空间电子产品辐照被动防护技术①

赵 阔，文 陈，桑 洁，2，白晶莹，刘 峰，孙浩然，蔺鹏婷，张立功

(1.北京卫星制造厂有限公司，北京 100190；2.北京星驰恒动科技发展有限公司，北京 100190；3.中国空间技术研究院，北京 100094)

0 引言

随着太空探索活动的不断发展，月球探测、火星探测等深空探测任务成为我国的航天的重点。深空探测任务中长距离的航行使得探测任务周期延长，由深空辐射环境引起的辐射危险和辐射防护愈发重要[1-2]。空间高能粒子辐射是空间探索任务中必须面临的重要环境因素。因此，空间高能粒子辐射环境及其防护受到美国、俄罗斯、欧洲、日本以及我国航天机构的高度关注。长期暴露在辐射环境中，将导致生物体辐射损伤，威胁航天员的健康，而且也会影响航天器的电子元器件的运行，对航天器的正常工作构成重大威胁。因此，空间辐射环境的屏蔽是航天器总体设计亟需解决的关键技术。

据统计，卫星在轨服役故障中，由空间高能粒子辐射环境诱发的卫星故障占比高达70%。比如，我国的“风云一号(B)”气象卫星在在轨服役165天后，空间高能粒子导致多次单粒子翻转事件，使得星载计算机突发故障，继而过早失效。空间辐射环境与太阳活动周期紧密相关。2003年，太阳活动频繁，空间辐射环境导致许多航天器出现在轨异常。在众多在轨异常事件中，大部分均是短时出现异常，可以自行恢复。比如，美国“Chandra”号探测器，2003年10月24日出现在轨异常，25日恢复正常运行[3]。但是，部分航天器出现了永久性故障，无法恢复。日本“Adeos2”卫星由于辐射效应进入安全模式，由于电源故障，最终完全报废。由于空间辐射效应，“Adeos2”卫星仅在轨运行10个月就提前报废，比原计划少运行3年[3]。

与地球辐射环境相比，深空中辐射环境更加恶劣，加之空间及时间的延伸，空间高能粒子的屏蔽防护是深空探测任务中的主要难点。针对空间辐照防护需求，本文基于空间辐射环境特点分析、及各种材料与辐射的相互作用及屏蔽机理研究，进行空间辐射屏蔽方法的分析，并提出合理的研究方向和发展建议，为我国航天器的抗辐射设计提供支撑和指导。

1 目前国内空间辐射方法介绍

在恶劣的空间辐射环境中，辐射效应严重影响设备的正常运行，空间辐射防护必不可少[4]。为保证航天器的可靠性，需要采用多种抗辐射措施，包括抗辐射加固和辐射屏蔽等手段。在器件表面贴盖金属材料,在封装前采用涂覆防护层的屏蔽方法是国内通用的辐射加固的方式，已取得了成效。抗辐射加固技术可以在一定程度上提高元器件的抗辐射性能，但是只能解决单个或数量不多的几个器件，对于排列密度大、器件数量多、重量有严格限制的单机实施工艺难度就很大，而且辐射加固的器件价格昂贵，难以供货，对高能粒子产生的单粒子效应屏蔽效果不佳。因此，航天器还需要采用辐射屏蔽材料以提高抗辐射性能。

2 空间辐照被动防护技术研究

空间辐射能量高，难以完全屏蔽。通常，航天器的壳体屏蔽10 MeV以下的质子。但仅增加壳体厚度会导致韧致辐射的产量增加，从而航天器内总剂量增加。为降低空间高能带电粒子的危害，国内外对辐射屏蔽材料的性能和机理开展了大量的研究，包括金属材料〔图1(a)〕、碳氢材料及多层材料〔图1(b)〕等。

图1 (a)Juno号的钛合金防辐射拱顶，(b)小卫星上装配的多层屏蔽材料

2.1 金属材料

航天器外壳通常为铝合金，可以屏蔽10 MeV以下的质子。Sajid等人[5]研究了Al屏蔽层的屏蔽性能。以南太平洋磁异常区为例，增加Al屏蔽层后，最高剂量率由10 rad/s降低至0.01 rad/s。通过蒙特卡罗模拟仿真的方法分析了不同面密度Al屏蔽层的防护性能，其在LEO轨道三年的深度剂量分布特点如图2所示。3 mm厚的Al屏蔽可将总剂量减少至10 krad，即可以满足65 nm和130 nm工艺集成器件的辐射屏蔽需求。

图2 近地轨道卫星运行三年的剂量-深度曲线

Novikov等人[6]对在国际空间站轨道上的哥伦布号实验舱内的初级粒子及次级粒子能谱进行了研究，如图3所示。航天器外壳可以对入射粒子起到屏蔽作用，但同时会产生大量的次级粒子。对于银河宇宙射线中的质子，舱内质子的通量高于入射粒子的通量。Fujita等人[7]对高能电子穿过铁屏蔽层后的次级辐射种类及剂量进行了研究。高能电子穿过铁屏蔽层后产生了大量的韧致辐射X射线和次级中子，其中次级中子的剂量约为轫致辐射X射线剂量的1%～20%，而且二次中子的剂量也是不可忽略的。对高能粒子的辐射屏蔽防护，不仅需要对入射粒子有良好的屏蔽能力，二次粒子的产生及屏蔽也是需要重点考虑的因素。

图3 伦布实验舱内由(a)地球辐射带粒子和(b)银河宇宙射线中质子产生的粒子能谱(1：初级粒子能谱；2：舱内中子能谱；3：舱内质子能谱)

为实现对高能带电粒子的可靠屏蔽，研究人员还对其他金属材料的屏蔽性能进行了研究。Fujimoto等人[8]研发了一种钨功能纸，其钨含量高达80wt%，并研究了对电子的屏蔽效果。结果表明：15 mm钨功能纸对9 MeV的电子的屏蔽率达到94.2%。但当钨功能纸厚度较薄时(<4 mm)，出射粒子的剂量反而增加，这是由二次粒子导致的。针对高能带电粒子与物质作用产生的二次粒子。

木星具有太阳系行星中辐射环境最恶劣的辐射环境，其辐射带主要由高能电子组成，极难进行屏蔽。Lasi等人[9]针对木星辐射环境，研究了微通道板探测器的辐射屏蔽材料。研究结果表明，钽屏蔽材料具有良好的电子屏蔽效果(图4)。8 mm厚钽屏蔽相比6 mm厚钽屏蔽，增加了2 mm厚度，但屏蔽效果仅增加2 mm厚度钽的30%。综合屏蔽效果及重量资源，6 mm厚钽屏蔽材料具有最优的屏蔽效果。此外，NASA利用钛和钽等具有高Z的金属材料作为高能电子的屏蔽防护材料开发了防辐射拱顶和屏蔽盒(图5)，成功应用于“Juno”号木星探测器。

察哈尔蒙古兵介入战争不是因为与回、哈萨克等民族有平时促成矛盾，而是因为蒙古兵作为守护塔尔巴哈台的卡伦和台站官兵，自清朝自张家口移至塔尔巴哈台时，就有任务保护自己的游牧地和边疆的安危和社会稳定的责任，为了完成自己的责任和义务必须与起事者奋斗，完成自己的使命，直至将起事者镇压。

图4 不同屏蔽层的屏蔽效果

(a)防辐射拱顶 (b)辐射屏蔽盒

2.2 碳氢材料

高能粒子在物质传输过程中，通过直接电离和韧致辐射两种方式转移动能。直接电离产生的动能转移与物质的Z/A比值正相关，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质量。在相同的质量下，低Z材料具有更多的原子核，使得空间高能粒子在传输路径上会与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，与空间高能粒子的相互作用过程中，会产生He原子，而不会产生中子[10]。因此，低Z材料具有更好的屏蔽空间高能粒子效果。

NASA通过NICE项目，研究了不同材料对空间高能粒子的辐射屏蔽性能，指出液氢是最好的防辐射屏蔽材料，但液氢无法作为结构材料使用，无法应用。BN+20%氢是一种固体材料，具有良好的辐射屏蔽性能和研究价值。

Stemrad和洛克希德马丁[11]为减轻空间高能粒子对宇航员健康的影响，采用富含氢的聚合物研发了Astrorad可穿戴辐射防护设备，不仅有利于空间辐射屏蔽，而且可以减少二次辐射的产生。根据测试，Astrorad可以提供与猎户座火星载人飞船上的风暴庇护所同等的辐射防护水平。Astrorad可以选择性的保护那些对辐射最敏感的器官和组织，以最少的质量提供最大的生物保护，且允许宇航员在佩戴时不受拘束，舒适地移动。此外，Stemrad目前正在探索利用未来航天器上产生的回收塑料材料用于屏蔽元件，这将大大降低设备的有效载荷质量。

NASA和Boeing对金属氰化物、金属-有机框架材料、微孔有机高分子复合材料、碳复合材料的空间高能粒子辐射屏蔽防护性能进行研究(图6)。64种材料中，9种材料的辐射屏蔽防护性能优于聚乙烯，其余30种材料的辐射屏蔽防护性能优于铝合金。

图6 铝合金、高密度聚乙烯、甲烷和氢气的辐射吸收剂量

NASA兰利研究中心采用超高分子量聚乙烯通过场辅助烧结技术开发了一种轻质高能粒子屏蔽材料，这种材料具有良好的耐蚀性、极低的水敏感性、非常小的摩擦系数和良好的耐磨性，可以用于下一代太空探索任务中，以保护人类和电子产品。此外，研究人员还通过添加碳化硼、钨、碳化钨和镉等填料，增强基材的高能粒子防护性能。

Steffens等人[12]研究了钽强化的碳纤维增强塑料、钨强化聚乙烯、钨强化聚酰胺和高Z填料增强的环氧树脂四种材料对高能电子和质子的屏蔽性能。测试结果表明，在以质子为主的辐射环境中，钨强化聚乙烯具有最好的辐射屏蔽效果；而钨强化聚酰胺具有最好的电子屏蔽性能。1.1 mm厚度的钨强化聚酰胺的屏蔽效果与4.22 mm铝合金相当，可以用于更加紧凑的点屏蔽。

Urban等人[13]采用碳纤维增强塑料制备了抗辐射复合材料外壳(图7)，可以作为结构材料和辐射屏蔽材料应用于未来载人飞船和无人航天器及月球基地和火星基地等。抗辐射复合材料的密度和耐久性均优于铝合金，可以屏蔽低能质子和中子等辐射。通过对比，复合材料的屏蔽性能和铝合金相近，但复合材料具有更低的密度和更高的刚度。

图7 装配有抗辐射复合材料的小卫星VZLUSAT-1

马歇尔太空飞行中心已开发出一种多功能、新颖的高氢环氧基质与硼和碳纤维相结合的混合结构复合材料，其面密度为0.35 g/cm2。环氧树脂中的氢原子将提供对高能质子、电子和重离子物质的屏蔽强度，而具有高中子截面的硼纤维有助于屏蔽中子并减少来自中子的高能光子积累。

另外，一些新轻量级辐射屏蔽材料也逐渐得到应用，其中钨加强型聚乙烯可用于质子为主的辐射环境屏蔽，该结构有很好的稳定性。钨加强型聚酰胺可用于电子为主的辐射环境屏蔽，该结构稳定性较差但绝缘性好，可用于点屏蔽。董宇等[14]向环氧树脂中加入WO3和CeO2填料，制备了辐射防护材料，利用吸收互补的功能填料，有效提高了材料的屏蔽性能。

2.3 多层涂层材料

重元素材料能更有效阻止电子，轻元素材料由于含有较少的中子，所以产生较少的韧致辐射。鉴于轻重材料的优缺点，通常将二者结合形成多层材料以实现较好的空间高能粒子屏蔽效果。

由于材料组成众多，加之材料层数、叠放顺序及屏蔽层厚度都对多层材料的屏蔽防护性能有影响。因此，多层材料的研究前期主要集中在智能算法仿真计算。

Cherng等[15]利用Monte Carlo仿真，发现当屏蔽层>10 g/cm2时，铝/钨复合屏蔽效果好于单层铝屏蔽。Spieth等[16]分析了复合材料电子机箱对空间高能粒子的辐射屏蔽效果。其研究结果表明，在相同屏蔽效果下，含高Z填料的复合材料机箱相比铝合金可以减重30%。Fan等人[17]经过仿真，发现对于地球MEO电子辐射环境，在相同面密度下，铝/钽/铝的结构比单层铝结构屏蔽效果高60%。曹洲等人[18]针对地球辐射环境采用MULYSSIS软件包计算了4种含W多层屏蔽结构对电子、质子的屏蔽效果以及对二者贡献的总剂量的屏蔽效果，指出3层屏蔽材料的效果优于双层结构。表层低Z材料首先使粒子能量降低，然后中间高Z材料起到很大的阻止作用，最里层又可以吸收二次粒子和轫致辐射，从而产生良好的屏蔽作用[18]。针对木星辐射环境，王建昭等人对铅、镁双层屏蔽结构的防护效果进行仿真。铅、镁双层屏蔽材料相比同等屏蔽效果的传统铝屏蔽材料，可减重43.6%。

通过多层材料的智能算法仿真分析，研究人员对空间高能粒子的输运过程及与材料的相互作用进行了大量探索，取得了较好的成果。美俄等航天强国基于前期研究结果，开展多层材料的开发，并有部分材料已经开始在轨验证。

NASA兰利研究中心通过在铝合金基材上涂覆高密度金属，比如钛和钨，开发了一个新型的多层金属辐射屏蔽层(图8)。这种多层金属辐射屏蔽涂层具有低成本和易实现的特点。NASA测试其高能粒子辐射屏蔽性能。结果表明，多层金属屏蔽材料可以对低地球轨道小卫星电路提供良好的辐射屏蔽防护，降低100倍的电离剂量，并消除内部充电效应，从而将小卫星的有效寿命由3个月提高到1年。

图8 小卫星上装配的多层屏蔽材料

NASA兰利研究中心还采用Ta、Cu和纤维金属层板开发了一种低成本的多层屏蔽材料，其辐射屏蔽性能相比厚度是其2倍的单层铝合金提高了30%。据报道，这种多层屏蔽材料已应用在小卫星上，并在轨研究材料对卫星核心系统的防护作用。据地测试结果表明，以多层屏蔽材料作为辐射防护的小卫星可在轨服役7年。

Tokar等人[19]采用硅酸锂和氧化泌在铝合金表面制备了重金属层，离子辐照试验表明可以将地球静止轨道的辐射吸收剂量减小10到1 000倍。Vilkov等人[20]以硅酸钠作为粘结剂；以钨粉作为高Z填料；以氧化铝或氮化硼作为低Z填料制备了两种多层屏蔽材料，其总厚度为1 mm。北卡罗来纳州立大学研究团队[21]最近发现了一种更有效、能让探测器重量更轻的辐射屏蔽材料，即利用添加了铁锈的三防漆来取代铝。研究人员将氧化的金属氧化物(铁锈)混入聚合物内，发现这些生锈粉末屏蔽辐射的能力与传统抗辐射材料相当。Zhang等人[22]通过热喷涂在铝合金表面制备了涂层，并采用化学镀制备了镍层，形成了多层防辐射涂层，如图9所示，其防辐射性能优于同面密度铝3.3倍。

图9 多层防辐射涂层

从防护机理分析，低Z元素具有更低的平均原子质量。在相同的质量下，低Z材料具有更多的原子核，使得空间高能粒子在传输路径上会与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元素含有较少的质子和中子，相应的，与高能粒子作用产生的次级电子和γ射线、以及次级中子数量较少，具有更好的综合屏蔽效果[10]。然而采用多层材料无法实现有机过渡结合，因此,由含有轻元素的粘结剂和重元素及轻元素填料组成的防辐射涂层具有良好的研究前景。

3 结论

本文对空间辐照的防护方法等进行了综述，被动防护包括金属材料、碳氢材料以及多层材料。防辐射涂层由含有低Z元素的粘结剂和高Z元素及低Z元素填料组成。多层或梯度涂层可以实现更好的结构设计和控制，达到多层次多功能的有机融合，从而实现轻元素和重元素的可控混合制备。利用低Z材料和高Z材料的防护互补，可以实现良好的屏蔽效果。因此，研制具有良好屏蔽效果及结合力的防辐射涂层，对航天器防辐射设计及防辐射涂层的应用具有重要意义。