李 慶，韋錫峰，肖文斌，俞佳江

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

0 引言

近年來，隨著新型光電器件在衛(wèi)星上的廣泛應用，因位移損傷效應引起的航天器故障不斷發(fā)生，例如：美國TOPEX/Poseidon衛(wèi)星的光電耦合器受質子輻射產生位移損傷造成性能退化，在軌運行2年后失效[1]；Chandra太空望遠鏡的CCD相機因位移損傷導致分辨率降低[2]；我國“遙感八號”衛(wèi)星反作用飛輪因光電編碼器組件產生位移損傷導致在軌工作異常等?？梢?，位移損傷已經成為繼電離總劑量、單粒子和充放電效應外決定衛(wèi)星抗輻射能力的另一重要因素。

針對位移損傷效應，國內外學者開展了諸多研究工作。王祖軍等[3]通過CCD質子輻照損傷實驗，比較了不同能量質子輻照下CCD敏感參數(shù)的退化以及功能失效時的累積輻照注量，分析了CCD位移輻射效應的損傷機理。李錚等[4]選取了一種典型的光電耦合器GH302，在70 MeV以上高能量范圍開展了質子輻照試驗，獲得了器件的電流傳輸比（CTR）隨等效劑量的變化規(guī)律。此外，黃紹艷[5]、吳宜勇等[6]也分別選擇光敏晶體管、GaAs/Ge太陽電池等光電器件開展了位移損傷輻照實驗，獲得了相應器件的退化曲線。鄒德慧等[7]則從試驗測量的角度對位移損傷監(jiān)測系統(tǒng)進行了研究。除了實驗研究外，Insoo Jun[8]、王傳珊[9]等人利用 MCNPX、SHIELD等軟件包，以太陽同步軌道的電子和質子能譜作為粒子源，對其在器件硅材料中的電離和非電離能損進行了計算機仿真，并與實驗結果進行了對比。雖然目前針對器件位移損傷，已經取得較多的試驗和仿真數(shù)據，但如何利用這些數(shù)據對星用光電器件的在軌性能退化進行評估，并在此基礎上提出抗輻射加固設計的指標要求，是當前工程實踐中亟需解決的問題。

為此，本文選取GaAs太陽電池、CCD、光電耦合器和光敏晶體管等星用典型光電器件，根據其在地面模擬輻照環(huán)境下的退化行為，對位移損傷效應進行了表征，并結合空間輻射環(huán)境的仿真分析結果，提出一種通用的位移損傷效應評估方法，最后通過應用實例證明了該方法的有效性。

1 典型光電器件位移損傷效應表征

位移損傷效應是入射粒子轟擊半導體材料原子，通過彈性及非彈性碰撞，使之從晶格中原有的位置發(fā)生移位，造成晶格缺陷。這些缺陷會直接影響材料的電導率、載流子遷移率及載流子壽命等，而對于器件本身，則表現(xiàn)為某些電性能參數(shù)的衰降[10]。

1.1 GaAs太陽電池

GaAs太陽電池與Si太陽電池相比，由于具有更高的光電轉換效率和更強的抗輻射能力，已經成為新一代高可靠、長壽命航天器的主電源。其性能主要通過開路電壓Voc、短路電流Isc和填充因子FF等3個基本參數(shù)來描述，由這3個基本的電學參數(shù)可以計算出最大功率Pmax和轉換效率η。通過采用不同能量、注量的質子和電子對GaAs太陽電池進行輻照試驗，可以觀測到其Voc、Isc和Pmax都隨著太陽電池發(fā)射區(qū)、基區(qū)和空間電荷區(qū)不同程度的損傷而出現(xiàn)相應的退化。這三者的退化規(guī)律可以通過動力學方程[6]

來表征。式中：X0和X分別為太陽電池輻照前、后的電性能值，可以是Voc、Isc和Pmax中的一種；C和D0為常數(shù)，一般通過試驗數(shù)據擬合獲得；Dd為位移損傷劑量，單位為Gy或MeV/g。

雖然Voc、Isc和Pmax都可用來表征太陽電池的電性能，但是Voc和Isc在質子輻照和電子輻照下的退化趨勢明顯不同，而Pmax在質子和電子輻照下的退化規(guī)律可以通過轉換因子Rep進行等效，因此在進行太陽電池的在軌行為預測時，常采用Pmax（或η）的退化方程[11]。

1.2 CCD

CCD的電荷轉移效率（CTE）、暗信號是衡量CCD性能好壞的重要參數(shù)。當CCD受輻照產生位移損傷效應后，這些參數(shù)會出現(xiàn)退化。通過大量的輻照實驗，得到CTE的退化公式[3]為

式中：tm為航天器壽命；K為損傷系數(shù)，根據試驗測試結果，當質子輻照注量為3×1010cm-2時，能量為10、5、2 MeV 的質子的損傷系數(shù)分別為 0.992×10-13、0.901×10-13、1.06×10-13g/MeV。

體暗電流增大的計算公式為式中：q為電子電荷量；W為耗盡區(qū)寬度；Kdark為暗電流損傷參數(shù)，其取值在文獻[12]中進行了詳細的介紹，這里不再贅述。

1.3 光電耦合器

光電耦合器分為輸入（發(fā)光器）和輸出（探測器）2部分。當輸入部分受到電信號激勵時，內部發(fā)光器發(fā)出紅外光，使光電探測器產生光電流，輸出部分導通，輸出規(guī)定的電信號。其輸出與輸入電流的比值，即電流傳輸比（CTR）是表征光電耦合器性能的主要參數(shù)，該參數(shù)會隨著粒子輻照注量的增加而降低，相應的退化方程[4]為

1.4 光敏晶體管

光敏晶體管是由光電二極管控制的雙極型器件，其電流增益β的倒數(shù)隨粒子注量的增加成線性增大，增大的速率與注入電流的大小有關，一般而言，注入電流越大，線性關系的斜率越小，其退化方程[5]為

式中：1/β0為原始電流增益的倒數(shù)；K'd為位移損傷系數(shù)，與入射粒子能量、種類及測試條件有關。

通過對上述4種光電器件退化方程的研究可以看出，器件典型電性能參數(shù)的退化都與位移損傷劑量Dd存在比例關系。因此，可以類比電離總劑量，將衛(wèi)星在軌期間的Dd作為星用光電器件位移損傷評估的指標。

2 位移損傷評估方法及流程

星用光電器件位移損傷評估方法的關鍵就是將仿真分析得到的位移損傷劑量Dd和環(huán)境模擬試驗得到的器件退化方程相結合，評估流程如圖1所示。由于某些器件可能安裝于衛(wèi)星艙體內，需要根據衛(wèi)星具體的防護結構，基于軌道根數(shù)和任務周期計算出衛(wèi)星在軌期間的高能粒子能譜通量，進而根據不同器件材料的非電離能量損失（NIEL）計算出位移損傷劑量Dd。在此基礎上，選擇合適的地面模擬輻射源，分別對各種光電器件進行位移損傷輻照試驗，繪制出各個器件的退化曲線，并按照式(1)～式(5)擬合出相應器件的關鍵電參數(shù)隨位移損傷劑量Dd的退化方程。最后將環(huán)境分析得到的Dd代入到退化方程中對器件在軌期間的位移損傷情況進行評估。

圖1 星用光電器件的位移損傷評估流程Fig. 1 Flow of evaluating the displacement damage effect for spacecraft photoelectric devices

2.1 空間輻射環(huán)境預示

地球輻射帶質子與電子，太陽宇宙射線質子以及銀河宇宙射線質子都會造成光電器件的位移損傷。其中銀河宇宙射線質子通量極低（在太陽活動低年，通量為4 cm-2·s-1），較其他兩者可以忽略，因此在計算總的粒子通量時通常只考慮地球輻射帶質子、電子以及太陽質子。

常用的地球輻射帶質子和電子通量模型為AP-8和AE-8，每個模型又包括太陽活動高年和低年2部分?；谠撃Ｐ?，地球輻射帶粒子平均通量的計算公式為

式中：ΔT為由衛(wèi)星軌道計算的輻射累計時間；Δt為采樣時間間隔；n為ΔT時間內總的采樣點數(shù)目；B為磁場強度；L為磁殼參量。

在典型航天器屏蔽情況下，ESP太陽宇宙射線質子模型對飛行周期內的位移損傷計算更為適用[13]。ESP模型的建立基于對第20、21、22個太陽活動周期內的探測數(shù)據的統(tǒng)計分析，利用式(7)計算在太陽活動高年中且飛行任務周期為T時，能量大于E的太陽質子累積注量不超過Φ的概率，給出一定置信度下的飛行任務周期內太陽質子累積注量能譜。

式中：F為太陽質子單向積分通量；E為太陽質子能量；T為飛行任務周期中處在太陽活動高年的時間（T≤7 a）；模型參數(shù)ΦRV和Φmean針對不同的能量范圍給出；σ2=ln(1+ΦRV/T)，μ=ln(TΦmean)?σ2/2。

2.2 位移損傷劑量Dd計算

計算位移損傷劑量Dd的前提有2個：一是針對器件的組成材料計算帶電粒子的非電離能量損失（NIEL）；二是根據具體的軌道環(huán)境參數(shù)計算空間帶電粒子能譜。帶電粒子與物質作用的基本形式是電離和位移，總的能量損失為這2部分之和。非電離能量損失是指產生電離效應以外的能量損失，幾乎全部用于產生位移效應。帶電粒子NIEL的計算公式[14]為

式中：σ(θ,E)為散射截面；T(θ,E)為反沖能；L[T(θ,E)]為 Lindhard分配因子；Td為反沖截止能量；dΩ為立體角元。

則空間帶電粒子能譜可利用公式

轉化為位移損傷劑量。式中：Φ(Ep)和Φ(Ee)分別表示能量為Ep的質子通量和能量為Ee的電子通量；Rep為質子和電子位移損傷劑量的轉化因子；系數(shù)n用來修正不同能量電子對器件損傷的差異，通常取1＜n＜2。

3 應用實例

基于上述方法，以某太陽同步軌道衛(wèi)星（軌道高度1200 km、傾角100°，設計壽命3年）為例，對星上反作用飛輪內的光敏三極管OP604-TXV進行位移損傷效應評估，輻射粒子來源主要考慮地磁捕獲質子和太陽質子。

如圖2所示，利用SPENVIS軟件，選擇AP-8和ESP模型，分析獲得衛(wèi)星在軌期間遭遇的高能質子能譜，進而利用式(9)計算得到壽命期內衛(wèi)星在典型屏蔽情況下累積的位移損傷劑量。

圖2 衛(wèi)星在軌壽命期間輻射環(huán)境預示結果Fig. 2 The prediction result of radiation environment in the lifetime of orbit satellite

接著選取一定數(shù)量的元器件樣本，在60Co輻射源下，先后以4.5 rad/s（0～60 krad(Si)范圍內）和24.85 rad/s（60～100 krad(Si)范圍內）劑量率進行輻照試驗，并在每5 krad設置一個測試點，記錄不同注量條件下光敏三極管CTR的變化情況，如圖3所示。

圖3 光敏三極管OP604位移損傷試驗結果Fig. 3 The experimental results of displacement damage of OP604 phototransistor

由圖3可以看出，當工作電流一定時，光敏三極管的CTR隨輻照注量的增加而降低，且元器件在相同質量等級情況下，工作電流越大，抗位移損傷能力越強。利用式(4)對不同輸入電流下器件參數(shù)隨輻射粒子注量的退化關系進行擬合，結果如圖4所示，可見歸一化CTR倒數(shù)的增量，即與粒子注量呈線性關系。不同輸入電流下CTR退化方程的擬合參數(shù)如表1所示。

圖4 隨輻照劑量的變化Fig. 4 as a function of irradiation dose

表1 不同輸入電流下CTR退化方程的擬合參數(shù)Table 1 Fitting parameters for different operation currents

最后，將仿真預示的位移損傷劑量代入到擬合后的CTR退化方程中，即可對光敏三極管的在軌性能退化進行評估。圖5所示為衛(wèi)星不同壽命期內，等效鋁屏蔽厚度為3 mm情況下，光敏三極管CTR的退化曲線。若已知該器件CTR的失效閾值為0.4，則通過評估，該器件在軌3年壽命期內，其CTR隨輻射劑量的積累將逐步降低為初始值的21.9%，超過了該器件的失效閾值，可能出現(xiàn)位移損傷失效，需開展相應的防護設計。例如，在器件表面貼裝鉛皮或通過優(yōu)化單機布局，將壽命期內器件受到的位移損傷劑量降低到12.2 krad(Si)以內（對應CTR的變化為40%），則該器件可在軌穩(wěn)定工作。

圖5 光敏三極管OP604在不同壽命期內的退化曲線Fig. 5 Degradation curves of OP604 phototransistor in different life periods

4 結束語

光電器件的位移損傷是其空間應用的一大約束條件，本文在調研的基礎上，總結歸納了GaAs太陽電池、CCD、光電耦合器和光敏晶體管等典型光電器件的敏感電參數(shù)隨位移損傷劑量Dd的退化方程，結合空間輻射環(huán)境仿真分析和位移損傷輻照試驗，提出了一種通用的光電器件位移損傷評估方法。利用該方法對某太陽同步軌道衛(wèi)星反作用飛輪內的光敏三極管OP604-TXV進行了位移損傷效應評估，獲得了該器件在不同輸入電流下CTR隨輻射粒子注量的退化規(guī)律，并基于評估結果給出了抗輻射加固設計建議。相應地，設計師也可以利用本文提出的方法預示器件在軌壽命期間遭遇的位移損傷劑量，給出其對應的抗輻射指標要求，為器件選型提供技術支持。