关于高能带电粒子的屏蔽防护问题

关于高能带电粒子的屏蔽防护问题

叶宗海孙越强韩建伟薛丙森蔡燕霞

（中国科：学院空间科学与应用研究中心）

摘要

空间高能带电粒子对航天器的材料、电子器件、仪器设备、生物、航天员等均产生不同的影响，甚至带来严重的损伤，利用屏蔽是航天工程师常用的对高能带电粒子的防护手段之一。但是，在什么样的航天器轨道上采用什么样的屏蔽材料、采用多厚的材料屏蔽最为合适？仍是设计中的问题。本文概要描述屏蔽对总剂量效应的影响、屏蔽对单粒子事件的影响，介绍选取屏蔽材料及厚度的原则，以便获得最佳屏蔽设计。

关键词：空间高能带电粒子、屏蔽与防护、总剂量效应、单粒子事件

Ｘ

一日Ｕ舌

在同地空间范围内存在着大量的高能带电粒子，它们主要是银河宇宙线、太阳宇宙线（也称太阳质子事件）、地球辐射带粒子，它们构成了航天器轨道上高能带电粒子环境。

银河宇宙线是来自太阳系以外的高能带电粒子，其主要成分是质子（约占总数的８４．３％），其次是氦核（约占总数的１４．４％），其它重核约占总数的１．３％，‘银河宇宙线几乎包含了元素周期表中所有的元素：银河宇宙线有很高的能量，且能谱极宽（几百ＭｅＶ至１０“ｅＶ）；银河宇宙线的通量不高，在远离地球、地磁场影响可以忽略的空间，其最大通量约为４个粒子／ｃｍ２・ｓ（在太阳活动极小年）。

太阳宇宙线是太阳发生爆发时发射出的高能带电粒子流。由于它的绝大部分是由质子组成的，故又常叫做太阳质子事件。除质子外，还有氦核（占总数的３一ｊ％），还有少量的其它重核，不同的事件，其重核的含量也不相同。太阳质子事件具有偶发性和高通量的特点，最大通量可高达１０４以上，事件（几小时至几十小时）的总通量可达１０“。以上；太阳宇宙线粒子的能量一般从ｌＯＭｅＶ到数十６ｅＶ之间，最高可达数百ＧｅＶ，因此，对航天器及航天员具有很大的威胁。

地球辐射带是指在近地空间被地磁场捕获的带电粒子区域，常称为地磁捕获辐射带或ＶａｎＡｌｌｅｎ辐射带。根据辐射带的结构和空间分布又分为内辐射带和外辐射带。内辐射带是靠近地球最近的捕获带电粒子区域，主要由质子和电子组成，还有少量的重离子存在。其空间范围在赤道平面上，大约为６００—１００００ｋｍ的高度范围．在负地磁异常区（南大西洋上空）内辐射带的高度可低至２００ｋｍ左右。内辐射带质子的能量从数ＭｅＶ至数百ＭｅＶ之间，电子能量从几十ＫｅＶ至４ＭｅＶ之间，通量可高达１０８粒子／ｃｍ：！ｓ。离地球较远的捕获带电粒子区域称为外辐射带，其空间范围在赤道平面内的平均位置离地面约１０Ｌ６Ｘ１０４ｋｍ．外辐射带主要由电子和质子组成，而质子的能量很低，通常在数ＭｅＶ以下，其通量可高达１０？粒子／ｃｍ！ｓ。上述高能带电粒子对航天器的影响主要表现在两个方面；一是对航天器的材

料、电子器件、生物及航天员的辐射损伤效应；二是对大规模集成电路的微电子器件产生的单粒子事件效应。此外，太阳质子事件、沉降粒子的注入．使电离层电子浓度增加．造成通讯、测控和导航的严重干扰。在航天发展历史上．由于空间高能带电粒子环境造成的航天器异常事件、甚至造成灾难性的后果的事例己累见不鲜，因此，高能带电粒子环境及其对航天活动的影响，是当前航天界十分关注的热点之

一。如何采取相应的防护措施和对策，防止和减轻它们对航天器的危害，以保障航天器的飞行安全，延长航天器的使用寿命是非常重要的。采取屏蔽措施是航天工程师常用来对高能带电粒子的防护手段之一。然而，并不是屏蔽越厚越好，对于不同的航天器轨道、采用什么样的材料、用多厚的屏蔽材料、屏蔽产生的负效应评估、采用什么样的屏蔽方式以达到最佳效果等，仍是航天器设计中的重要问题。

本文将概要介绍屏蔽在防护和减轻高能带电粒子中的作用，它在对总剂量效应的影响、对单粒子事件的影响方面的利与弊，以及如何进行屏蔽设计和考虑，以保障获得最佳效果。

二屏蔽对总剂量的影响

空间高能带电粒子对总剂量的影响最终体现在对航天器的辐射损伤效应。

带电粒子对航天器的辐射损伤作用，主要是通过以下两个作用方式：一是电离作用，即入射粒子的能量通过被照物质的原予电离而被吸收；高能电子大都是产生这种电离作用；另一种是原子的位移作用，即被高能离子击中的原子的位置移动而脱离原来所处的晶格中的位置，造成晶格缺陷。高能质子和重离子既能产生电离作用，又能产生位移作用。这些作用导致航天器上的各种材料、电子器件等的性能变差，严重时会损坏。如玻璃材料在严重辐照后会变黑、变暗，胶卷变得模糊不清，人体感到不舒服、患病甚至死亡；太阳能电池输出降低，各种半导体器件性能衰退，如增益降低．，工作点漂移，甚至完全损坏。在半导体器件和太阳电池中，由于电离作用使二氧化硅绝缘层中的电子一空穴对增加，导致ＭＯＳ晶体管的阈值电压漂移，双极型晶体管增益下降，普遍地使漏电流增加，造成器件的性能下降，使单元电路不能完成原定的功能。位移作用的后果是硅中少数载流子的寿命不断缩短，造成晶体管电流增益下降和漏电流增加。这些综合作用也就导致太阳电池的输出功率下降。此外，带电粒子以及紫外辐射对太阳电池屏蔽物的辐射损伤，如使屏蔽物变黑，影响太阳光进入到太阳电池本身，这一效应也会使太阳电池功率下降。

为了减轻或降低辐射剂量避免造成辐射损伤，最常用而有效的方法是采用屏蔽措施。而辐射屏蔽的设计必须考虑下面的问题：

１．辐射剂量

空间粒子辐射剂量通常是指吸收剂量，它的定义是受射线照射的物质单位质量ｄｍ所吸收的能量ｄＥ．称为该物质的吸收剂量Ｄ，即

Ｄ＝篆

吸收剂量的单位为戈瑞（Ｇｙ），１Ｇｙ＝ｌＪ／ｋｇ，习惯用单位为拉德（ｔａｄ），ｌｒａｄ２１０００ｅｒｇ／ｇ，１Ｇｙ＝ｌＯＯｒａｄ。吸收剂量是辐射与物质相互作用的结果，它的大小不仅仅与辐射场有关．它还依赖于被辐射的物质，不同的物质在同一辐射场条件下，

其吸收剂量并不一样，因此，通常在ｒａｄ或Ｇｙ单位后注上被辐射的物质，如ｒａｄ（Ｓｉ），Ｇｙ（Ａ１）等。’

带电粒子与物质相互作用而损失能量主要有以下几种：

１）和物质原子的壳层电子发生库仑作用使原子电离和激发而损失能量。

电离和激发是带电粒子与物质相互作用最主要的能量损失方式，对于电子在单位路程上的平均电离能量损失（阻止本领），根据Ｂｅｔｈｅ公式可写为（当入射粒子的能量Ｅ）＞兰一Ｅ由琳时）：Ｍ

一‘面）２亨

其中Ｂ为阻止系数

（２）一（粤）：生掣ＮＺＢＢ斗赫‰一（ｚ一巧小Ｂ２）ｌｍ２＋ｌ－ｆ３２＋扣厅卜司

式中Ｂ＝ｖ／ｃ，６是指高能时的密度修正，Ｉ是物质原子的平均激发能，ｚｅ是入射粒子的电荷，ｖ和ｍ是入射粒子的速度和质量，ｍ是电子的静止质量，Ｅｔ自为电离能，Ｎ为单位体积吸收物质的原子数，ｚ为吸收物质的原子序数，ＮＺ为单位体积吸收物质中的电子数，即电子密度ｒｌ。

对于质子和重离子有

一ｃ务警Ⅳｚ［－ｎ焉∥叫

一（磊ｄＥ…／Ｉ－ｄＥｋ＝等等（３）２）轫致辐射损耗当带电粒子的能量较高时，它在原子核库仑中得到加速产生轫致辐射而损失能量，轫致辐射引起的能量损耗计算公式很复杂，它与电离损耗之间的关系如下（在相对论能量范围）

（４）

其特点是，它与入射粒子能量成正比，与入射粒子质量的平方成反比，因此，在我们研究的能量范围内，只有高能电子的轫致辐射比较显著。

３）由核反应及核的库仑碰撞所引起的能量损失，就剂量而言，该项能量损失与电离能损失相比很小，可以忽略。

４）受原子核库仑场作用而发生弹性散射。质子和重离子散射不显著，散射角魂材

较小，一般可以不考虑。电子与核发生的弹性散射过程中，入射电子和原子核的总动能保持不变，只改变方向，应用Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ理论可以得到不同散射角的截面公式，从而计算出电子的自由程。

根据带电粒子在物质中的能量损失，就可以得到在该物质中的吸收剂量。

Ｄ＝受ＪＥ嘿恻Ｅ（５）

式中（簧，ｐ）是物质的质量碰撞阻止本领，它是带电粒子能量的函数，ＪＥ是介质中的带电粒子的谱分布，它包括入射的带电粒子和在物质中产生的次级带电粒子或６射线，ｐ是物质的密度。

２．引起吸收剂量的空间环境

引起辐射剂量的空间环境主要是地球内辐射带的质子和电子、外辐射带的电子，对于高轨道或倾角大于４５度的低轨航天器还应考虑太阳爆发时产生的太阳宇宙线（主要是太阳质子）。银河宇宙线、辐射带中的重离子以及太阳宇宙线中的重离子产生的剂量很小（年剂量为几ｒａｄｓ到几十ｒａｄｓ），对航天器一般可以不考虑，仅对航天员的影响要加以考虑。

航天器内部的辐射剂量受到天然辐射及屏蔽产生的次级辐射的影响，在地球同步轨道（ＧＥＯ）由于高能电子与屏蔽材料相互作用产生的轫致辐射将是这一轨道上辐射剂量的重要组成部分。在低倾角低轨道（ＬＥＯ）上，辐射剂量的主要贡献是质子，轫致辐射不是主要的。（见图４）

３．不同卫星轨道上的辐射剂量

航天器舱外的辐射剂量取决于航天器的轨道参数（空间粒子环境的分布）、运行的时间（累积剂量）、太阳与磁层活动的水平（粒子辐射环境的变化）；舱内的辐射剂量除上述条件下还取决于屏蔽材料的种类与厚度、舱内的屏蔽模型。

利用屏蔽剂量模型（ｓｈｉｅｌｄｏｓｅ）、辐射带质子（ＡＰ一８ｍａｘ）和电子（ＡＥ一８ｍａｘ）模型计算了在４ｍｍ球形铝（Ａ１）屏蔽下的园形赤道面轨道下，不同高度的辐射带粒子年平均剂量，如图ｌ所示。

圆形赤避轨道叶１的年＿｝ｉｌＩ量（ｓｉ）

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图１不同高度的辐射带粒子年平均剂量（４ｍｍＡｌ）

出图１可看，辐射剂量最大值出现在３０００ｋｍ和２０００ｋｍ高度附近；分别给出了质子、电子和轫致辐射的贡献，以及总剂量的水平；并指出了商用器件失效的剂量值和半数加固器件的危险剂量值；还可以看到在地球同步轨道（ＧＥＯ）质子的剂量贡献很小，可以不予考虑。

用同样的模型计算了在球屏蔽模型下几种典型轨道上辐射带粒子年平均剂量的深度曲线，这些轨道是地球同步轨道（ＧＥＯ）、太阳同步轨道（ＳＳＯ）、低轨道（ＬＥＯ，５００ｋｍ，倾角２８。）、前苏联的“闪电”卫星轨道（ＭｏｌｎＪｙａ，４００～４０００ｋｍ，倾角６００），他们各自的剂量深度曲线如图２所示。

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深度（黼＾ｊ）

图２辐射带粒子的剂量深度曲线

由图２可以看出，地球同步轨道的剂量较高，主要是外辐射带电子的贡献，“闪为了更清楚说明不同卫星轨道辐射剂与屏蔽的关系，我们给出了６种应用卫星

霸谬电”卫星轨道是一大椭园轨道，它穿越地球的内外辐射带，所以辐射剂量也高；同时可以看到，随着屏蔽厚度的增加，辐射剂量也迅速下降，但当屏蔽厚度大到一定值后，屏蔽的作用迅速降低，再增大屏蔽厚度对剂量的减少已无大的贡献，这说明并不是屏蔽厚度越厚对屏蔽剂量的效果就越好。轨道的年辐射剂量深度曲线，他们的轨道是：和平号空间站（ＭＩＲ，太阳极小年）、极轨卫星（Ｐｏｌａｒ，８７０ｋｍ，９９０倾角）、同步卫星转移轨道（ＧＴＯ，２００—３６００ｋｍ，倾角２８。），地球同步轨道（ＧＥＯ）、全球定位系统（ＧＰＳ，２０１８２ｋｍ，５５０倾角）、红外空间观测站（ＩＳＯ，５９８—７０５００ｋｍ，倾角３．３。），他们各自的年剂量深度曲线如图３所示。

觑盛轨道荆麓【球孵韬ｊ；；｝菠）

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图３不同轨道年剂量深度曲线

同样可以看到，剂量随屏蔽厚度增加而迅速下降，在无屏蔽时，ＧＥＯ轨道年剂量可达１０８ｒａｄ（ｓｉ），太阳同步轨道年剂量可达１０６ｒａｄ（ｓｉ），在典型的３ｍｍＡｌ屏蔽下，ＧＥｏ年剂量下降到１０５ｒａｄ（ｓｉ）、太阳同步轨道年剂量下降到１０３ｒａｄ（ｓｉ）。但在６ｍＡｌ屏蔽之后，低轨（ＭＩＲ、Ｐｏｌａｒ）的剂量下降就很缓了，而高轨道（ＧＥＯ、ＩＳＯ、ＧＴＯ、ＧＰＳ）在】ＯｍＪＩｌＡｌ屏蔽之后剂量下降才缓慢下来。

图４则给出了低轨道（ＬＥＯ）各种不同粒子的剂量深度曲线。由图可以看到，屏蔽对减少电子产生的剂量要比减少质子的剂量更有效，低轨道的轫致辐射剂量要比总剂量小１—２个数量级。

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图４ＬＥＯ轨道各种粒子的剂量深度曲线

４．“实践五号”卫星轨道上的剂量测量

“实践五号”卫星于１９９９年５月１０同发射进入太阳同步轨道，其倾角为９９．８。，高度为８７０ｋｍ。从１９９９年ｊ月２０自至８月１０日“实践五号卫星运行期问，我国首次进行了对极轨卫星空间辐射剂量的测量，利用Ｐ～ＩＯＳ剂量仪测量在不同屏蔽条件下星内的辐射剂量，其结果如表ｌ和图５所示，可以看到当屏蔽增加时，辐射剂量明显下降。

表１不同屏蔽条件下测量的极轨卫星的空间辐射总剂量

探测结果卫星屏蔽厚度

１４０ｒａｄ温控包扎层＋卫星蒙皮

９３ｒａｄ温控包扎层＋卫星蒙皮＋１．Ｏｎ铝

４３ｒａｄ温控包扎层＋卫星蒙皮＋１．５ｍｍ铝编号１２３

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１６０

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图５“实践五号”卫星辐射剂量仪测量的辐射总剂量随时间的变化

三屏蔽对单粒子事件的影响

导致单粒子效应发生的根本原因是高能带电粒子在器件灵敏单元中沉积足够能量和产生足够额外电荷，及产生强的瞬时电流。重离子与物质相互作用的主要方式是电离作用，即具备产生足够空间电荷的能力：质子固有的电离作用是很弱的，但是它能够通过与靶材料原子核发生核反应产生次级重离子，通过这些重离子的电离作用也能够产生诱发单粒子效应的空间电荷，也就是说空间辐射环境中的高能质子和具有强电离相互作用（通常用ＬＥＴ值反映重离子电离作用能力，从靶材料的角度讲就是其对粒子的阻止本领）的重离子是诱发器件单粒子效应的主要因素。空间环境中高能重离子主要来源于银河宇宙线和太阳宇宙线，质子主要来源于地球辐射带、太阳宇宙线和银河宇宙线。

１．高能带电粒子的传输和屏蔽计算

高能带电粒子要穿过航天器舱壁和仪器盒及器件封装壳才能作用于器件灵敏单元诱发单粒子事件，因此计算高能带电粒子在这些材料中的传输，得到作用于灵敏单元的高能带电粒予能谱，才能根据高能粒子与半导体材料相互作用规律估算单粒子效应。高能带电粒子在屏蔽材料中主要是发生电离作用损失能量被慢化，或者当能量足够低时被阻止在靶材料中。高能带电粒子还会和靶材料原子核发生核反应，使得入射粒子束强度减弱；当靶材料较厚时，核反应产生的能量较高的次级粒子强度较大，它们能够穿透屏蔽材料进入航天器舱内，对单粒子效应也有贡献。在靶材料较薄（＜ｌＯｇ／ｃｍ２铝）时，不计核反应次级产物的贡献，只考虑发生核反应使入射粒子束强度减弱和靶材料对粒子的慢化作用，根据下式计算粒子传输

螂Ｍ叫器ｅｘｐ（叫）（６）

其中ｄ为屏蔽材料厚度，瓯为粒子发生核反应的宏观吸收截面，中’（Ｅ’）、中（Ｅ）分幽眵

别为舱外能量为Ｅ’和进入舱内能量降低为Ｅ的粒子通量，Ｓ（Ｅ‘）和Ｓ（Ｅ）为靶材料对两种能量粒子的阻止本领。粒子穿透屏蔽材料前后的能量有如下荚系

Ｅ、＝Ｒ１怛（Ｅ）＋ｄＪ（７）

式中Ｒ（Ｅ）是能量为Ｅ的粒子的射程，Ｒ。表示求反函数。若离子射程小于ｄ，即其被阻止在屏蔽材料中。

对于像载人飞船和空间站这样的大型航天器，其总的屏蔽厚度较厚，核反应次级粒子的贡献较显著，除了考虑上述作用过程外，还要计算具体核反应产物的传输，即要求解如下的玻尔兹曼方程

ｒＩａ１

ＰＶ。玄盖Ｓｊ㈣Ｅ＂一㈣ＥⅣ。Ｑ‘日ｆ８）

＝∑ｆ扭ｄＱ盯，。（Ｅ．￡、．Ｑ．Ｑ、）中。（Ｊ．口．Ｅ、）

式中，中．（ｘ，Ｑ，Ｅ）为能量为Ｅ的离子Ｊ在Ｘ位置沿Ｑ方向的微分通量，ｏ，即为上述的核反应吸收截面，ｏ，。（Ｅ，Ｅ‘，Ｑ，Ｑ、）为能量为Ｅ’，沿着Ｑ’方向运动的ｋ粒子产生能量为Ｅ，沿Ｑ方向运动的ｊ粒子的微分截面。

２．器件单粒子效应响应特性描述

此处的器件单粒子效应特性是指器件本身固有的一种特性，与外界辐射环境无关。正确地描述器件的这种特性，是准确估算特定高能带电粒子环境下器件发生单粒子效应程度的前提条件。由于重离子和质子触发单粒子效应的机制不同，器件对两种粒子辐射的响应特性描述也不同。

实验研究发现，器件发生单粒子效应的截面ｏ．，和重离子ＬＥＴ值Ｉ．的关系可以用Ｗｅｉｂｕｌ１函数描述

删：Ｈ叫＿【争］‘卜ｚｋ㈨

‘

”一Ｌ。ｋ

其中Ｌ。为触发单粒子效应的ＬＥＴ闽值，ａ。为ＬＥＴ值很高时的饱和截面值，ｓ和ｗ为Ｗｅｉｂｕｌｌ函数参数。

对于质子诱发的单粒子效应可直接用截面随入射质子能量的变化关系描述器件的响应特性，常用的有Ｂｅｎｄｅｌ公式

咿削４Ｉ－ｅｘｐ（＿Ｏ．１８Ｙｍ）『（１０－１２Ｃ１，１２）（１０）

Ｙ：ｆ旦ｎＥ－＾）…）

＼Ａ／

其中Ａ和Ｂ为两个参数，Ａ反映了诱发翻转所需的最小质子能量。

３．器件单粒子翻转率预测

有了上述准备工作，我们就能够预测特定轨道飞行的某种器件在一一定厚度材料的屏蔽下发生单粒子效应的程度了。

空间高能带电粒子辐射不同于地面实验模拟．它们是各向入射的．在具体估算单粒子效应程度时主要要考虑此特点。对于质子辐射．我们能够计算各向入射器件的核反应沉积能量谱．即我们提出的器件对质子辐射的响廊特性描述研究考虑了，宁３ｌｌ

问质子辐射的特点，对质子诱发的单粒子翻转率的估算较简单，如式（１２）进行即可。’

凡＝ｅ吖乞）ｅｐ（ｅ，）ｄＥ，“２）

其中中（Ｅｐ）为舱内质子通量，已。Ｅ。，分别是舱内质子所具有的最小和最大能量。

若入射重离子是各向同性的，我们可以对各个立体角进行积分计算得到全向入射翻转截面，如下

瓤）２击！础积Ｌ）ｄＱ（１３）

这样，结合前面计算得到的航天器舱内重离子微分通量中（０，（ｐ，Ｌ）或全向通量巾（Ｌ）就可计算重离子诱发的器件单粒子翻转率。

‰＿驻础删螂，如ｄＱｄＬ（１４）

Ｒｈ。＝４厅ｒ１孑（Ｌ）中（Ｌ）以（１５）

＿‘州ｎ

其中，Ｌ…、ｋ、分别为舱内重离子的最小和最大ＬＥＴ值。如表５是我们预测的“实践五号”轨道不同屏蔽条件下几种器件的单粒子事件的发生率。

表２实践五号卫星轨道不同条件下器件的单粒子事件发生率计算结果

器件’无屏蔽３．Ｏｍｍ１０ｍｍ２５ｍｍ１９８９午事件坶Ｊ问ｊ９８９年事件期间

铝屏蔽铝屏蔽铝屏蔽（无群蔽）（２５ｔｉｎ铝屏蔽）

８０Ｃ１８６４．４１Ｅ—ｊ４．２４Ｅ－５３．８５Ｅ－５３．１８Ｅ一５３．９４Ｅ－４８．４７Ｅ－５

ＣＹ７Ｃ２６１１．６３Ｅ一７１．５６Ｅ－７１．４２Ｅ一７１．１８Ｅ－７８．４４Ｅ－７２．７９Ｅ－６

ＣＹ７Ｃ２７ｌ３．４７Ｅ一６３．３３Ｅ－６３．０３Ｅ一６２．５ｌＥ一６２．４４Ｅ－５５．２７Ｅ－Ｂ

４０４４５．６９Ｅ一６５．４６Ｅ－６４．９６Ｅ一６４．１０Ｅ一６４．２０Ｅ－５１．０５Ｅ－５

Ｃ２１０７Ｂ９．５９Ｅ一４９．２０Ｅ－４８．３６Ｅ－４６．８８Ｅ一４１．１１Ｅ－２１．６９Ｅ一３

９３４２５Ａ１．５６Ｅ一３１．４８Ｅ一３１．３４Ｅ－３１．１１Ｅ一３１．８６Ｅ－２３１９Ｅ－３

９３Ｌ４２２１．８４Ｅ一３１．７６Ｅ一３１．６０Ｅ－３１．３２Ｅ一３２．２５Ｅ－２３．９１Ｅ一３

８Ｘ３５０１．９９Ｅ一２１．９１Ｅ一２１．７１Ｅ－２１．４２Ｅ一２２．９４Ｅ－１５．２１Ｅ－２

ＩＤＴ６１１６１．４４Ｅ一３１．３８Ｅ－３１．２５Ｅ一３１．０３Ｅ－３１．７２Ｅ－２２．９１Ｅ－３

ＩＤＴ６１１６Ｖ４．０７Ｅ一６３．９１Ｅ－６３．５５Ｅ一６２．９４Ｅ一６２．９１Ｅ－５７．４６Ｅ－６

ＩＤＴ７１６４７．６６Ｅ一７７．３６Ｅ一７６．７０Ｅ一７５．５４Ｅ一７４．６５Ｅ－６１．３１Ｅ－６

８０Ｃ８６１．ＩＯＥ一２１．０５Ｅ一２９．５１Ｅ－３８．８７Ｅ一３１．５５Ｅ一１２．３５Ｅ－２

８０Ｃ３ｌ２．３９Ｅ一４２．３０Ｅ－４２．０９Ｅ－４１．７２Ｅ一４２．２８Ｅ一３４．７６Ｅ一４

ＡＴ２８ＨＣ２５６１．７０Ｅ一５１．６３Ｅ－５１．４８Ｅ一５１．２２Ｅ－５１．３９Ｅ－４３．ｆ８Ｅ一５

单位：次／（ＢＩＴ＊天）

、：二

由表２可以看出，随着屏蔽厚度的增加，单粒子事件发生率随着下降，屏蔽对单粒子事件的防护具有一定的作用。

４．“实践五号”卫星的飞行实验结果

在“实践五号”卫星上进行单粒子事件防护对策实验中，有一台专门用来研究单粒子事件的屏蔽效应试验仪。在“实践五号”卫星的运行期间对多种器件在不同屏蔽条件下进行了单粒子事件的测量。

５月２０日至８月ｌＯ日，在该仪器中３片２７Ｃ６４ＥＰＲＯＭ（ＩＮＴＥＬ公司）不论屏蔽的，还是不屏蔽的，均还未发生擦除现象：２片２８Ｃ６４酽ＰＲｏＭ（ＡＴＭＥＬＧ公司），１片３ｍｍ陶瓷与聚酰亚胺薄膜进行组合屏蔽，ｌ片未屏蔽，均未发生翻转，与地面试验结果相同；在２８０Ｋｂｙｔｅｒ的ＳＲＡＭ中，共检测到１２３次单粒子翻转事件（这些事件大多数发生在南大西洋异常区），其中大多发生在未屏蔽的芯片中，如表３、４、ｊ所示。

表３．各种芯片在不同屏蔽条件下的单粒子翻转情况：

序编号芯片型号单粒子翻转次数屏蔽情况Ｔｏｒａｌ：１２３

号

１０５７１６４８

２ＯＢ７１２５６２０Ｎｏｎｅ２８

３０２２７Ｃ６４Ｏ

４０３２８Ｃ６４０

＿

０００２７Ｃ６４０ｌｍｍＴａ＋１０ｍｍＡＩ２３

６０８７１２５６２３

７Ｏｌ２７Ｃ６４Ｏ３ｍｍＴａ１５

８０９７１２５６１５

９０７７１６４２１ｍｍＴａ１５

ｌＯＯＦ７１２５６１３

●●１ｌ０６７１６４０６ｍｉｎＣｅｒ０

１２ＯＥ７１２５６Ｏ

１３ＯＣ７１２５６１６３ｍｍＣｅｒ１６

１４０４２８Ｃ６４Ｏ

１５ＯＤ７１２５６０６ｍｍＡＩＯ

１６ＯＡ７１２５６２１３ｍｍＡＩ２１

表４．８种屏蔽与不屏蔽状态下静态存储器７１２５６的单粒子翻转情况

序编号芯片型号屏蔽情况单粒子翻转ＳＥＵＲＡＴＥ

号（／Ｍｂｉｔｓ天）

１ＯＢ７１２５６Ｎｏｎｅ２０Ｏ．９７

２０８７１２５６ｌｍｍＴａ＋１０ｍｍＡＩ２３ｌＩＯ

３０９７１２５６３ｍｍＴａ１５Ｏ．７３

４ＯＦ７１２５６ｌｍｍＴａ１３０．６３

ｂＯＥ７１２５６６ｍｉｎＣｅｒ００

６ＯＣ７１２５６３ｍｍＣｅｒ１６２１０．７８

７ＯＤ７１２５６６ｍｍＡｌ００

８ＯＡ７１２５６３ｍｍＡＩ２ｌＯ．９８锄

表５．３种屏蔽与不屏蔽下静态存储器７１６４的单粒子翻转情况

序编号’芯片型号屏蔽情况单粒子翻转ＳＥＵＲＡＴＥ

号（／Ｍｂｉｔｓ天）

１０５７１６４Ｎｏｎｅ８１．５６

２０６７１６４ｌｍｍＴａ２０．３９

３０７７１６４（商业级）６ｍｉｎＣｅｒｂＯ．９７

以上实验结果表明，屏蔽在一定程度上有减少单粒子事件发生概率的作用，但屏蔽并不能完全避免单粒子事件的发生。一方面屏蔽使一部分较低能粒子的通量减少，致使产生单粒子事件的几率减小，但是，原来一部分较高的粒子不会在器件中沉积足够的能量造成单粒子事件的发生，在经过较原的屏蔽之后，会使这部分高能粒子正好有可能沉积足够的能量引起单粒子事件的发生；另一方面，由于屏蔽的加厚，会导致核反应产物（重离子）引发新的单粒子事件。因此，屏蔽在一定程度上有减少单粒子事件的作用，但并不是屏蔽越厚越好，应根据以上的单粒子事件产生机理与屏蔽传输理论，选择合适的屏蔽材料及屏蔽厚度，以取得最佳效益。

四．结论

上面我们详细地讨论了屏蔽物质对防护空间高能带电粒子影响的基本原理，以及在防护高能粒子产生的总剂量和单粒子事件方面所起的作用．这对于优化高能带电粒子屏蔽防护的设计具有重要的意义。通过上述讨论可以得出以下几点结论：１．随着屏蔽物厚度的增加，辐射剂量迅速下降，但当屏蔽物厚度大到一定值后，屏蔽的作用效果迅速降低，再增大屏蔽物厚度对剂量的减小已无大的贡献，这说明并不是屏蔽物厚度越厚对减小剂量越好。．

２．屏蔽物对减少电子产生的剂量要比减少质子的剂量更有效，但是对高能电子在屏蔽物中产生的轫致辐射剂量将变得显著。

３．在设计总剂量屏蔽防护时，应根据航天器的不同轨道所遭受的高能粒子环境（粒子种类、能谱等），按照高能粒子与物质相互作用产生剂量的原理计算剂量深度曲线，选取所需屏蔽物质及其厚度。

４．通常情况下，随着屏蔽物厚度的增加，产生单粒子事件的机率随着下降，对单粒子事件具有一定的防护作用，但是屏蔽并不能完全避免单粒子事件的发生。

５．屏蔽物质加厚会导致核相互作用产生的重离子引发单粒子事件，所以，并不是屏蔽物越厚对防护单粒子事件就越好。

６．在设计单粒子事件屏蔽防护时，应根据航天器所处的运行轨道遭遇的高能粒子环境，按照高能粒子与物质相互作用产生单粒子事件的原理，预测相关器件单粒子事件发生机率，选取合适的屏蔽材料及相应的厚度。霸隆

参考文献

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