電連接器耐輻照研究

許 剛

(陜西華達(dá)科技股份有限公司，陜西西安，710065)

1 引言

隨著世界各航天強(qiáng)國(guó)對(duì)星鏈計(jì)劃、衛(wèi)星通信與遙感技術(shù)的發(fā)展提出了更高要求，作為星地通信與目標(biāo)控制的唯一紐帶，星載通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)乎整個(gè)空間任務(wù)的成敗。而在太空環(huán)境條件下，輻射源的形狀和幾何尺寸是未知的，它并不是單一的質(zhì)子、中子、α、γ射線，而是一種包含伽瑪射線、高能質(zhì)子和宇宙射線的特殊混合體，而γ射線是可穿透整個(gè)宇宙的電磁波中最高能量的波段，也是電磁波譜中波長(zhǎng)最短的部分。它具有強(qiáng)大的穿透性，雖然連接器一般由金屬外殼作為保護(hù)層來(lái)阻擋大部分太空來(lái)的射線，但射線的穿透性能穿透連接器的金屬外殼作用于非金屬材料上，使非金屬材料性狀發(fā)生變化，導(dǎo)致連接器失效。目前我國(guó)航天事業(yè)進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展的機(jī)遇期，也對(duì)宇航用連接器的性能和可靠性提出了新的期望和要求，研究不同壽命、不同高度、不同軌道、不同任務(wù)的航天器對(duì)連接器的輻照要求就顯得尤為重要。

2 空間輻照防護(hù)技術(shù)

與常規(guī)的輻照防護(hù)不同，太空環(huán)境下主要是來(lái)自外部射線的照射。輻照來(lái)源主要分為太陽(yáng)活動(dòng)、宇宙射線和范艾倫輻射帶(Van Allen Belt)等。太陽(yáng)活動(dòng)、太陽(yáng)耀斑和太陽(yáng)風(fēng)的強(qiáng)弱和頻繁程度直接影響到高能粒子的能量和濃度。歸納起來(lái)，太空輻照環(huán)境對(duì)電連接器輻照效應(yīng)有兩類：長(zhǎng)期效應(yīng)和瞬態(tài)效應(yīng)。長(zhǎng)期效應(yīng)又分為總電離劑量(TID)效應(yīng)和位移損傷劑量(DDD)效應(yīng)。瞬態(tài)效應(yīng)分為劑量率效應(yīng)和單粒子效應(yīng)?？傠婋x劑量效應(yīng)是由于質(zhì)子和電子長(zhǎng)期積累引起的離化損傷，它能導(dǎo)致器件閾值漂移、漏電流增大，甚至功能失效。根據(jù)上述理論，目前通常使用的輻照防護(hù)方法有三類：1)時(shí)間防護(hù)：由于輻射劑量和時(shí)間成正比，盡可能使電子元器件產(chǎn)品在允許條件下減少在輻射源旁邊停留的時(shí)間，達(dá)到輻照防護(hù)目的。2)距離防護(hù)：輻照的強(qiáng)度一般和距離的平方成反比，在允許條件下盡可能的遠(yuǎn)離輻照源達(dá)到輻照防護(hù)的目的。3)屏蔽防護(hù)：在易被輻射影響的物體和輻射源間增加屏蔽物，阻擋輻射達(dá)到輻照防護(hù)的目的。

在太空環(huán)境下，空間飛行器在空間由于任務(wù)不同，電子元器件需要常年處于一個(gè)軌道下受各種粒子和射線輻照，根本無(wú)法有效的進(jìn)行時(shí)間防護(hù)和距離防護(hù)，所以只有屏蔽防護(hù)才能起到作用，而電連接器是最理想的是實(shí)行屏蔽防護(hù)，常見的能夠隔離射線的材料有鉛、鐵、鋁、銅等金屬，混凝土、水、泥土等非金屬，但空間防護(hù)和陸地防護(hù)不同，由于有些材料為航天禁限用材料，還有一些材料過(guò)重，而目前航天最重要的制約是航天器的有效載荷重量限制，增加有效載荷成本太高，而且運(yùn)載能力也限制了發(fā)射時(shí)的總載荷重量?？臻g輻射的能量很高，完全屏蔽是不可能的。因此，空間輻射防護(hù)的原則也是在合理?xiàng)l件下，盡量降低星載元器件的輻照劑量，使其能夠正常工作。

3 航天器軌道和輻照的關(guān)系

美國(guó)NASA將空間自然環(huán)境輻射分為高、中、低三個(gè)等級(jí)。高端為輻射劑量高于100Krad(Si);這種是要求有長(zhǎng)期在軌任務(wù)、強(qiáng)的單粒子環(huán)境和強(qiáng)的輻射環(huán)境，如Europa、GTO、MEO等，中端指輻射劑量在10～100Krad(Si)之間：有中等在軌任務(wù)、較強(qiáng)的單粒子環(huán)境和輻射環(huán)境如EOS、高LEO、L1、L2、ISSA等；低端指輻照劑量在10Krad(Si)以下；短任務(wù)周期和低位移環(huán)境如哈勃太空望遠(yuǎn)鏡、航天飛機(jī)、XTE等。

表1 衛(wèi)星軌道

以高度約為36000Km的高軌地球同步衛(wèi)星(GEO)為例，位置位于外輻射帶的中心高度(20000km～30000km)之外，接近外輻射帶邊緣。一般GEO衛(wèi)星通常具有較長(zhǎng)的任務(wù)周期，該軌道輻射等級(jí)屬于高輻射等級(jí)，查閱相關(guān)資料GEO衛(wèi)星空間輻射劑量和屏蔽厚度之間的關(guān)系，即深度和劑量的關(guān)系。下圖1為工作壽命為10年的GEO衛(wèi)星的深度劑量關(guān)系曲線：

圖1 GEO衛(wèi)星屏蔽厚度和輻射劑量關(guān)系曲線圖(10年)

由圖1可知，隨著Al屏蔽層的厚度增加在太空中元器件受到的電子輻照劑量會(huì)明顯降低。

4 耐輻照劑量研究

根據(jù)查詢資料，確定特定的軌道輻照參數(shù)，根據(jù)電子設(shè)備中含有的電子元器件種類，確定電子設(shè)備所能承受的最大輻射劑量，根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)電子元器件所能承受的輻照劑量不應(yīng)大于107rad(Si),也就是說(shuō)當(dāng)電子元器件經(jīng)受輻照劑量超過(guò)107rad(Si)時(shí)可能會(huì)發(fā)生失效。

按照國(guó)軍標(biāo)對(duì)宇航級(jí)電連接器的有關(guān)要求，要求航天器外部需耐受至少5×105Gy(1Gy≈100rad),航天器內(nèi)部至少耐受輻照劑量2×103Gy，這與上述研究基本一致。

連接器外部結(jié)構(gòu)為金屬材質(zhì)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)多為聚四氟乙烯作為絕緣介質(zhì)，金屬外殼一般不受輻照影響，表2為常見絕緣材料的耐輻照劑量：

表2 常見絕緣材料耐輻照劑量

由表2可知，聚四氟乙烯材料耐輻照劑量?jī)H為105rad(Si)，按照國(guó)軍標(biāo)要求，聚四氟不能直接暴露在太空環(huán)境中，需要增加一定的屏蔽保護(hù)，而連接器外殼屬于金屬材料，起到屏蔽保護(hù)的作用，根據(jù)圖1可知，選擇適合材料和厚度的金屬外殼是保證連接器在不同劑量輻照下失效的有效措施。

輻照防護(hù)的基本原理：當(dāng)輻射源放射處一定能量時(shí)，在不考慮質(zhì)子、電子及其他粒子的核反應(yīng)，初始能量為E0的粒子源與屏蔽材料發(fā)生碰撞，直到被屏蔽物質(zhì)吸收。粒子進(jìn)入物質(zhì)后，與路徑上物質(zhì)的原子不斷發(fā)生核碰撞，逐漸損失一定能量，穿出物質(zhì)；如果物質(zhì)相對(duì)與粒子射程很厚，則物質(zhì)會(huì)吸收粒子的所有能量。

5 常用連接器屏蔽材料的選擇與輻照劑量計(jì)算

5.1 理論計(jì)算

選擇一種屏蔽材料之后，所選擇屏蔽材料的物性參數(shù)就確定了(該材料的原子序數(shù)，原子量，平均電離電勢(shì)，密度)，所選擇的屏蔽材料所要屏蔽的輻照劑量等于特定軌道上某種粒子的初始能量減去連接器所能成熟的極限輻照吸收量。即,連接器外殼屏蔽掉的輻照劑量(E0)=粒子初始能量-連接器所能承受的極限輻照劑量(根據(jù)連接器結(jié)構(gòu)特征，一般為連接器內(nèi)部絕緣支持所能經(jīng)受的極限輻照劑量)，連接器典型結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 連接器典型結(jié)構(gòu)圖

這里，取連接器內(nèi)部聚四氟乙烯所能承受的輻照劑量為105rad(Si)。

由能量-射程關(guān)系可以獲得物質(zhì)屏蔽的粒子能量范圍以及粒子貫穿物質(zhì)后的能量衰減，能量-射程關(guān)系可知一定質(zhì)量屏蔽厚度的物質(zhì)能夠屏蔽一定能量范圍的粒子輻射，并使貫穿粒子的能量有所降低完全被吸收。

對(duì)質(zhì)子或粒子等帶電粒子，有質(zhì)子能量損失工時(shí)，在不考慮殼層效應(yīng)和密度效應(yīng)修正系數(shù)受，能損失率為

(1)

由于空間基本沒(méi)有空氣，所以氣體對(duì)粒子影響可忽略不計(jì)。

其中，β為帶電粒子速度v與光速c之比，對(duì)質(zhì)子中的參數(shù)β需要進(jìn)一步計(jì)算得出，由狹義相對(duì)論能量公式得

E=mc2=m0c2

(2)

可得，

(3)

其中，E為質(zhì)子運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量；m0c2為質(zhì)子靜止時(shí)的能量，m0為質(zhì)子靜止時(shí)的質(zhì)量，c為光速；M為質(zhì)子運(yùn)動(dòng)時(shí)的質(zhì)量；V為質(zhì)子運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度。

由

(4)

經(jīng)過(guò)整理有

(5)

能量E0粒子，其射程為

(6)

將式5帶入射程公式6中

(7)

由于，R(E0)=ρ·d

其中，R(E0)為初始能量帶電粒子射程，g/cm2；

ρ為該種屏蔽材料密度，g/cm3；

d為屏蔽能量為E0的帶電粒子所需屏蔽材料厚度。

書法作為是中華美學(xué)和文化形態(tài)的折射，是中國(guó)文化博大精深的具象化。初中生通過(guò)素質(zhì)拓展課程加強(qiáng)對(duì)書法的練習(xí)，即是對(duì)中華優(yōu)秀文化的弘揚(yáng)，也是國(guó)家交給初中美術(shù)教育工作者一項(xiàng)重要的任務(wù)。

將上式帶入

(7)

=ρ×d

(8)

可得

(9)

對(duì)于純金屬材料和化合物材料，可以得出：

(10)

5.2 等效鋁厚度(Teq)計(jì)算法

Teq=Tm ×(dens)m/(dens)Al

(11)

Teq：等效鋁厚度；

Tm：替代材料厚度；

(dens)m：替代材料密度；

(dens)Al：鋁的密度。

常用材料材料密度見表3。

表3 材料密度參照表

由上表可知材料密度和等效厚度的關(guān)系。

表4為金屬厚度耐輻照對(duì)照表對(duì)比，數(shù)據(jù)為某星載項(xiàng)目輻照試驗(yàn)獲得。

表4 金屬厚度輻照對(duì)照表

將表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合后得到圖3。

輻射劑量rad(si)

將表4數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后，可以得到一個(gè)近似于直線的對(duì)數(shù)曲線圖3。根據(jù)該曲線的斜率可以計(jì)算出屏蔽物厚度和輻照劑量的關(guān)系。由圖3可知，擬合后直線的斜率k=0.5,當(dāng)輻照源劑量為1×107rad(Si)時(shí)，要保證連接器內(nèi)部聚四氟乙烯不被輻照破壞，對(duì)應(yīng)銅屏蔽物的厚度必須大于0.2mm，才能保證輻射在穿過(guò)銅后作用在聚四氟乙烯上的輻照累計(jì)劑量不大于105rad(Si)，當(dāng)輻照源劑量為2.64×108rad(Si)時(shí)，要保證連接器內(nèi)部聚四氟乙烯不被輻照破壞，銅屏蔽物的厚度必須大于1mm，才能保證輻射在穿過(guò)銅后作用在聚四氟乙烯上的輻照累計(jì)劑量不大于105rad(Si)。

5.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述分析，對(duì)某兩款航天器用連接器進(jìn)行了耐輻照實(shí)驗(yàn)，一種銅外殼厚度為0.3mm的連接器和另一種銅外殼厚度為2mm，內(nèi)部均為聚四氟乙烯的產(chǎn)品進(jìn)行輻照試驗(yàn)，輻照劑量分別為1×107rad(Si)和2.64×108rad(Si)，按照QJ10004-2008宇航用半導(dǎo)體器件總劑量輻照試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

1)試驗(yàn)條件：輻照源：60Coγ射線；輻照總劑量分別為1×107rad(Si)和2.64×108rad(Si)，劑量率為50rad(Si)/s,依據(jù)GB139《使用硫酸亞鐵劑量劑測(cè)定水中吸收劑量的標(biāo)準(zhǔn)方法》對(duì)60Coγ射線源劑量進(jìn)行標(biāo)定，確定給定劑量率的試驗(yàn)件放置位置。

2)試驗(yàn)儀器：60Coγ射線源、分光光度計(jì)、硫酸亞鐵指示劑。

3)測(cè)試結(jié)果：試驗(yàn)后測(cè)試兩款連接器的介質(zhì)耐壓、絕緣電阻均滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)論

本文簡(jiǎn)要分析了電連接器在空間輻射環(huán)境下的防護(hù)因素。并對(duì)電子元器和電連接器受空間輻射影響做了簡(jiǎn)要分析，總結(jié)了材料和輻射劑量關(guān)系，以及材料厚度和輻射劑量的關(guān)系，為連接器抗輻照設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)思路和計(jì)算方法。