火星“访客”不断的背后,是一条电子设备与辐射的对抗之路

日期:2021-05-26      作者:亚德诺半导体    来源:亚德诺半导体
核心提示:作为人类深空探测最热门的焦点,火星近来“访客”不断。2021年5月15日,一辆以中国神话传说中火神命名的小车——“祝融号”跨越4.5亿公里浩瀚宇宙,成功登陆火星北半球的乌托邦平原。

作为人类深空探测最热门的焦点,火星近来“访客”不断。2021年5月15日,一辆以中国神话传说中火神命名的小车——“祝融号”跨越4.5亿公里浩瀚宇宙,成功登陆火星北半球的乌托邦平原。

而就在前不久,为了寻找古代微生物生命的踪迹,行星探测器“毅力号”也进入火星稀薄的大气层,面对深空高能辐射和极端冷热循环等挑战,探测器已经开始了各种收集岩芯样本并进行实验。“毅力号”科学探测器的重量不到2300磅,采用抗辐射技术,将为人类未来探索太阳系铺平道路。

值得一提的是,这样的前沿探索研究是一个全面的跨学科大型科研合作,其中很大部分工作需要电子工程师的参与。ADI通过与NASA/JPL合作,在毅力号上就有63个ADI元器件,从传感器、电源到关键信号链器件。由于工作在太空环境,面临各种极端情况,而且可靠性、稳定性要求特别高,需要必须能够承受宇宙射线的辐射,以及能在远超工业或汽车等常见苛刻环境下长期可靠工作的器件性能要求。本文将以ADI在“毅力号“及相关宇航项目中应用的经验,谈谈电子系统如何满足极端应用环境的系统设计。

 

 

宇宙极端环境对探测设备提出严峻挑战

 

登陆火星具体有什么要求?首先,火星上的环境就和地球大不相同,重力低(火星质量约为地球的九分之一、表面重力约为地球的38%),气压低(星球表面大气层薄,气压偏低,约为地球表面气压的0.6%),温差大(表日夜温差很大,某些地区地表温度白天可达28℃,夜晚可低至-132℃,平均-52℃,)还经常有全球性的沙尘暴。总之环境相当不友好,这对火星车及搭载的电子系统设备要求自然也就高了。

车上的各个组件都得适应这些恶劣的环境,尤其是娇贵的各种电子器件、传感器,,一般工业级电气元器件的工作温度是-25℃~70℃,超过这个范围后器件寿命会大幅度缩短,性能参数下降甚至不工作,面对火星最低能到-132℃的温度,对器件要求就更严峻了。除了温度波动,还有不一样的重力环境、地面和沙尘暴带来的振动,这些对于电子器件来说也是不小的考验,最终能在火星车正常工作的器件,都必须精挑细选。

 

这个曾经流经火星表面的河道填满的陨石坑是“毅力”号着陆点

 

说到外太空环境,辐射绝对是避不开的一个话题,太空辐射会产生随机错误,重置处理设备,甚至损坏组件。常见的辐射影响有:单事件效应(SEE),即单个离子或粒子撞击设备的特定区域会导致各种奇怪的现象和错误;总电离剂量(TID),即电离辐射在其整个使用寿命中对部件产生的长期累积影响,可能导致偏移,例如某些组件上的电源电流增加;位移损坏(DD),即中子等大颗粒会破坏硅芯片的晶体结构,从而造成物理损坏;等等。

辐射测试了解电子系统在辐射环境下的稳定可靠性

知道为什么要进行辐射测试之后,我们来看看可能遇到的不同辐射效应。

一般可观察到两种类型的效应,即累积效应和单粒子效应。累积效应发生在较长时间内,设备反复暴露于辐射之下,性能开始以某种方式发生转变。受累积效应影响,设备复位或断电后重启不会使设备返回到标称工作状态。这些累积效应导致设备性能出现半永久性到永久性的变化。之所以说“半永久性”,是这种情况下辐射引起的效应不会因为设备复位或断电后重启而消除,但可能随着时间推移或暴露于高温而消失。

辐射效应——累积效应和单粒子效应

 

累积效应主要分总电离剂量(TID)和位移损伤。TID效应通常发生在设备使用寿命中的很长一段时间内。当测试TID效应时,设备暴露于辐射下直至达到一定的剂量。剂量决定所执行的TID测试类型。一般来说,小于或等于30mrad/s的辐射量被认为是低剂量率(LDR),50到300 rad/s范围内的辐射量被认为是高剂量率(HDR)。30 kRad到100 kRad的总电离辐射剂量是相当常见的。目的是让设备暴露于大量辐射下,以测量其在太空应用中的使用寿命。

 

累积效应——TID和位移损伤

 

通常会在辐射暴露之前对设备进行测试以建立基线性能。然后将其暴露于特定剂量率的辐射(LDR或HDR)下并持续一段时间,以达到所需的总电离辐射剂量。暴露于辐射之后,对设备重新测试以确定其性能的任何变化。在辐射暴露期间,设备将被调整到正常工作模式,以模拟设备在太空应用中的工作条件。

位移损伤是指辐射离子撞击设备,并因此使组成设备的材料中的原子发生位移。这种位移可能导致晶格空位或填隙。这些原子随后可能重组或形成稳定的缺陷。

辐射硬化确保电子系统在火星环境下稳定工作数十年

40多年来,ADI不断利用创新与NASA/JPL合作开发能够承受发射时的极高重力,并满足严格的质量标准,能够适应严苛的太空环境要求的元器件和系统。ADI与NASA/JPL的合作可以追溯到20世纪80年代初,双方一直致力于推动突破技术极限,开发关键元器件、自定义程序和抗辐射技术。无论其功能是什么,或要执行什么任务,每个元器件都要面对最恶劣的环境条件,包括极端重力、振动、温度波动和辐射。

与可以更换故障设备的地面应用不同,设备送入太空之后,无法轻松进行更换。面对太空的强辐射,电子器件针对辐射进行硬化(radiation-hardened)十分重要。ADI与NASA /JPL合作开发了相关技术,采用各种各样的工艺来减轻或增强辐射耐受性,相关系统及器件会使用回旋加速器以及其他类似设施的进行辐射硬化,使得组件可以承受太空恶劣的环境。这些设施使我们能够在将设备放入卫星等应用环境之前,将设备暴露在辐射中以测量其性能。

“朱诺”号太空探测器

 

在“毅力号”之前,ADI就与NASA/JPL的“朱诺”号太空探测器合作,该探测器于2011年8月5日发射升空,历时近5年,穿越深空中的各种极端环境,于2016年7月4日抵达木星周围的轨道。在太阳系所有的恶劣辐射环境中,木星可能位居第一。木星的磁层在其范艾伦辐射带中捕获了大量辐射,这个量远远大于我们行星周围或太阳系内的其他行星周围的辐射带。这使得“朱诺”号成为一项极具风险的任务,需要大大提高其电子设备的抗辐射性能。通过在地球上对设备进行辐射测试,ADI的这些器件可以确保设备可以在恶劣的太空辐射环境中正常运行。

 
标签: 辐射 TID ADI
 
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