电连接器耐辐照研究

2022-06-28许刚

机电元件 2022年3期

许刚

(陕西华达科技股份有限公司，陕西西安，710065)

1 引言

随着世界各航天强国对星链计划、卫星通信与遥感技术的发展提出了更高要求，作为星地通信与目标控制的唯一纽带，星载通信系统的稳定运行关乎整个空间任务的成败。而在太空环境条件下，辐射源的形状和几何尺寸是未知的，它并不是单一的质子、中子、α、γ射线，而是一种包含伽玛射线、高能质子和宇宙射线的特殊混合体，而γ射线是可穿透整个宇宙的电磁波中最高能量的波段，也是电磁波谱中波长最短的部分。它具有强大的穿透性，虽然连接器一般由金属外壳作为保护层来阻挡大部分太空来的射线，但射线的穿透性能穿透连接器的金属外壳作用于非金属材料上，使非金属材料性状发生变化，导致连接器失效。目前我国航天事业进入了一个高速发展的机遇期，也对宇航用连接器的性能和可靠性提出了新的期望和要求，研究不同寿命、不同高度、不同轨道、不同任务的航天器对连接器的辐照要求就显得尤为重要。

2 空间辐照防护技术

与常规的辐照防护不同，太空环境下主要是来自外部射线的照射。辐照来源主要分为太阳活动、宇宙射线和范艾伦辐射带(Van Allen Belt)等。太阳活动、太阳耀斑和太阳风的强弱和频繁程度直接影响到高能粒子的能量和浓度。归纳起来，太空辐照环境对电连接器辐照效应有两类：长期效应和瞬态效应。长期效应又分为总电离剂量(TID)效应和位移损伤剂量(DDD)效应。瞬态效应分为剂量率效应和单粒子效应。总电离剂量效应是由于质子和电子长期积累引起的离化损伤，它能导致器件阈值漂移、漏电流增大，甚至功能失效。根据上述理论，目前通常使用的辐照防护方法有三类：1)时间防护：由于辐射剂量和时间成正比，尽可能使电子元器件产品在允许条件下减少在辐射源旁边停留的时间，达到辐照防护目的。2)距离防护：辐照的强度一般和距离的平方成反比，在允许条件下尽可能的远离辐照源达到辐照防护的目的。3)屏蔽防护：在易被辐射影响的物体和辐射源间增加屏蔽物，阻挡辐射达到辐照防护的目的。

在太空环境下，空间飞行器在空间由于任务不同，电子元器件需要常年处于一个轨道下受各种粒子和射线辐照，根本无法有效的进行时间防护和距离防护，所以只有屏蔽防护才能起到作用，而电连接器是最理想的是实行屏蔽防护，常见的能够隔离射线的材料有铅、铁、铝、铜等金属，混凝土、水、泥土等非金属，但空间防护和陆地防护不同，由于有些材料为航天禁限用材料，还有一些材料过重，而目前航天最重要的制约是航天器的有效载荷重量限制，增加有效载荷成本太高，而且运载能力也限制了发射时的总载荷重量。空间辐射的能量很高，完全屏蔽是不可能的。因此，空间辐射防护的原则也是在合理条件下，尽量降低星载元器件的辐照剂量，使其能够正常工作。

3 航天器轨道和辐照的关系

美国NASA将空间自然环境辐射分为高、中、低三个等级。高端为辐射剂量高于100Krad(Si);这种是要求有长期在轨任务、强的单粒子环境和强的辐射环境，如Europa、GTO、MEO等，中端指辐射剂量在10～100Krad(Si)之间：有中等在轨任务、较强的单粒子环境和辐射环境如EOS、高LEO、L1、L2、ISSA等；低端指辐照剂量在10Krad(Si)以下；短任务周期和低位移环境如哈勃太空望远镜、航天飞机、XTE等。

表1 卫星轨道

以高度约为36000Km的高轨地球同步卫星(GEO)为例，位置位于外辐射带的中心高度(20000km～30000km)之外，接近外辐射带边缘。一般GEO卫星通常具有较长的任务周期，该轨道辐射等级属于高辐射等级，查阅相关资料GEO卫星空间辐射剂量和屏蔽厚度之间的关系，即深度和剂量的关系。下图1为工作寿命为10年的GEO卫星的深度剂量关系曲线：

图1 GEO卫星屏蔽厚度和辐射剂量关系曲线图(10年)

由图1可知，随着Al屏蔽层的厚度增加在太空中元器件受到的电子辐照剂量会明显降低。

4 耐辐照剂量研究

根据查询资料，确定特定的轨道辐照参数，根据电子设备中含有的电子元器件种类，确定电子设备所能承受的最大辐射剂量，根据研究发现电子元器件所能承受的辐照剂量不应大于107rad(Si),也就是说当电子元器件经受辐照剂量超过107rad(Si)时可能会发生失效。

按照国军标对宇航级电连接器的有关要求，要求航天器外部需耐受至少5×105Gy(1Gy≈100rad),航天器内部至少耐受辐照剂量2×103Gy，这与上述研究基本一致。

连接器外部结构为金属材质，内部结构多为聚四氟乙烯作为绝缘介质，金属外壳一般不受辐照影响，表2为常见绝缘材料的耐辐照剂量：

表2 常见绝缘材料耐辐照剂量

由表2可知，聚四氟乙烯材料耐辐照剂量仅为105rad(Si)，按照国军标要求，聚四氟不能直接暴露在太空环境中，需要增加一定的屏蔽保护，而连接器外壳属于金属材料，起到屏蔽保护的作用，根据图1可知，选择适合材料和厚度的金属外壳是保证连接器在不同剂量辐照下失效的有效措施。

辐照防护的基本原理：当辐射源放射处一定能量时，在不考虑质子、电子及其他粒子的核反应，初始能量为E0的粒子源与屏蔽材料发生碰撞，直到被屏蔽物质吸收。粒子进入物质后，与路径上物质的原子不断发生核碰撞，逐渐损失一定能量，穿出物质；如果物质相对与粒子射程很厚，则物质会吸收粒子的所有能量。

5 常用连接器屏蔽材料的选择与辐照剂量计算

5.1 理论计算

选择一种屏蔽材料之后，所选择屏蔽材料的物性参数就确定了(该材料的原子序数，原子量，平均电离电势，密度)，所选择的屏蔽材料所要屏蔽的辐照剂量等于特定轨道上某种粒子的初始能量减去连接器所能成熟的极限辐照吸收量。即,连接器外壳屏蔽掉的辐照剂量(E0)=粒子初始能量-连接器所能承受的极限辐照剂量(根据连接器结构特征，一般为连接器内部绝缘支持所能经受的极限辐照剂量)，连接器典型结构见图2。

图2 连接器典型结构图

这里，取连接器内部聚四氟乙烯所能承受的辐照剂量为105rad(Si)。

由能量-射程关系可以获得物质屏蔽的粒子能量范围以及粒子贯穿物质后的能量衰减，能量-射程关系可知一定质量屏蔽厚度的物质能够屏蔽一定能量范围的粒子辐射，并使贯穿粒子的能量有所降低完全被吸收。

对质子或粒子等带电粒子，有质子能量损失工时，在不考虑壳层效应和密度效应修正系数受，能损失率为

(1)

由于空间基本没有空气，所以气体对粒子影响可忽略不计。

其中，β为带电粒子速度v与光速c之比，对质子中的参数β需要进一步计算得出，由狭义相对论能量公式得

E=mc2=m0c2

(2)

可得，

(3)

其中，E为质子运动时的能量；m0c2为质子静止时的能量，m0为质子静止时的质量，c为光速；M为质子运动时的质量；V为质子运动时的速度。

由

(4)

经过整理有

(5)

能量E0粒子，其射程为

(6)

将式5带入射程公式6中

(7)

由于，R(E0)=ρ·d

其中，R(E0)为初始能量带电粒子射程，g/cm2；

ρ为该种屏蔽材料密度，g/cm3；

d为屏蔽能量为E0的带电粒子所需屏蔽材料厚度。

书法作为是中华美学和文化形态的折射，是中国文化博大精深的具象化。初中生通过素质拓展课程加强对书法的练习，即是对中华优秀文化的弘扬，也是国家交给初中美术教育工作者一项重要的任务。

将上式带入

(7)

=ρ×d

(8)

可得

(9)

对于纯金属材料和化合物材料，可以得出：

(10)

5.2 等效铝厚度(Teq)计算法

Teq=Tm ×(dens)m/(dens)Al

(11)

Teq：等效铝厚度；

Tm：替代材料厚度；

(dens)m：替代材料密度；

(dens)Al：铝的密度。

常用材料材料密度见表3。

表3 材料密度参照表

由上表可知材料密度和等效厚度的关系。

表4为金属厚度耐辐照对照表对比，数据为某星载项目辐照试验获得。

表4 金属厚度辐照对照表

将表4试验数据拟合后得到图3。

辐射剂量rad(si)

将表4数据进行拟合后，可以得到一个近似于直线的对数曲线图3。根据该曲线的斜率可以计算出屏蔽物厚度和辐照剂量的关系。由图3可知，拟合后直线的斜率k=0.5,当辐照源剂量为1×107rad(Si)时，要保证连接器内部聚四氟乙烯不被辐照破坏，对应铜屏蔽物的厚度必须大于0.2mm，才能保证辐射在穿过铜后作用在聚四氟乙烯上的辐照累计剂量不大于105rad(Si)，当辐照源剂量为2.64×108rad(Si)时，要保证连接器内部聚四氟乙烯不被辐照破坏，铜屏蔽物的厚度必须大于1mm，才能保证辐射在穿过铜后作用在聚四氟乙烯上的辐照累计剂量不大于105rad(Si)。