而就在前不久，為了尋找古代微生物生命的蹤跡，行星探測器“毅力號”也進(jìn)入火星稀薄的大氣層，面對深空高能輻射和極端冷熱循環(huán)等挑戰，探測器已經(jīng)開(kāi)始了各種收集巖芯樣本并進(jìn)行實(shí)驗。“毅力號”科學(xué)探測器的重量不到2300磅，采用抗輻射技術(shù)，將為人類(lèi)未來(lái)探索太陽(yáng)系鋪平道路。

 

值得一提的是，這樣的前沿探索研究是一個(gè)全面的跨學(xué)科大型科研合作，其中很大部分工作需要電子工程師的參與。ADI通過(guò)與NASA/JPL合作，在毅力號上就有63個(gè)ADI元器件，從傳感器、電源到關(guān)鍵信號鏈器件。由于工作在太空環(huán)境，面臨各種極端情況，而且可靠性、穩定性要求特別高，需要必須能夠承受宇宙射線(xiàn)的輻射，以及能在遠超工業(yè)或汽車(chē)等常見(jiàn)苛刻環(huán)境下長(cháng)期可靠工作的器件性能要求。本文將以ADI在“毅力號“及相關(guān)宇航項目中應用的經(jīng)驗，談?wù)勲娮酉到y如何滿(mǎn)足極端應用環(huán)境的系統設計。

 

宇宙極端環(huán)境對探測設備提出嚴峻挑戰

 

登陸火星具體有什么要求？首先，火星上的環(huán)境就和地球大不相同，重力低（火星質(zhì)量約為地球的九分之一、表面重力約為地球的38%），氣壓低（星球表面大氣層薄，氣壓偏低，約為地球表面氣壓的0.6%），溫差大（表日夜溫差很大，某些地區地表溫度白天可達28℃，夜晚可低至-132℃，平均-52℃，）還經(jīng)常有全球性的沙塵暴?？傊h(huán)境相當不友好，這對火星車(chē)及搭載的電子系統設備要求自然也就高了。

 

車(chē)上的各個(gè)組件都得適應這些惡劣的環(huán)境，尤其是嬌貴的各種電子器件、傳感器，，一般工業(yè)級電氣元器件的工作溫度是-25℃~70℃，超過(guò)這個(gè)范圍后器件壽命會(huì )大幅度縮短，性能參數下降甚至不工作，面對火星最低能到-132℃的溫度，對器件要求就更嚴峻了。除了溫度波動(dòng)，還有不一樣的重力環(huán)境、地面和沙塵暴帶來(lái)的振動(dòng)，這些對于電子器件來(lái)說(shuō)也是不小的考驗，最終能在火星車(chē)正常工作的器件，都必須精挑細選。

 

這個(gè)曾經(jīng)流經(jīng)火星表面的河道填滿(mǎn)的隕石坑是“毅力”號著(zhù)陸點(diǎn)

 

說(shuō)到外太空環(huán)境，輻射絕對是避不開(kāi)的一個(gè)話(huà)題，太空輻射會(huì )產(chǎn)生隨機錯誤，重置處理設備，甚至損壞組件。常見(jiàn)的輻射影響有：?jiǎn)问录⊿EE），即單個(gè)離子或粒子撞擊設備的特定區域會(huì )導致各種奇怪的現象和錯誤；總電離劑量（TID），即電離輻射在其整個(gè)使用壽命中對部件產(chǎn)生的長(cháng)期累積影響，可能導致偏移，例如某些組件上的電源電流增加；位移損壞（DD），即中子等大顆粒會(huì )破壞硅芯片的晶體結構，從而造成物理?yè)p壞；等等。

 

輻射測試了解電子系統在輻射環(huán)境下的穩定可靠性

 

知道為什么要進(jìn)行輻射測試之后，我們來(lái)看看可能遇到的不同輻射效應。

 

一般可觀(guān)察到兩種類(lèi)型的效應，即累積效應和單粒子效應。累積效應發(fā)生在較長(cháng)時(shí)間內，設備反復暴露于輻射之下，性能開(kāi)始以某種方式發(fā)生轉變。受累積效應影響，設備復位或斷電后重啟不會(huì )使設備返回到標稱(chēng)工作狀態(tài)。這些累積效應導致設備性能出現半永久性到永久性的變化。之所以說(shuō)“半永久性”，是這種情況下輻射引起的效應不會(huì )因為設備復位或斷電后重啟而消除，但可能隨著(zhù)時(shí)間推移或暴露于高溫而消失。

 

輻射效應——累積效應和單粒子效應

 

累積效應主要分總電離劑量（TID）和位移損傷。TID效應通常發(fā)生在設備使用壽命中的很長(cháng)一段時(shí)間內。當測試TID效應時(shí)，設備暴露于輻射下直至達到一定的劑量。劑量決定所執行的TID測試類(lèi)型。一般來(lái)說(shuō)，小于或等于30mrad/s的輻射量被認為是低劑量率(LDR)，50到300 rad/s范圍內的輻射量被認為是高劑量率(HDR)。30 kRad到100 kRad的總電離輻射劑量是相當常見(jiàn)的。目的是讓設備暴露于大量輻射下，以測量其在太空應用中的使用壽命。

 

累積效應——TID和位移損傷

 

通常會(huì )在輻射暴露之前對設備進(jìn)行測試以建立基線(xiàn)性能。然后將其暴露于特定劑量率的輻射（LDR或HDR）下并持續一段時(shí)間，以達到所需的總電離輻射劑量。暴露于輻射之后，對設備重新測試以確定其性能的任何變化。在輻射暴露期間，設備將被調整到正常工作模式，以模擬設備在太空應用中的工作條件。

 

位移損傷是指輻射離子撞擊設備，并因此使組成設備的材料中的原子發(fā)生位移。這種位移可能導致晶格空位或填隙。這些原子隨后可能重組或形成穩定的缺陷。

 

輻射硬化確保電子系統在火星環(huán)境下穩定工作數十年

 

40多年來(lái)，ADI不斷利用創(chuàng )新與NASA/JPL合作開(kāi)發(fā)能夠承受發(fā)射時(shí)的極高重力，并滿(mǎn)足嚴格的質(zhì)量標準，能夠適應嚴苛的太空環(huán)境要求的元器件和系統。ADI與NASA/JPL的合作可以追溯到20世紀80年代初，雙方一直致力于推動(dòng)突破技術(shù)極限，開(kāi)發(fā)關(guān)鍵元器件、自定義程序和抗輻射技術(shù)。無(wú)論其功能是什么，或要執行什么任務(wù)，每個(gè)元器件都要面對最?lèi)毫拥沫h(huán)境條件，包括極端重力、振動(dòng)、溫度波動(dòng)和輻射。

 

與可以更換故障設備的地面應用不同，設備送入太空之后，無(wú)法輕松進(jìn)行更換。面對太空的強輻射，電子器件針對輻射進(jìn)行硬化（radiation-hardened）十分重要。ADI與NASA /JPL合作開(kāi)發(fā)了相關(guān)技術(shù)，采用各種各樣的工藝來(lái)減輕或增強輻射耐受性，相關(guān)系統及器件會(huì )使用回旋加速器以及其他類(lèi)似設施的進(jìn)行輻射硬化，使得組件可以承受太空惡劣的環(huán)境。這些設施使我們能夠在將設備放入衛星等應用環(huán)境之前，將設備暴露在輻射中以測量其性能。

 

“朱諾”號太空探測器

 

在“毅力號”之前，ADI就與NASA/JPL的“朱諾”號太空探測器合作，該探測器于2011年8月5日發(fā)射升空，歷時(shí)近5年，穿越深空中的各種極端環(huán)境，于2016年7月4日抵達木星周?chē)能壍?。在太?yáng)系所有的惡劣輻射環(huán)境中，木星可能位居第一。木星的磁層在其范艾倫輻射帶中捕獲了大量輻射，這個(gè)量遠遠大于我們行星周?chē)蛱?yáng)系內的其他行星周?chē)妮椛鋷?。這使得“朱諾”號成為一項極具風(fēng)險的任務(wù)，需要大大提高其電子設備的抗輻射性能。通過(guò)在地球上對設備進(jìn)行輻射測試，ADI的這些器件可以確保設備可以在惡劣的太空輻射環(huán)境中正常運行。

 

 

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