科普｜卫星的工作威胁：空间辐射环境及天格载荷防护措施

文/ 贾历平 星测未来空间科学解决方案专家

01/ 空间辐射环境

众所周知，空间辐射环境会导致航天器材料和电子元器件性能退化、损伤，是航天器故障或失效的主要因素之一。从来源来看，空间辐射粒子可分为俘获带粒子（主要是质子和电子）、太阳粒子（87%质子，12%氦核及1%重核）和银河宇宙射线（96.4%质子，3.5%氦核及0.1%重核等，能量极高）三类。空间辐射粒子产生的辐射效应按机理可分为总剂量效应、单粒子效应以及充放电效应等。

不同类型和能量的辐射粒子，产生的辐射效应各不相同：

• 俘获带电子的能量最高约5-10MeV，穿透能力较弱，主要辐射效应为充放电效应和总剂量效应，可以通过结构屏蔽和系统设计有效降低风险。

• 俘获带质子和太阳质子最高能量约数百MeV，具有较强的穿透力和电离能力，主要辐射效应为总剂量效应和单粒子效应。结构屏蔽能有效降低低能质子通量，对高能质子的作用减弱。

• 银河宇宙射线虽然通量较低，但其最高能量极高，穿透力极强，难以通过结构屏蔽，其主要辐射效应为单粒子效应。

02/ 单粒子效应

总的来说，空间辐射环境引起的充放电效应和总剂量效应可以通过优化系统屏蔽设计进行缓解，而单粒子效应则更难应对。

通常我们用传能线密度（LET）来表征辐射粒子产生单粒子效应的能力。当LET值低于器件阈值时，不会引起单粒子效应，而超过器件阈值后，LET值越大，则引起单粒子效应的概率越高，直至饱和。

一般来讲质量越大的带电粒子，其LET峰值越大，质子的LET值一般低于器件的单粒子效应阈值，无法直接引起单粒子效应，只能靠核反应产生的次级粒子。但对于部分制程先进的芯片，质子也能直接引起单粒子效应。

据文献统计，单粒子效应造成的卫星在轨异常占总的空间环境效应的28.5%，高于总剂量效应（5.4%）和内充放电效应（19.8%，高能电子）的贡献，且单粒子效应更加难以理解和防范。常见的单粒子效应有单粒子翻转、单粒子瞬态、单粒子锁定、单粒子栅穿、单粒子烧毁等，在太空环境中，这些单粒子效应对航天器等高可靠性要求的电子设备构成严重威胁。

• 单粒子翻转：当高能粒子撞击半导体器件的灵敏区时，会产生电荷沉积，这些额外电荷可能改变存储单元的逻辑状态，导致数据错误或功能失效

• 单粒子锁定：主要发生在CMOS器件中，单个高能粒子入射产生的瞬态电流可能触发寄生可控硅结构导通，由于正反馈特性，电流不断增大，导致设备功能性损坏，甚至永久性损坏

• 单粒子栅穿：特指在功率MOSFETs器件中，高能粒子导致的栅氧化物中形成导电路径，从而引发破坏性的烧毁

• 单粒子烧毁：这是一种破坏性效应，高能粒子入射产生的瞬态电流可能导致敏感的寄生双极结晶体管导通，进而造成电路永久短路或烧毁

03/ 空间分布及防护

根据前面介绍，航天器单粒子效应主要考虑俘获带质子，太阳粒子和银河宇宙射线的贡献，其中能直接产生单粒子效应主要是太阳和银河宇宙射线中的重带电粒子，虽然它们通量相比质子低几个数量级，但多数环境特别是俘获带外是单粒子效应的主要贡献源。而在质子俘获带内或太阳辐射高峰期，质子核反应产生的单粒子效应也不容忽视。从分布上来看，

• 银河宇宙线在整个近地轨道空间分布较为均匀，通量随时间变化较小，并受太阳活动周调制；

• 太阳粒子通量与对地方向的太阳活动强弱直接相关，其时空分布具有高度随机性和突发性，持续时间一般约数小时或数天；同时，地磁场对太阳风具有较好的屏蔽效果，特别是低纬度近地轨道，受太阳风的直接影响非常小；

  下图是天格11B载荷于2025年1月4日前后在轨实测的太阳质子事件抵达前后的轨道辐射粒子分布情况，通过前后对比，可以看到太阳活动发生后，南北极地区呈现出明显的辐射水平升高，而低纬度地区包括SAA区的影响不大；

太阳质子事件抵达前后，天格载荷记录的辐射粒子通量分布（颜色越亮辐射强度越大）

• 俘获带质子主要分布在地球中低轨道，并在南大西洋辐射异常区域（SAA）存在下沉现象。因此对于低轨卫星分布较多的500-600km轨道，需要特别注意卫星电子设备在SAA区的单粒子效应防护。

AP-8模型500km LEO轨道质子通量分布

在过去数十年的航天实践和地面试验中，我们积累了大量的数据并以此建立模型，但仍存在较大的缺陷，我们对当前所使用的空间辐射模型的准确性和可靠性有待验证改进，对辐射损伤机制的理解和认知需要提升。

一直以来，天格计划系列载荷的主要目标在于空间伽马暴探测，属于天文宇宙学的热点前沿研究领域。经过我们的多轮迭代优化，已有多颗天格载荷实现在轨24小时常态化观测，这不仅拓展了天格载荷的科学观测时间窗，同时也在持续不断获取不同轨道处的空间辐射数据，为行业提供有价值的资产。