陈伟：宇航器件空间辐射效应研究面临的新问题
陈伟，研究员, 博士生导师, 西北核技术研究所总工程师兼科学技术委员会主任, 中国核学会辐射物理分会常务副理事长兼秘书长, 我国抗辐射加固技术领域学术技术带头人之一。主要从事抗辐射加固技术研究, 主持和参与多项国家重大科研项目攻关, 获部委级科技进步一等奖4项, 二等奖2项, 三等奖5项。
封面图片展示了宇宙射线入射到航天器中, 导致元器件辐射损伤, 引发航天器故障的情景。
空间辐射物理及应用是研究空间辐射环境生成与模拟、辐射测量、辐射效应与抗辐射加固等的科学, 属于核科学、宇航电子学、材料等科学的交叉学科, 是电子器件和系统抗辐射加固的基础, 是航天器在轨长期可靠运行的关键技术, 是核大国和航天大国研究的重点和热点。
航天器工作在与地面完全不同的环境中, 空间辐射对航天器的影响是必需考虑的问题。空间辐射损伤已经成为航天器故障的主要原因, 约占在轨故障的45%。尤其是当前, 新材料、新工艺、新器件不断发展, 越来越多的先进微电子器件应用在空间辐射环境中, 在宇宙线、地磁场俘获粒子等的作用下, 将经受空间辐射损伤的严峻考验, 使航天器系统在空间辐射环境中长期生存并可靠的工作, 仍然是一项极富挑战性的工作。
美国、俄罗斯等航天大国一直致力于空间辐射物理研究, 抗辐射加固对策贯穿整个航天任务始终, 建立了完善的辐射环境模拟、辐射效应、抗辐射加固研究技术体系。在卫星上搭载多类辐射探测器, 研发各种辐射环境软件, 深入研究效应机理, 具有完善的模拟试验和评估规范标准以及基础设施, 不断发展与新技术相适应的实用化加固技术, 通过在轨飞行试验验证加固技术有效性。
2015年, 《美国创新的新战略》指出空间探索是其重要方向; 美国总统国情咨文强调投资太空至关重要, 太空探索的长期目标是留在太空, 而不仅仅是到访。美国支持了多项系统和人员抗辐射研究项目, 国防威胁降低局资助了“超深亚微米CMOS器件的辐射效应和抗辐射加固”与“纳米级器件的辐射效应和抗辐射加固”研究计划、美国航空航天局电子器件和封装项目(NEPP)“极端条件下的抗辐射电子学”、空军科学研究办公室资助的“大学多学科前沿计划”(MURI)等项目。欧盟、俄罗斯、印度等国家也都在大力发展空间技术, 十分重视空间辐射物理研究。
我国空间辐射物理及应用研究涉及了器件和系统研制、试验、效应机理研究等生产、教学、科研、使用单位, 以西北核技术研究所、中国科学院、中国航天科技集团、中国电子科技集团、中国工程物理研究院、多所高校为代表的科研院所经过几十年的研究, 取得了大量的创新成果, 为我国航天器在轨可靠运行提供了重要的技术支撑。
未来航天器类型和数量不断增加, 轨道复杂、功能多样, 要求高性能、长寿命、高可靠、小型化、轻量化、低功耗、低成本。未来器件发展要求高速度、高密度、高可靠、低功耗、低成本。这些需求和技术变革出现了很多新的辐射效应现象, 试验技术更加复杂, 原有加固技术的适用性面临严峻挑战, 给空间辐射物理及应用研究带来了新的挑战。
第547次香山科学会议“空间辐射物理及应用”, 其主要目的是针对当前航天和抗辐射加固微电子技术发展的需求, 集中国内相关专家学者, 围绕空间辐射环境建模、地面模拟装置研制、辐射测量、辐射效应物理机理、数值模拟与仿真、试验与评估、加固技术等方面, 深入研讨分析国内外现状与发展趋势, 梳理亟需解决的关键基础问题, 形成共识, 提出我国空间辐射物理及应用研究发展建议。与会专家一致认为空间辐射物理及应用研究必须自主创新, 加强空间辐射环境动态模型研究、数据不确定度分析, 地面模拟环境生成技术研究; 辐射效应物理机理和模型建立, 材料、器件、系统多层次加固新方法研究, 辐射效应敏感参数表征及试验、数值模拟方法、自主知识产权的发展软件研发, 抗辐射加固量化设计技术、小子样多因素复杂系统评估方法, 试验和评估标准规范体系建立等, 为我国未来航天器在轨长期可靠运行和核心加固器件的自主可控发展奠定理论和技术基础。
《科学通报》2017年第10期专题报道了第547次香山科学会议报告中的部分成果, 主要围绕辐射环境模拟、辐射测量、辐射效应机理、抗辐射加固以及试验和评估等方面, 讨论了空间辐射物理及应用研究领域的研究现状、新的发展趋势和存在的问题, 希望能够为我国空间辐射效应和抗辐射加固技术研究的发展提供参考。
编者按
◢ 宇航器件空间辐射效应研究面临的新问题
陈伟
观点/应用物理
◢ 空间X/γ射线探测中的关键问题
王焕玉
评述/原子核物理
◢ 空间辐射物理及应用研究现状与挑战
陈伟, 杨海亮, 郭晓强, 姚志斌, 丁李利, 王祖军, 王晨辉,王忠明, 丛培天
评述/应用物理
◢ 空间介质充放电研究现状及展望
李盛涛, 李国倡
◢ SOI材料和器件抗辐射加固技术
张正选, 邹世昌