2015年12月17日，“悟空”衛(wèi)星騰空而起開始了為期三年的探尋暗物質(zhì)蹤跡的征途，空間特有的地球輻射帶粒子、銀河宇宙線、太陽(yáng)宇宙線和原子氧等惡劣環(huán)境會(huì)對(duì)“悟空”之旅帶來(lái)重重磨難?？茖W(xué)家采用工業(yè)界最新的高性能微電子器件研制的寬能量范圍和高能量分辨率粒子探測(cè)載荷，是“悟空”巡天的“火眼金睛”，空間輻射粒子襲擊這些微電子器件會(huì)使“悟空”視力下降、局部短時(shí)失明、甚至致盲。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心空間環(huán)境特殊效應(yīng)實(shí)驗(yàn)室（簡(jiǎn)稱效應(yīng)室）長(zhǎng)期研究空間輻射粒子等特殊環(huán)境條件對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)及有效載荷的影響、分析評(píng)估、模擬試驗(yàn)和應(yīng)對(duì)策略。為了使“悟空”衛(wèi)星戰(zhàn)勝空間輻射環(huán)境的磨難覓得暗物質(zhì)蹤跡，效應(yīng)室協(xié)助衛(wèi)星工程、衛(wèi)星系統(tǒng)和有效載荷分系統(tǒng)開展了系列的“抗”輻射保證工作（Radiation Hardness Assurance，簡(jiǎn)寫為RHA）。

　　協(xié)助衛(wèi)星工程和衛(wèi)星系統(tǒng)制定系統(tǒng)的空間環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)要求及規(guī)范

　　空間輻射等環(huán)境條件是“悟空”及其它科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星小伙伴們要共同遭受的磨難。效應(yīng)室協(xié)助空間科學(xué)衛(wèi)星工程總體部門—國(guó)家空間科學(xué)中心制定了科學(xué)衛(wèi)星質(zhì)量管理的“空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)要求”，規(guī)定了工程項(xiàng)目各系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機(jī)及元器件等不同層次應(yīng)對(duì)各類空間環(huán)境危害的總體要求，并協(xié)助工程總體對(duì)各級(jí)設(shè)計(jì)師進(jìn)行了培訓(xùn)。利用自主研發(fā)的“空間環(huán)境效應(yīng)分析”軟件包，仿真研究了“悟空”具體運(yùn)行軌道上的環(huán)境規(guī)律，并考慮衛(wèi)星自身特點(diǎn)，協(xié)助衛(wèi)星系統(tǒng)總體部門—上海微小衛(wèi)星工程中心制定了“暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星空間環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范”，詳細(xì)規(guī)定了該衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)對(duì)防護(hù)太陽(yáng)紫外輻射、大氣與真空、原子氧、電離總劑量、位移總劑量、單粒子效應(yīng)和太陽(yáng)電池輻射損傷等的具體指標(biāo)與主要設(shè)計(jì)要求。該設(shè)計(jì)規(guī)范為衛(wèi)星各分系統(tǒng)、單機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)及元器件選用等提供了依據(jù)。

　　“空間環(huán)境效應(yīng)分析”軟件包及“悟空”衛(wèi)星部分分析結(jié)果

　　協(xié)助衛(wèi)星系統(tǒng)制定的空間環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范和主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

　　協(xié)助衛(wèi)星有效載荷分系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)的抗輻射評(píng)估與設(shè)計(jì)

　　“悟空”的火眼金睛包括中科院近代物理所研制的塑閃陣列探測(cè)器、中科院高能物理所研制的硅陣列探測(cè)器、中國(guó)科技大學(xué)研制的BGO量能器以及中科院紫金山天文臺(tái)研制的中子探測(cè)器，總重1410公斤，占衛(wèi)星總重量的76%。這樣一個(gè)龐大的探測(cè)器陣列群有4萬(wàn)余路的電子學(xué)讀出電路，需要大量使用性能卓越的電荷放大器專用電路VA140、VA160、VATA160，以及工業(yè)級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路AD7476實(shí)施粒子探測(cè)信號(hào)的采集與處理，是支撐“悟空”尋覓暗物質(zhì)跡象的關(guān)鍵器件?？臻g輻射粒子持續(xù)轟擊沉積的總劑量會(huì)導(dǎo)致這些器件工作電壓漂移、噪聲增大等，影響探測(cè)器服役中后期的工作性能；甚至?xí)l(fā)生一個(gè)輻射粒子擊中器件敏感位置導(dǎo)致其工作電流持續(xù)激增的“高燒”狀態(tài)—即航天界躲之不及的“單粒子鎖定效應(yīng)”。針對(duì)塑閃陣列探測(cè)器、硅陣列探測(cè)器和BGO量能器所使用的上述關(guān)鍵微電子器件在衛(wèi)星內(nèi)部的具體位置，利用自主開發(fā)的“航天器內(nèi)部輻射屏蔽及劑量分析”軟件，綜合考慮衛(wèi)星、探測(cè)器、電路盒、器件封裝等多層次結(jié)構(gòu)的屏蔽作用，仿真分析得到不同探測(cè)器所用關(guān)鍵器件遭受的具體輻射粒子通量和劑量，評(píng)估相關(guān)設(shè)計(jì)能夠確保探測(cè)器不因總劑量效應(yīng)影響任務(wù)使命。同時(shí)，根據(jù)地面試驗(yàn)確定關(guān)鍵器件單粒子鎖定敏感度數(shù)據(jù)，利用上述“空間環(huán)境效應(yīng)分析”軟件包計(jì)算預(yù)測(cè)了這些器件在“悟空”巡天期間可能發(fā)生的單粒子鎖定頻次，據(jù)此科學(xué)家評(píng)估了可能的偶爾局部“高燒”對(duì)探尋暗物質(zhì)的終極目標(biāo)的影響、并對(duì)癥下藥進(jìn)行調(diào)理確保探測(cè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

　　“航天器內(nèi)部輻射屏蔽及劑量分析軟件”及針對(duì)“悟空”的分析示意圖

　　為衛(wèi)星有效載荷抗單粒子鎖定設(shè)計(jì)進(jìn)行充分精細(xì)的脈沖激光試驗(yàn)

      綜前所述，為了鑄就“悟空”寬能量范圍和高能量分辨率巡查暗物質(zhì)相關(guān)粒子的本領(lǐng)，相關(guān)探測(cè)器必須采用先進(jìn)的VA140、VA160和VATA160專用電荷放大器ASIC電路、以及工業(yè)級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路AD7476；遺憾的是“魚和熊掌不可兼得”，這些器件應(yīng)用于空間均會(huì)發(fā)生單粒子鎖定引起的“高燒”癥狀，會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器局部中斷工作、損失部分?jǐn)?shù)據(jù)等故障。設(shè)計(jì)師需要充分了解這些器件單粒子鎖定“高燒”現(xiàn)象的特征、以及對(duì)探測(cè)器電路的連鎖影響，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和調(diào)試出合適的電路為探測(cè)器“退燒”，設(shè)計(jì)師需要針對(duì)單粒子鎖定開展充分、精細(xì)的試驗(yàn)測(cè)試。器件單粒子效應(yīng)是由空間極高能量的輻射粒子所致，傳統(tǒng)的地面試驗(yàn)需要依賴龐大的粒子加速器設(shè)施。國(guó)內(nèi)目前僅有兩臺(tái)此類加速器，通常一臺(tái)星用探測(cè)設(shè)備一年有可能獲得一到兩次共計(jì)數(shù)小時(shí)的試驗(yàn)機(jī)會(huì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)師的需求。為了緩解國(guó)內(nèi)加速器設(shè)施試驗(yàn)機(jī)會(huì)稀少的困難，效應(yīng)室歷經(jīng)15年在國(guó)內(nèi)自主開拓了脈沖微束激光試驗(yàn)單粒子效應(yīng)的手段與技術(shù)，具有試驗(yàn)機(jī)會(huì)充分、試驗(yàn)操作靈活、試驗(yàn)過程精細(xì)等特點(diǎn)，可快速摸底評(píng)估器件單粒子效應(yīng)特性及對(duì)電路影響規(guī)律、可充分檢驗(yàn)電路系統(tǒng)抗單粒子效應(yīng)的設(shè)計(jì)效果、可診斷定位自主研發(fā)器件的單粒子效應(yīng)薄弱部位，已為月球探測(cè)、載人航天、二代導(dǎo)航、核高基等重大空間科技專項(xiàng)任務(wù)提供了卓越的試驗(yàn)應(yīng)用。利用激光試驗(yàn)裝置對(duì)AD7476和VA140器件發(fā)生單粒子鎖定的具體特征及影響進(jìn)行了充分與精細(xì)試驗(yàn)。發(fā)揮激光試驗(yàn)裝置可在芯片精確位置、準(zhǔn)確輻射特定數(shù)目激光脈沖、靈活控制輻照激光、實(shí)驗(yàn)電路及檢測(cè)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，試驗(yàn)測(cè)試兩種器件發(fā)生單次鎖定、單次鎖定維持60秒、頻繁發(fā)生1000次鎖定等的現(xiàn)象及對(duì)器件功能與性能的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：（1）VA140器件發(fā)生單粒子鎖定的閾值約為（24±8）MeV·cm²/mg；（2）發(fā)生單次鎖定時(shí)，AD7476及VA140均無(wú)法正常工作，斷電及重新上電二者均可恢復(fù)正常；（3）單次鎖定維持60秒，AD7476功能暫時(shí)不正常，對(duì)VA140無(wú)明顯影響；（4）1000次頻繁的鎖定及重上電，對(duì)AD7476無(wú)影響，會(huì)導(dǎo)致VA140噪聲增加、但對(duì)功能無(wú)影響。

　　激光試驗(yàn)“悟空”探測(cè)器單粒子鎖定的現(xiàn)場(chǎng)布局（左、中）及“高燒”現(xiàn)象（右）

　　激光觸發(fā)AD7476單粒子鎖定前（左）后（右）器件工作性能的差異

　　利用激光試驗(yàn)裝置對(duì)改進(jìn)版的電荷放大器ASIC電路VA160和VATA160的單粒子鎖定特性和電路防護(hù)措施進(jìn)行了精細(xì)測(cè)試。試驗(yàn)測(cè)得兩款芯片的單粒子鎖定分別發(fā)生在電路的數(shù)字和模擬部分的特定位置，并且測(cè)得鎖定電流的具體特征，這些信息為該兩款芯片的后續(xù)加固優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要指導(dǎo)。針對(duì)VA160和VATA160芯片的敏感部位進(jìn)行定點(diǎn)激光輻照觸發(fā)單粒子鎖定，測(cè)試檢驗(yàn)了不同的限流電阻防護(hù)設(shè)計(jì)方案的效果。對(duì)VA160芯片，在其數(shù)字電路部分串接10歐姆電阻，即可將最大鎖定電流限制在100mA左右，方案可行。對(duì)VATA160芯片，僅在數(shù)字電路部分串接10 歐姆電阻，鎖定電流約1.8A，危害極大，此方案不可行；在數(shù)字和模擬電路部分均串接10歐姆電阻，可將最大鎖定電流限制在200mA以下，方案可行。限流電阻能夠較好地抑制單粒子鎖定電流，使器件免受“高燒”困擾，但器件依然處于“低燒”狀態(tài)，只有實(shí)施斷電-重上電才能使器件徹底退出“發(fā)燒”狀態(tài)恢復(fù)正常。設(shè)計(jì)師針對(duì)VA160器件在軌應(yīng)用可能“發(fā)燒”現(xiàn)象，設(shè)計(jì)自主診斷和恢復(fù)電路，激光輻照試驗(yàn)證實(shí)其效果不錯(cuò)。

　　激光試驗(yàn)確定的VA160（左）和VATA160（右）芯片的單粒子鎖定敏感部位

　　激光試驗(yàn)檢驗(yàn)自主診斷-恢復(fù)電路針對(duì)VA160器件連續(xù)3次單粒子鎖定的防護(hù)效果

　　抗輻射保證助力空間科學(xué)衛(wèi)星任重道遠(yuǎn)

　　“悟空”的發(fā)射成功標(biāo)志著我國(guó)空間科學(xué)事業(yè)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展階段，空間科學(xué)衛(wèi)星的抗輻射保證工作任重道遠(yuǎn)?？茖W(xué)衛(wèi)星為了探索宇宙空間的奧秘，“明知山有虎，偏向虎山行”，要穿行于極端嚴(yán)酷的地球輻射帶核心區(qū)域，要奔向輻射粒子強(qiáng)于地球空間十倍、百倍的木星，要近距離造訪太陽(yáng)這一炙熱火球……，需要協(xié)助我們的衛(wèi)星勇士“抗御”系列險(xiǎn)惡環(huán)境。同樣地，科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星需要不斷攀登空間科學(xué)高峰，需要敢為人先采用最前沿的微電子及光電子器件設(shè)計(jì)一流的科學(xué)探測(cè)儀器，在空間輻射面前這些前沿器件總是那么脆弱，需要精心的抗輻射保證呵護(hù)。還有，科學(xué)衛(wèi)星的預(yù)算總是相對(duì)較少的，難以一擲千金地大量使用昂貴的抗輻射加固器件，花小錢辦大事也是空間科學(xué)衛(wèi)星的創(chuàng)新要求，自然也要求花小錢保證科學(xué)衛(wèi)星的抗輻射安全。

　　空間科學(xué)衛(wèi)星的創(chuàng)新發(fā)展，激勵(lì)著抗輻射保證技術(shù)的開拓進(jìn)取，抗輻射保證必將助力科學(xué)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)空間探測(cè)的“中國(guó)夢(mèng)”！

　　（供稿：效應(yīng)室）