為守護塔爾巴哈臺的卡倫和臺站官兵，自清朝自張家口移至塔爾巴哈臺時，就有任務保護自己的游牧地和邊疆的安危和社會穩(wěn)定的責任，為了完成自己的責任和義務必須與起事者奮斗，完成自己的使命，直至將起事者鎮(zhèn)壓。

圖4 不同屏蔽層的屏蔽效果

(a)防輻射拱頂 (b)輻射屏蔽盒

2.2 碳氫材料

高能粒子在物質(zhì)傳輸過程中，通過直接電離和韌致輻射兩種方式轉(zhuǎn)移動能。直接電離產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)移與物質(zhì)的Z/A比值正相關(guān)，因此，低Z材料具有更好的屏蔽性能。低Z元素具有更低的平均原子質(zhì)量。在相同的質(zhì)量下，低Z材料具有更多的原子核，使得空間高能粒子在傳輸路徑上會與更多的原子核相互作用，使得高能粒子的能量降低。此外，低Z元素如C和O，與空間高能粒子的相互作用過程中，會產(chǎn)生He原子，而不會產(chǎn)生中子[10]。因此，低Z材料具有更好的屏蔽空間高能粒子效果。

NASA通過NICE項目，研究了不同材料對空間高能粒子的輻射屏蔽性能，指出液氫是最好的防輻射屏蔽材料，但液氫無法作為結(jié)構(gòu)材料使用，無法應用。BN+20%氫是一種固體材料，具有良好的輻射屏蔽性能和研究價值。

Stemrad和洛克希德馬丁[11]為減輕空間高能粒子對宇航員健康的影響，采用富含氫的聚合物研發(fā)了Astrorad可穿戴輻射防護設(shè)備，不僅有利于空間輻射屏蔽，而且可以減少二次輻射的產(chǎn)生。根據(jù)測試，Astrorad可以提供與獵戶座火星載人飛船上的風暴庇護所同等的輻射防護水平。Astrorad可以選擇性的保護那些對輻射最敏感的器官和組織，以最少的質(zhì)量提供最大的生物保護，且允許宇航員在佩戴時不受拘束，舒適地移動。此外，Stemrad目前正在探索利用未來航天器上產(chǎn)生的回收塑料材料用于屏蔽元件，這將大大降低設(shè)備的有效載荷質(zhì)量。

NASA和Boeing對金屬氰化物、金屬-有機框架材料、微孔有機高分子復合材料、碳復合材料的空間高能粒子輻射屏蔽防護性能進行研究(圖6)。64種材料中，9種材料的輻射屏蔽防護性能優(yōu)于聚乙烯，其余30種材料的輻射屏蔽防護性能優(yōu)于鋁合金。

圖6 鋁合金、高密度聚乙烯、甲烷和氫氣的輻射吸收劑量

NASA蘭利研究中心采用超高分子量聚乙烯通過場輔助燒結(jié)技術(shù)開發(fā)了一種輕質(zhì)高能粒子屏蔽材料，這種材料具有良好的耐蝕性、極低的水敏感性、非常小的摩擦系數(shù)和良好的耐磨性，可以用于下一代太空探索任務中，以保護人類和電子產(chǎn)品。此外，研究人員還通過添加碳化硼、鎢、碳化鎢和鎘等填料，增強基材的高能粒子防護性能。

Steffens等人[12]研究了鉭強化的碳纖維增強塑料、鎢強化聚乙烯、鎢強化聚酰胺和高Z填料增強的環(huán)氧樹脂四種材料對高能電子和質(zhì)子的屏蔽性能。測試結(jié)果表明，在以質(zhì)子為主的輻射環(huán)境中，鎢強化聚乙烯具有最好的輻射屏蔽效果；而鎢強化聚酰胺具有最好的電子屏蔽性能。1.1 mm厚度的鎢強化聚酰胺的屏蔽效果與4.22 mm鋁合金相當，可以用于更加緊湊的點屏蔽。

Urban等人[13]采用碳纖維增強塑料制備了抗輻射復合材料外殼(圖7)，可以作為結(jié)構(gòu)材料和輻射屏蔽材料應用于未來載人飛船和無人航天器及月球基地和火星基地等?？馆椛鋸秃喜牧系拿芏群湍途眯跃鶅?yōu)于鋁合金，可以屏蔽低能質(zhì)子和中子等輻射。通過對比，復合材料的屏蔽性能和鋁合金相近，但復合材料具有更低的密度和更高的剛度。

圖7 裝配有抗輻射復合材料的小衛(wèi)星VZLUSAT-1

馬歇爾太空飛行中心已開發(fā)出一種多功能、新穎的高氫環(huán)氧基質(zhì)與硼和碳纖維相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)復合材料，其面密度為0.35 g/cm2。環(huán)氧樹脂中的氫原子將提供對高能質(zhì)子、電子和重離子物質(zhì)的屏蔽強度，而具有高中子截面的硼纖維有助于屏蔽中子并減少來自中子的高能光子積累。

另外，一些新輕量級輻射屏蔽材料也逐漸得到應用，其中鎢加強型聚乙烯可用于質(zhì)子為主的輻射環(huán)境屏蔽，該結(jié)構(gòu)有很好的穩(wěn)定性。鎢加強型聚酰胺可用于電子為主的輻射環(huán)境屏蔽，該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差但絕緣性好，可用于點屏蔽。董宇等[14]向環(huán)氧樹脂中加入WO3和CeO2填料，制備了輻射防護材料，利用吸收互補的功能填料，有效提高了材料的屏蔽性能。

2.3 多層涂層材料

重元素材料能更有效阻止電子，輕元素材料由于含有較少的中子，所以產(chǎn)生較少的韌致輻射。鑒于輕重材料的優(yōu)缺點，通常將二者結(jié)合形成多層材料以實現(xiàn)較好的空間高能粒子屏蔽效果。

由于材料組成眾多，加之材料層數(shù)、疊放順序及屏蔽層厚度都對多層材料的屏蔽防護性能有影響。因此，多層材料的研究前期主要集中在智能算法仿真計算。

Cherng等[15]利用Monte Carlo仿真，發(fā)現(xiàn)當屏蔽層>10 g/cm2時，鋁/鎢復合屏蔽效果好于單層鋁屏蔽。Spieth等[16]分析了復合材料電子機箱對空間高能粒子的輻射屏蔽效果。其研究結(jié)果表明，在相同屏蔽效果下，含高Z填料的復合材料機箱相比鋁合金可以減重30%。Fan等人[17]經(jīng)過仿真，發(fā)現(xiàn)對于地球MEO電子輻射環(huán)境，在相同面密度下，鋁/鉭/鋁的結(jié)構(gòu)比單層鋁結(jié)構(gòu)屏蔽效果高60%。曹洲等人[18]針對地球輻射環(huán)境采用MULYSSIS軟件包計算了4種含W多層屏蔽結(jié)構(gòu)對電子、質(zhì)子的屏蔽效果以及對二者貢獻的總劑量的屏蔽效果，指出3層屏蔽材料的效果優(yōu)于雙層結(jié)構(gòu)。表層低Z材料首先使粒子能量降低，然后中間高Z材料起到很大的阻止作用，最里層又可以吸收二次粒子和軔致輻射，從而產(chǎn)生良好的屏蔽作用[18]。針對木星輻射環(huán)境，王建昭等人對鉛、鎂雙層屏蔽結(jié)構(gòu)的防護效果進行仿真。鉛、鎂雙層屏蔽材料相比同等屏蔽效果的傳統(tǒng)鋁屏蔽材料，可減重43.6%。

通過多層材料的智能算法仿真分析，研究人員對空間高能粒子的輸運過程及與材料的相互作用進行了大量探索，取得了較好的成果。美俄等航天強國基于前期研究結(jié)果，開展多層材料的開發(fā)，并有部分材料已經(jīng)開始在軌驗證。

NASA蘭利研究中心通過在鋁合金基材上涂覆高密度金屬，比如鈦和鎢，開發(fā)了一個新型的多層金屬輻射屏蔽層(圖8)。這種多層金屬輻射屏蔽涂層具有低成本和易實現(xiàn)的特點。NASA測試其高能粒子輻射屏蔽性能。結(jié)果表明，多層金屬屏蔽材料可以對低地球軌道小衛(wèi)星電路提供良好的輻射屏蔽防護，降低100倍的電離劑量，并消除內(nèi)部充電效應，從而將小衛(wèi)星的有效壽命由3個月提高到1年。

圖8 小衛(wèi)星上裝配的多層屏蔽材料

NASA蘭利研究中心還采用Ta、Cu和纖維金屬層板開發(fā)了一種低成本的多層屏蔽材料，其輻射屏蔽性能相比厚度是其2倍的單層鋁合金提高了30%。據(jù)報道，這種多層屏蔽材料已應用在小衛(wèi)星上，并在軌研究材料對衛(wèi)星核心系統(tǒng)的防護作用。據(jù)地測試結(jié)果表明，以多層屏蔽材料作為輻射防護的小衛(wèi)星可在軌服役7年。

Tokar等人[19]采用硅酸鋰和氧化泌在鋁合金表面制備了重金屬層，離子輻照試驗表明可以將地球靜止軌道的輻射吸收劑量減小10到1 000倍。Vilkov等人[20]以硅酸鈉作為粘結(jié)劑；以鎢粉作為高Z填料；以氧化鋁或氮化硼作為低Z填料制備了兩種多層屏蔽材料，其總厚度為1 mm。北卡羅來納州立大學研究團隊[21]最近發(fā)現(xiàn)了一種更有效、能讓探測器重量更輕的輻射屏蔽材料，即利用添加了鐵銹的三防漆來取代鋁。研究人員將氧化的金屬氧化物(鐵銹)混入聚合物內(nèi)，發(fā)現(xiàn)這些生銹粉末屏蔽輻射的能力與傳統(tǒng)抗輻射材料相當。Zhang等人[22]通過熱噴涂在鋁合金表面制備了涂層，并采用化學鍍制備了鎳層，形成了多層防輻射涂層，如圖9所示，其防輻射性能優(yōu)于同面密度鋁3.3倍。

圖9 多層防輻射涂層

從防護機理分析，低Z元素具有更低的平均原子質(zhì)量。在相同的質(zhì)量下，低Z材料具有更多的原子核，使得空間高能粒子在傳輸路徑上會與更多的原子核相互作用，使得高能粒子的能量降低。此外，低Z元素含有較少的質(zhì)子和中子，相應的，與高能粒子作用產(chǎn)生的次級電子和γ射線、以及次級中子數(shù)量較少，具有更好的綜合屏蔽效果[10]。然而采用多層材料無法實現(xiàn)有機過渡結(jié)合，因此,由含有輕元素的粘結(jié)劑和重元素及輕元素填料組成的防輻射涂層具有良好的研究前景。

3 結(jié)論

本文對空間輻照的防護方法等進行了綜述，被動防護包括金屬材料、碳氫材料以及多層材料。防輻射涂層由含有低Z元素的粘結(jié)劑和高Z元素及低Z元素填料組成。多層或梯度涂層可以實現(xiàn)更好的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制，達到多層次多功能的有機融合，從而實現(xiàn)輕元素和重元素的可控混合制備。利用低Z材料和高Z材料的防護互補，可以實現(xiàn)良好的屏蔽效果。因此，研制具有良好屏蔽效果及結(jié)合力的防輻射涂層，對航天器防輻射設(shè)計及防輻射涂層的應用具有重要意義。