電連接器耐輻照研究

許 剛

(陜西華達科技股份有限公司，陜西西安，710065)

1 引言

隨著世界各航天強國對星鏈計劃、衛星通信與遙感技術的發展提出了更高要求，作為星地通信與目標控制的唯一紐帶，星載通信系統的穩定運行關乎整個空間任務的成敗。而在太空環境條件下，輻射源的形狀和幾何尺寸是未知的，它并不是單一的質子、中子、α、γ射線，而是一種包含伽瑪射線、高能質子和宇宙射線的特殊混合體，而γ射線是可穿透整個宇宙的電磁波中最高能量的波段，也是電磁波譜中波長最短的部分。它具有強大的穿透性，雖然連接器一般由金屬外殼作為保護層來阻擋大部分太空來的射線，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生變化，導致連接器失效。目前我國航天事業進入了一個高速發展的機遇期，也對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、不同任務的航天器對連接器的輻照要求就顯得尤為重要。

2 空間輻照防護技術

與常規的輻照防護不同，太空環境下主要是來自外部射線的照射。輻照來源主要分為太陽活動、宇宙射線和范艾倫輻射帶(Van Allen Belt)等。太陽活動、太陽耀斑和太陽風的強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，太空輻照環境對電連接器輻照效應有兩類：長期效應和瞬態效應。長期效應又分為總電離劑量(TID)效應和位移損傷劑量(DDD)效應。瞬態效應分為劑量率效應和單粒子效應。總電離劑量效應是由于質子和電子長期積累引起的離化損傷，它能導致器件閾值漂移、漏電流增大，甚至功能失效。根據上述理論，目前通常使用的輻照防護方法有三類：1)時間防護：由于輻射劑量和時間成正比，盡可能使電子元器件產品在允許條件下減少在輻射源旁邊停留的時間，達到輻照防護目的。2)距離防護：輻照的強度一般和距離的平方成反比，在允許條件下盡可能的遠離輻照源達到輻照防護的目的。3)屏蔽防護：在易被輻射影響的物體和輻射源間增加屏蔽物，阻擋輻射達到輻照防護的目的。

在太空環境下，空間飛行器在空間由于任務不同，電子元器件需要常年處于一個軌道下受各種粒子和射線輻照，根本無法有效的進行時間防護和距離防護，所以只有屏蔽防護才能起到作用，而電連接器是最理想的是實行屏蔽防護，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，但空間防護和陸地防護不同，由于有些材料為航天禁限用材料，還有一些材料過重，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，而且運載能力也限制了發射時的總載荷重量。空間輻射的能量很高，完全屏蔽是不可能的。因此，空間輻射防護的原則也是在合理條件下，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系

美國NASA將空間自然環境輻射分為高、中、低三個等級。高端為輻射劑量高于100Krad(Si);這種是要求有長期在軌任務、強的單粒子環境和強的輻射環境，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、較強的單粒子環境和輻射環境如EOS、高LEO、L1、L2、ISSA等；低端指輻照劑量在10Krad(Si)以下；短任務周期和低位移環境如哈勃太空望遠鏡、航天飛機、XTE等。

表1 衛星軌道

以高度約為36000Km的高軌地球同步衛星(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衛星通常具有較長的任務周期，該軌道輻射等級屬于高輻射等級，查閱相關資料GEO衛星空間輻射劑量和屏蔽厚度之間的關系，即深度和劑量的關系。下圖1為工作壽命為10年的GEO衛星的深度劑量關系曲線：

圖1 GEO衛星屏蔽厚度和輻射劑量關系曲線圖(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明顯降低。

4 耐輻照劑量研究

根據查詢資料，確定特定的軌道輻照參數，根據電子設備中含有的電子元器件種類，確定電子設備所能承受的最大輻射劑量，根據研究發現電子元器件所能承受的輻照劑量不應大于107rad(Si),也就是說當電子元器件經受輻照劑量超過107rad(Si)時可能會發生失效。

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

連接器外部結構為金屬材質，內部結構多為聚四氟乙烯作為絕緣介質，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僅為105rad(Si)，按照國軍標要求，聚四氟不能直接暴露在太空環境中，需要增加一定的屏蔽保護，而連接器外殼屬于金屬材料，起到屏蔽保護的作用，根據圖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。

輻照防護的基本原理：當輻射源放射處一定能量時，在不考慮質子、電子及其他粒子的核反應，初始能量為E0的粒子源與屏蔽材料發生碰撞，直到被屏蔽物質吸收。粒子進入物質后，與路徑上物質的原子不斷發生核碰撞，逐漸損失一定能量，穿出物質；如果物質相對與粒子射程很厚，則物質會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算

5.1 理論計算

選擇一種屏蔽材料之后，所選擇屏蔽材料的物性參數就確定了(該材料的原子序數，原子量，平均電離電勢，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(根據連接器結構特征，一般為連接器內部絕緣支持所能經受的極限輻照劑量)，連接器典型結構見圖2。

圖2 連接器典型結構圖

這里，取連接器內部聚四氟乙烯所能承受的輻照劑量為105rad(Si)。

由能量-射程關系可以獲得物質屏蔽的粒子能量范圍以及粒子貫穿物質后的能量衰減，能量-射程關系可知一定質量屏蔽厚度的物質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。

對質子或粒子等帶電粒子，有質子能量損失工時，在不考慮殼層效應和密度效應修正系數受，能損失率為

(1)

由于空間基本沒有空氣，所以氣體對粒子影響可忽略不計。

其中，β為帶電粒子速度v與光速c之比，對質子中的參數β需要進一步計算得出，由狹義相對論能量公式得

E=mc2=m0c2

(2)

可得，

(3)

其中，E為質子運動時的能量；m0c2為質子靜止時的能量，m0為質子靜止時的質量，c為光速；M為質子運動時的質量；V為質子運動時的速度。

由

(4)

經過整理有

(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和文化形態的折射，是中國文化博大精深的具象化。初中生通過素質拓展課程加強對書法的練習，即是對中華優秀文化的弘揚，也是國家交給初中美術教育工作者一項重要的任務。

將上式帶入

(7)

=ρ×d

(8)

可得

(9)

對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系。

表4為金屬厚度耐輻照對照表對比，數據為某星載項目輻照試驗獲得。

表4 金屬厚度輻照對照表

將表4試驗數據擬合后得到圖3。

輻射劑量rad(si)

將表4數據進行擬合后，可以得到一個近似于直線的對數曲線圖3。根據該曲線的斜率可以計算出屏蔽物厚度和輻照劑量的關系。由圖3可知，擬合后直線的斜率k=0.5,當輻照源劑量為1×107rad(Si)時，要保證連接器內部聚四氟乙烯不被輻照破壞，對應銅屏蔽物的厚度必須大于0.2mm，才能保證輻射在穿過銅后作用在聚四氟乙烯上的輻照累計劑量不大于105rad(Si)，當輻照源劑量為2.64×108rad(Si)時，要保證連接器內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銅后作用在聚四氟乙烯上的輻照累計劑量不大于105rad(Si)。

5.3 試驗驗證

根據上述分析，對某兩款航天器用連接器進行了耐輻照實驗，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，內部均為聚四氟乙烯的產品進行輻照試驗，輻照劑量分別為1×107rad(Si)和2.64×108rad(Si)，按照QJ10004-2008宇航用半導體器件總劑量輻照試驗方法進行試驗。

1)試驗條件：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GB139《使用硫酸亞鐵劑量劑測定水中吸收劑量的標準方法》對60Coγ射線源劑量進行標定，確定給定劑量率的試驗件放置位置。

2)試驗儀器：60Coγ射線源、分光光度計、硫酸亞鐵指示劑。

3)測試結果：試驗后測試兩款連接器的介質耐壓、絕緣電阻均滿足產品標準要求。

6 結論

本文簡要分析了電連接器在空間輻射環境下的防護因素。并對電子元器和電連接器受空間輻射影響做了簡要分析，總結了材料和輻射劑量關系，以及材料厚度和輻射劑量的關系，為連接器抗輻照設計提供了新的設計思路和計算方法。