抗辐射保证助力“悟空”卫星火眼金睛探秘暗物质

　　2015年12月17日，“悟空”卫星腾空而起开始了为期三年的探寻暗物质踪迹的征途，空间特有的地球辐射带粒子、银河宇宙线、太阳宇宙线和原子氧等恶劣环境会对“悟空”之旅带来重重磨难。科学家采用工业界最新的高性能微电子器件研制的宽能量范围和高能量分辨率粒子探测载荷，是“悟空”巡天的“火眼金睛”，空间辐射粒子袭击这些微电子器件会使“悟空”视力下降、局部短时失明、甚至致盲。中国科学院国家空间科学中心空间环境特殊效应实验室（简称效应室）长期研究空间辐射粒子等特殊环境条件对卫星系统及有效载荷的影响、分析评估、模拟试验和应对策略。为了使“悟空”卫星战胜空间辐射环境的磨难觅得暗物质踪迹，效应室协助卫星工程、卫星系统和有效载荷分系统开展了系列的“抗”辐射保证工作（Radiation Hardness Assurance，简写为RHA）。

　　协助卫星工程和卫星系统制定系统的空间环境防护设计要求及规范

　　空间辐射等环境条件是“悟空”及其它科学探测卫星小伙伴们要共同遭受的磨难。效应室协助空间科学卫星工程总体部门—国家空间科学中心制定了科学卫星质量管理的“空间环境适应性设计要求”，规定了工程项目各系统、分系统、单机及元器件等不同层次应对各类空间环境危害的总体要求，并协助工程总体对各级设计师进行了培训。利用自主研发的“空间环境效应分析”软件包，仿真研究了“悟空”具体运行轨道上的环境规律，并考虑卫星自身特点，协助卫星系统总体部门—上海微小卫星工程中心制定了“暗物质粒子探测卫星空间环境防护设计规范”，详细规定了该卫星系统应对防护太阳紫外辐射、大气与真空、原子氧、电离总剂量、位移总剂量、单粒子效应和太阳电池辐射损伤等的具体指标与主要设计要求。该设计规范为卫星各分系统、单机设备的设计及元器件选用等提供了依据。

　　“空间环境效应分析”软件包及“悟空”卫星部分分析结果

　　协助卫星系统制定的空间环境防护设计规范和主要设计指标

　　协助卫星有效载荷分系统进行精细的抗辐射评估与设计

　　“悟空”的火眼金睛包括中科院近代物理所研制的塑闪阵列探测器、中科院高能物理所研制的硅阵列探测器、中国科技大学研制的BGO量能器以及中科院紫金山天文台研制的中子探测器，总重1410公斤，占卫星总重量的76%。这样一个庞大的探测器阵列群有4万余路的电子学读出电路，需要大量使用性能卓越的电荷放大器专用电路VA140、VA160、VATA160，以及工业级模数转换电路AD7476实施粒子探测信号的采集与处理，是支撑“悟空”寻觅暗物质迹象的关键器件。空间辐射粒子持续轰击沉积的总剂量会导致这些器件工作电压漂移、噪声增大等，影响探测器服役中后期的工作性能；甚至会发生一个辐射粒子击中器件敏感位置导致其工作电流持续激增的“高烧”状态—即航天界躲之不及的“单粒子锁定效应”。针对塑闪阵列探测器、硅阵列探测器和BGO量能器所使用的上述关键微电子器件在卫星内部的具体位置，利用自主开发的“航天器内部辐射屏蔽及剂量分析”软件，综合考虑卫星、探测器、电路盒、器件封装等多层次结构的屏蔽作用，仿真分析得到不同探测器所用关键器件遭受的具体辐射粒子通量和剂量，评估相关设计能够确保探测器不因总剂量效应影响任务使命。同时，根据地面试验确定关键器件单粒子锁定敏感度数据，利用上述“空间环境效应分析”软件包计算预测了这些器件在“悟空”巡天期间可能发生的单粒子锁定频次，据此科学家评估了可能的偶尔局部“高烧”对探寻暗物质的终极目标的影响、并对症下药进行调理确保探测目标的实现。

　　“航天器内部辐射屏蔽及剂量分析软件”及针对“悟空”的分析示意图

　　为卫星有效载荷抗单粒子锁定设计进行充分精细的脉冲激光试验

      综前所述，为了铸就“悟空”宽能量范围和高能量分辨率巡查暗物质相关粒子的本领，相关探测器必须采用先进的VA140、VA160和VATA160专用电荷放大器ASIC电路、以及工业级模数转换电路AD7476；遗憾的是“鱼和熊掌不可兼得”，这些器件应用于空间均会发生单粒子锁定引起的“高烧”症状，会导致探测器局部中断工作、损失部分数据等故障。设计师需要充分了解这些器件单粒子锁定“高烧”现象的特征、以及对探测器电路的连锁影响，在此基础上设计和调试出合适的电路为探测器“退烧”，设计师需要针对单粒子锁定开展充分、精细的试验测试。器件单粒子效应是由空间极高能量的辐射粒子所致，传统的地面试验需要依赖庞大的粒子加速器设施。国内目前仅有两台此类加速器，通常一台星用探测设备一年有可能获得一到两次共计数小时的试验机会，远远不能满足设计师的需求。为了缓解国内加速器设施试验机会稀少的困难，效应室历经15年在国内自主开拓了脉冲微束激光试验单粒子效应的手段与技术，具有试验机会充分、试验操作灵活、试验过程精细等特点，可快速摸底评估器件单粒子效应特性及对电路影响规律、可充分检验电路系统抗单粒子效应的设计效果、可诊断定位自主研发器件的单粒子效应薄弱部位，已为月球探测、载人航天、二代导航、核高基等重大空间科技专项任务提供了卓越的试验应用。利用激光试验装置对AD7476和VA140器件发生单粒子锁定的具体特征及影响进行了充分与精细试验。发挥激光试验装置可在芯片精确位置、准确辐射特定数目激光脉冲、灵活控制辐照激光、实验电路及检测设备的优势，试验测试两种器件发生单次锁定、单次锁定维持60秒、频繁发生1000次锁定等的现象及对器件功能与性能的影响。试验发现：（1）VA140器件发生单粒子锁定的阈值约为（24±8）MeV·cm²/mg；（2）发生单次锁定时，AD7476及VA140均无法正常工作，断电及重新上电二者均可恢复正常；（3）单次锁定维持60秒，AD7476功能暂时不正常，对VA140无明显影响；（4）1000次频繁的锁定及重上电，对AD7476无影响，会导致VA140噪声增加、但对功能无影响。

　　激光试验“悟空”探测器单粒子锁定的现场布局（左、中）及“高烧”现象（右）

　　激光触发AD7476单粒子锁定前（左）后（右）器件工作性能的差异

　　利用激光试验装置对改进版的电荷放大器ASIC电路VA160和VATA160的单粒子锁定特性和电路防护措施进行了精细测试。试验测得两款芯片的单粒子锁定分别发生在电路的数字和模拟部分的特定位置，并且测得锁定电流的具体特征，这些信息为该两款芯片的后续加固优化设计提供了重要指导。针对VA160和VATA160芯片的敏感部位进行定点激光辐照触发单粒子锁定，测试检验了不同的限流电阻防护设计方案的效果。对VA160芯片，在其数字电路部分串接10欧姆电阻，即可将最大锁定电流限制在100mA左右，方案可行。对VATA160芯片，仅在数字电路部分串接10 欧姆电阻，锁定电流约1.8A，危害极大，此方案不可行；在数字和模拟电路部分均串接10欧姆电阻，可将最大锁定电流限制在200mA以下，方案可行。限流电阻能够较好地抑制单粒子锁定电流，使器件免受“高烧”困扰，但器件依然处于“低烧”状态，只有实施断电-重上电才能使器件彻底退出“发烧”状态恢复正常。设计师针对VA160器件在轨应用可能“发烧”现象，设计自主诊断和恢复电路，激光辐照试验证实其效果不错。

　　激光试验确定的VA160（左）和VATA160（右）芯片的单粒子锁定敏感部位

　　激光试验检验自主诊断-恢复电路针对VA160器件连续3次单粒子锁定的防护效果

　　抗辐射保证助力空间科学卫星任重道远

　　“悟空”的发射成功标志着我国空间科学事业进入了一个崭新的发展阶段，空间科学卫星的抗辐射保证工作任重道远。科学卫星为了探索宇宙空间的奥秘，“明知山有虎，偏向虎山行”，要穿行于极端严酷的地球辐射带核心区域，要奔向辐射粒子强于地球空间十倍、百倍的木星，要近距离造访太阳这一炙热火球……，需要协助我们的卫星勇士“抗御”系列险恶环境。同样地，科学探测卫星需要不断攀登空间科学高峰，需要敢为人先采用最前沿的微电子及光电子器件设计一流的科学探测仪器，在空间辐射面前这些前沿器件总是那么脆弱，需要精心的抗辐射保证呵护。还有，科学卫星的预算总是相对较少的，难以一掷千金地大量使用昂贵的抗辐射加固器件，花小钱办大事也是空间科学卫星的创新要求，自然也要求花小钱保证科学卫星的抗辐射安全。

　　空间科学卫星的创新发展，激励着抗辐射保证技术的开拓进取，抗辐射保证必将助力科学卫星实现空间探测的“中国梦”！

　　（供稿：效应室）