鄭玉展，張志平，李衍存，向宏文，陳宜穩(wěn)，全 林，成 毅

（1.北京空間飛行器總體設計部，北京100094；2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京100094；3.成都理工大學核技術與自動化工程學院，成都610059）

航天器在軌運行中將不可避免地遇到各種輻射環(huán)境，典型的有高能電子輻射環(huán)境。高能電子可以穿透航天器結構，到達航天器內(nèi)部，將電荷沉積到航天器內(nèi)部的電介質(zhì)中，如沉積到導線外皮、電路板中。所謂的航天器內(nèi)帶電效應，有時也稱為深層介質(zhì)帶電效應，主要由能量范圍為0.1 MeV 到10 MeV 的高能電子引起的，其在內(nèi)部電介質(zhì)的電荷沉積率高于泄放率，就會發(fā)生電荷沉積，累積到一定程度有可能產(chǎn)生放電，放電脈沖會直接或間接地耦合到航天器內(nèi)部其他敏感的電子設備中，產(chǎn)生干擾，影響航天器的安全運行。

近十幾年間，發(fā)生過多次較為嚴重的高能電子環(huán)境引起的內(nèi)帶電事件[1?4]，內(nèi)帶電效應引發(fā)的航天器故障越來越引起關注。除近地中高地球軌道外，深空探測任務也可能出現(xiàn)內(nèi)帶電效應問題，如木星輻射帶中的0.1～10 MeV 的電子通量在107e/（cm2·s）以上[5]，屬于內(nèi)帶電效應的高風險區(qū)；火星塵暴中塵埃及沙粒也可能帶電，塵埃會懸浮、降落、黏附在航天器上引起帶電[6?8]。統(tǒng)計表明，內(nèi)帶電效應引起的航天器在軌異常占到了所有放電引起異?？倲?shù)的50%左右，同時占到了所有空間環(huán)境造成航天器異常的25%[9]。

測量航天器內(nèi)部介質(zhì)的充電電流一方面可以感知航天器內(nèi)部電介質(zhì)的充電情況，另一方面也可以定性或定量地給出引起內(nèi)帶電效應的外部高能電子輻射環(huán)境的變化。此外，還可以基于內(nèi)帶電效應的電流監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析給出航天器內(nèi)部電介質(zhì)材料的電場強弱。但受限于極其微弱電流測量技術，國內(nèi)尚未有航天器內(nèi)帶電電流監(jiān)測數(shù)據(jù)的報道。

本文主要從國外內(nèi)帶電監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得到電流測量范圍，提出一種內(nèi)帶電效應電流測量的探頭及測量電路方案，并在實驗室中對極微弱電流測量模塊進行了標定。

1 內(nèi)帶電效應電流測量范圍分析

1.1 輻射帶風暴探測任務內(nèi)帶電電流監(jiān)測

美國范艾倫輻射帶風暴探測任務是美國航空航天局（National Aeronautics and Space Adminis?tration，NASA）與日共存計劃（Living with stars，LWS）的一部分，用于研究太陽系粒子與場相互作用基礎過程。該任務軌道將多次穿越范艾倫輻射帶中心區(qū)，攜帶了工程輻射監(jiān)測儀（Engineering ra?diation monitors，ERM），用于監(jiān)測內(nèi)帶電效應和輻射劑量[10]。ERM 用兩個直徑為3.8 cm（面積約11 cm2）的銅板來收集高能電子穿過1.0 和3.8 mm鋁后產(chǎn)生的微弱電流。

入軌后，ERM 測量到了較大的內(nèi)帶電電流。圖1 是設備測量到的內(nèi)帶電電流隨時間的變化，其中0 時 刻 是2012 年8 月30 日[11]。圖1 中 的C1表 示1.0 mm 鋁屏蔽下的內(nèi)帶電電流，C2表示3.8 mm 鋁屏蔽下的內(nèi)帶電電流。從圖中可以看出，內(nèi)帶電電流的變化范圍是10 fA～10 pA（約104fA）。

1.2 Galileo 導航試驗星內(nèi)帶電電流監(jiān)測

歐洲伽利略導航系統(tǒng)軌道高度約23 300 km，軌道傾角約56°。衛(wèi)星軌道將通過地球外輻射帶中心區(qū)的邊緣，其中的大量高能電子將會產(chǎn)生內(nèi)帶電效應。在伽利略導航系統(tǒng)試驗星Giove?A 上搭載了內(nèi)帶電效應監(jiān)測儀SURF[12]。SURF 的探頭是堆疊在一起的三個圓形鋁板，直徑為70 mm，可探測三層屏蔽厚度下的內(nèi)帶電電流。SURF 第一層鋁板（Top plate）厚度為0.5 mm，其上有外部包括的熱控多層（等效鋁屏蔽厚度為0.1 mm）和0.4 mm 厚的鋁。第一層鋁板上覆蓋的等效鋁屏蔽厚度為0.5 mm。第二層鋁板（Middle plate）厚度也是0.5 mm，其上覆蓋的等效鋁屏蔽厚度為1 mm。第三層鋁板（Bottom plate）厚度為1 mm 鋁，其上覆蓋的等效鋁屏蔽厚度為1.5 mm。每層鋁板通過引出的電極測量電流。

SURF 測量到的中軌內(nèi)帶電電流密度如圖2所示[13]。圖2 為2006 年1 月到6 月的內(nèi)帶電電流測量數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)中看，此時電流密度范圍為1 fA/cm2～1 pA/cm2。表1 給出了2010 年4 月電子增強事件期間SURF 的監(jiān)測數(shù)據(jù)。從監(jiān)測結果上看，其峰值電流密度達到了1.35 pA/cm2。

圖1 充電電流隨在軌時間的變化Fig.1 Relationship between charging current and onorbit time

圖2 2006 年1 月到6 月的內(nèi)帶電電流監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.2 Internal charging current data from January to June in 2006

綜上分析，國外中高軌道的內(nèi)帶電電流監(jiān)測數(shù)據(jù)，最低為10 fA，最大約為208 pA（根據(jù)峰值電流密度與面積的乘積得到）?？紤]到后續(xù)可能遭遇到更大的高能電子事件，可將內(nèi)帶電電流監(jiān)測范圍定為10 fA～500 pA。

表1 SURF 監(jiān)測電流數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 1 Statics of current data monitored by SURF

2 內(nèi)帶電電流監(jiān)測方案

內(nèi)帶電電流監(jiān)測方案包括電流探頭方案和極微弱電流的測量兩部分，探頭部分采用鋁板來實現(xiàn)，采用I/V 轉(zhuǎn)換電路進行電流測量。鋁板探頭受空間電子轟擊，收集入射在其上的電流，并實現(xiàn)其與航天器結構的隔離。鋁板上的充電電流決定于空間在軌的高能電子通量。電流測量電路要根據(jù)測量電路范圍大小及動態(tài)范圍來設計。

2.1 內(nèi)帶電充電電流探頭方案設計

電流探頭方案設計時需要考慮鋁板探頭的面積、厚度和屏蔽厚度。測量到的電流大小與鋁板面積有關，屏蔽厚度決定了入射到探頭上的電子能量下限，探頭厚度與其探測的能量上限有關，面積則與收集電子數(shù)量多少相關。國際上一般采用2 MeV 的電子通量大小來表征內(nèi)帶電效應的風險。因此，在設計探頭厚度和屏蔽厚度時，可設計為2 MeV 電子能量附近的兩個能量范圍。

為了詳細確定探頭的厚度及其屏蔽厚度，需要計算電子在鋁中的射程，據(jù)此來設計探頭厚度及其屏蔽厚度。電子射程可以通過電子在材料中的吸收曲線線性部分外推來確定。能量為0.3 keV～30 MeV 的單能電子垂直入射時的外推射程R（以g/cm2為單位）為[14]

式中：a0=Ee/mec2，Ee為電子能量(MeV)，mec2為電子 的 靜 止 質(zhì) 量(0.511 MeV)；a1=0.233 5A/Z1.209；a2=1.78×10-4Z； a3=0.989 1-3.01×10-4Z；a4=1.468-1.180×10-2Z；a5=1.232/Z0.109。

上述式中的A、Z 分別為吸收物質(zhì)的原子量與原子序數(shù)，對于鋁來說，A 為27，Z 為13。圖3為不同能量電子在鋁中的射程。從圖中可以看出，0.9 MeV 的電子，其在鋁中的射程約為1 mm鋁。2 MeV 的電子在鋁中的射程約為3.2 mm。

綜合航天器典型屏蔽厚度，可將內(nèi)帶電電流監(jiān)測探頭的等效鋁屏蔽厚度設置為1 和3 mm。其中1 mm 鋁屏蔽可對應航天器艙板內(nèi)部，3 mm 鋁大概對應位置的是單機內(nèi)部。綜合考慮電子射程和所關注的2 MeV 左右的電子能量范圍，將內(nèi)帶電電流監(jiān)測探頭設計成兩個厚度為3 mm 的金屬鋁板，其中一個探頭上覆蓋1 mm 厚的鋁，另一探頭上的鋁厚度為3 mm。探頭測量電流所對應的電子能量范圍分別是0.9～2.4 MeV 和1.9～3.3 MeV。電流探頭的直徑為40 mm，面積約50 cm2。充電電流通過絕緣導線接到微弱電流測量電路上，如圖4 所示。

圖3 不同電子能量在鋁中的射程分析Fig.3 Range of electron with different energies in Aluminum

2.2 極微弱電流測量

2.2.1 I/V 轉(zhuǎn)換的測量原理

I/V 變換方法是將待測量的微弱電流信號，轉(zhuǎn)換并放大為一個幅值較大的電壓信號V，測量轉(zhuǎn)換得到的電壓信號從而獲得待測微弱電流信號的一種方法。由于在轉(zhuǎn)換放大微弱電流信號時，需使用一個高阻值反饋電阻，因此I/V 轉(zhuǎn)換法又稱高阻法，如圖5 所示。

根據(jù)理想運算放大器“虛短”“虛斷”和基爾霍夫電流定律，輸出電壓V0可近似為

式中：V0為輸出電壓，單位為V；If為反饋電流，單位為A；Rf為反饋電阻，單位為Ω；Ii為待測輸入電流，單位為A。待測電流Ii可表示為

由式(2)可知，待測電流的放大倍數(shù)是由反饋電阻Rf決定的。因此，當待測電流信號很?。╬A 甚至fA 級）、要將其放大到便于測量的mV 級電壓時，反饋電阻Rf往往是109～1012Ω。

2.2.2 I/V 轉(zhuǎn)換電路設計

在內(nèi)帶電電流測量模塊中的I/V 轉(zhuǎn)換電路采用靜電級運放AD549，AD549 具有極低輸入偏置電流，其典型值為30 fA，輸入級具有1015Ω 的共模阻抗。輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電壓溫度漂移典型值分別為0.15 mV 和2 μV/℃。

為提高電流測量的精度，在電流探頭輸出信號和AD549 的電源線之間應有大于1015Ω 的絕緣阻抗，以獲得更低的輸入電流。然而標準PCB 材料不具備如此高的絕緣阻抗。故應選用高阻抗的PCB 材料，且PCB 表面應保持潔凈。

為了減小外界因素對pA 甚至fA 級電流的影響，電流測量電路應選用低滲漏的聚苯乙烯電容，用作抑制噪聲和閉環(huán)補償[15]。采用極低電流滲漏的測試插座連接，線纜采用硬性Teflon 共軸電纜。整個電路用接地金屬外殼屏蔽，以屏蔽外界的電磁干擾。在電路設計中還應采用減小輸入線纜的長度、使用低噪聲共軸和三軸電纜等措施來進一步提升電流測量精度。

圖4 內(nèi)帶電電流監(jiān)測探頭Fig.4 Monitor of internal charging current

圖5 I/V 轉(zhuǎn)換原理圖Fig.5 Schematic of current to voltage transfor?mation

3 電流測量電路的標定

3.1 標定原理及儀器

針對近地和深空探測的內(nèi)帶電電流監(jiān)測需求，設計完成了極微弱電流信號的測量電路。該測量電路的質(zhì)量約為50 g，功耗低于24 mW。

電流探頭的處理電路是將接受的電子多少轉(zhuǎn)換為電壓信號。對于電流探頭的處理電路可以采用模擬電流輸入（模擬入射電子的通量大小）的方式來對內(nèi)帶電效應電流測量范圍的線性度進行測試。在實驗室，采用地面極微弱電流源表產(chǎn)生電流輸入到內(nèi)帶電效應測量模塊進行電流標定。具體的標定測試連接如圖6 所示。極微弱電流模擬源采用的是Keithley 公司的6430 亞飛安源表，其集高精度低噪聲的直流源、高精度數(shù)字萬用表與微弱電流測量功能于一體，作為電流源，它能夠提供0.5 fA～105mA 直流電流[16]。

將產(chǎn)生的微弱電流信號輸入到微弱電流測量模塊的輸入端口，并采用高精度的電壓表測量輸出電壓。由于電子產(chǎn)生的電流為負電流，因此輸入的電流為負。整個標定范圍從-10 fA～-500 pA。

圖6 測量模塊標定連接圖Fig.6 Wire map of calibration for monitor unit

3.2 標定結果

圖7 是電流測量模塊的標定結果，其中圖7（a）為-10 fA～-500 pA 全量程的測量結果，圖7（b）為-10 fA～-100 fA 的測量結果。圖7 中還給出了多次測量結果間的標準差，最大的標準差約為0.2 mV。從圖中可以看出，小電流輸入情況下偏差更為顯著（圖7（b）），此時模塊輸出電壓更小，易受干擾。從標定結果來看，內(nèi)帶電電流測量模塊在-10 fA～-500 pA 范圍內(nèi)的線性度較好。

圖7 微弱電流標定結果Fig.7 Calibration results of pico cuurent

4 結 論

針對影響航天器在軌性能正常發(fā)揮的內(nèi)帶電效應，分析了國際上的內(nèi)帶電效應電流監(jiān)測技術。基于國外中高軌內(nèi)帶電電流監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析給出內(nèi)帶電電流測量范圍（10 fA～500 pA），其范圍跨越4 個量級。

根據(jù)中高軌航天器及后續(xù)木星、火星探測任務的內(nèi)帶電監(jiān)測需求，提出了一種fA 級微弱電流的測量方案，設計了內(nèi)帶電電流探頭和微弱電流的測量電路模塊，該測量電路具有質(zhì)量小、功耗小（約50 g，≤24 mW）等特點，符合未來小型化輻射效應探測載荷的發(fā)展趨勢。采用高精度的電流源和電壓表對該測量電路在實驗室進行了極微弱電流的標定。標定結果表明，在10 fA～500 pA 范圍內(nèi)，微弱電流與測量輸出電壓的線性度較好，多次測量結果間的最大標準差約為0.2 mV。