一种月球辐射环境模拟装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种月球辐射环境模拟装置及试验方法，属于探月工程技术领域，该装置包括离子束流发射系统、束流控制系统、束流品质测量系统、束流监督系统、温度控制系统、样品板运动控制系统、束流管道和真空辐照靶室，待辐照器件放置在温度控制系统的温度试验箱内，温度试验箱底部固定在多自由度样品平台上，它们整体处在真空辐照靶室中，离子束流发射系统发射的离子束流进入束流管道中传输，经束流控制系统的参数调节后辐照到器件上；试验过程中通过束流品质测量系统保证束流品质，通过束流监督系统监测离子注量，保证辐照到器件上的离子注量达到相应的规定值。本发明专利技术提供的装置及方法能够同时模拟月球表面的辐射环境和极端温度环境。环境。环境。

【技术实现步骤摘要】
一种月球辐射环境模拟装置及试验方法


[0001]本专利技术属于探月工程
，具体为一种月球辐射环境模拟装置及试验方法。

技术介绍

[0002]“中国探月工程”作为我国空间战略的重要组成部分，它是利用航天器对月球进行全方位观测，包括获取月球三维立体数据、月球元素含量及其分布特征、月壤理化性质与特征和其他月球空间环境任务。中国探月工程前三期已完美收官并取得了预期成果，先后依次实现了绕月探测、月面软着陆与自动巡视勘察、无人月壤采样并成功返回地面。当前，中国探月四期工程已全面展开，面向航天发展前沿和国家重大战略需求，开展相关的技术攻关，未来将建立国际月球科研站。为了增强探月工程中相关装置设备在月面运行的可靠性，延长相关设备的使用寿命，必须在地面建立相关的实验装置，在比拟月球的空间辐射环境下开展相关科学研究、进行电子系统等设备功能考核等工作。
[0003]由于月球的磁场几乎消失、引力较小，同时月球也没有自己的大气层，所以月球表面的辐射环境与星际空间中的辐射环境几乎一致。根据嫦娥四号的探测数据，月球表面的辐射环境高达每小时60μSv，为国际空间站辐射强度的2倍，是长途飞行过程中受到的辐射量的5到10倍，同时也接近地面辐射水平的200倍。月球表面的辐射主要来自银河宇宙射线(Galactic cosmic rays，GCR)和太阳宇宙射线(Solar cosmic ray，SCR)。银河宇宙射线主要由高能质子、
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粒子和少量的重离子组成，其中，高能质子的占比大约为85％，
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粒子的占比约为14％，重离子占比约为1％。太阳宇宙射线是太阳活动释放的高能带电粒子流，其主要成分是质子，故太阳宇宙射线也常常被称为太阳质子射线。因此，在进行月球探测等相关活动时必须考虑来自银河宇宙射线和太阳宇宙射线辐照所带来空间辐射的影响。
[0004]月球探测器中的电子元器件及系统在执行相关任务时不可避免地将受到银河宇宙射线和太阳宇宙射线辐照的影响。电子元器件在月面遭受高能粒子辐射时，通常会发生两类辐射效应，一类是由于电离作用使器件发生单粒子效应和总剂量效应，另一类是高能粒子迫使器件中的半导体材料发生位移损伤效应进而使器件电参数发生改变。因此，高能粒子辐照会使电子元器件发生功能故障，进而导致相关任务的失败。综上所述，为了提高半导体器件在执行月球相关任务过程的可靠性，延长探测器等相关设备的使用寿命，就必须利用地面建立的月球辐射环境模拟装置对相关半导体器件进行考核。
[0005]另外，由于月球没有大气的调节，月球表面上的昼夜温度之间的差异十分巨大，月面昼夜温差高达200℃。月球夜间平均温度低于零下150℃，而月昼平均温度则高于120℃，月球极地区域的环境温度最低可达零下230℃。由于半导体材料中的载流子迁移行为与其所处的温度环境紧密相关，因此月球上的极端温度已远远超过商用芯片工作温度范围(
‑
40℃—85℃)和军用芯片工作温度范围(
‑
55℃—125℃)，故月球探测器在月面执行相关任务时需要依靠同位素热源等制作的保温装置。为了保障电子器件能够在月球环境下正常工作，就必须开发出一种既具有优异抗辐射性能，同时也拥有突出的抵御极端温度能力的电子器件。
[0006]为了研究和考核这些专门为执行月球探测等极端空间环境中的探测任务而发展的电子元器件，就必须在地面建立相应的月球环境模拟装置以开展相关试验研究。该装置不仅可以模拟电子器件在月面所面临的辐射环境，同时也能够模拟月面的极端温度环境。当前主要利用重离子加速器来模拟月面的重离子辐照环境，利用质子加速器来模拟质子辐照环境，并依靠这些装置开展相关的电子元器件辐照试验。当前，电子元器件辐照试验几乎都是在室温环境下进行，很少考虑环境温度对辐照试验的影响，这与实际月球辐射环境不一致。

技术实现思路

[0007]为解决现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种月球辐射环境模拟装置及试验方法，使用装置和方法能够模拟月球真实情况的辐射环境，从而为探月工程等空间任务专用电子元器件的研发与考核实验提供一个专门的辐照试验环境，解决当前地面辐照模拟环境与实际月球辐射环境不一致的问题。
[0008]为达到以上目的，本专利技术采用的一种技术方案是：
[0009]一种月球辐射环境模拟装置，包括离子束流发射系统、束流控制系统、束流品质测量系统、束流监督系统、温度控制系统、样品板运动控制系统、束流管道、真空辐照靶室以及相关线缆，其中：
[0010]所述温度控制系统用于模拟月球表面的极端温度环境，包括温度试验箱，待辐照的电子元器件放置在所述温度试验箱内；
[0011]所述样品板运动控制系统用于控制待辐照的电子元器件的空间位置和状态，它包括多自由度样品平台，所述温度试验箱的底部固定在所述多自由度样品平台上；
[0012]所述真空辐照靶室用于提供满足实验要求的真空环境，所述温度试验箱和多自由度样品平台整体位于所述真空辐照靶室中；
[0013]所述离子束流发射系统通过所述束流管道与所述真空辐照靶室连接，用于向电子元器件发射与月球表面能谱一致的离子束流，所述离子束流进入所述束流管道中传输，经所述束流控制系统进行参数调节后辐照到所述温度试验箱内的电子元器件上；
[0014]所述束流品质测量系统包括安装在所述多自由度样品平台上的探测器阵列，用于测量诊断离子束流的品质，保证离子束流的品质满足试验要求；
[0015]所述束流监督系统包括多个分布在离子束流四周的粒子探测器，用于监测辐照到电子元器件上的累积离子注量，保证所述累积离子注量达到相应的规定值。
[0016]进一步，如上所述的月球辐射环境模拟装置，所述离子束流发射系统包括粒子加速器和粒子能量调节模块，发射的离子束流为单一离子束流或混合离子束流。
[0017]进一步，如上所述的月球辐射环境模拟装置，当所述离子束流发射系统发射的离子束流为单一离子束流时，一个时间段内仅有一种离子辐照到电子元器件表面，经所述粒子加速器加速到设定能量的离子束流通过所述粒子能量调节模块将不同离子的能谱调配成与其在月球表面的分布一致。
[0018]进一步，如上所述的月球辐射环境模拟装置，当所述离子束流发射系统发射的离子束流为混合离子束流时，所述离子束流发射系统包括多个所述粒子加速器、多个所述粒子能量调节模块和偏转磁铁，每个粒子加速器和每个粒子能量调节模块一一对应，经过不
同粒子加速器加速到设定能量的离子束在混合前通过相应的粒子能量调节模块将各自的能谱调节至与其在月球表面的分布一致，然后通过所述偏转磁铁将所述离子束汇聚到所述束流管道中，从而组成混合离子束流。
[0019]进一步，如上所述的月球辐射环境模拟装置，所述束流控制系统包括束流诊断靶室束流快门、荧光屏、导向器、扩束磁铁、扫描磁铁、光阑及其相应的控制器，控制离子束流的相关离子辐照参数包括离子束流的开关、束斑尺寸大小及束流均匀性。
[0020]进一步，如上所述的月球辐射环境模拟装置，所述束流品质测量系统本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种月球辐射环境模拟装置，其特征在于，所述装置包括离子束流发射系统(1)、束流控制系统(2)、束流品质测量系统(3)、束流监督系统(4)、温度控制系统(5)、样品板运动控制系统(6)、束流管道(7)、真空辐照靶室(8)以及相关线缆，其中：所述温度控制系统(5)用于模拟月球表面的极端温度环境，包括温度试验箱(51)，待辐照的电子元器件放置在所述温度试验箱(51)内；所述样品板运动控制系统(6)用于控制待辐照的电子元器件的空间位置和状态，它包括多自由度样品平台(61)，所述温度试验箱(51)的底部固定在所述多自由度样品平台(61)上；所述真空辐照靶室(8)用于提供满足实验要求的真空环境，所述温度试验箱(51)和多自由度样品平台(61)整体位于所述真空辐照靶室(8)中；所述离子束流发射系统(1)通过所述束流管道(7)与所述真空辐照靶室(8)连接，用于向电子元器件发射与月球表面能谱一致的离子束流，所述离子束流进入所述束流管道(7)中传输，经所述束流控制系统(2)进行参数调节后辐照到所述温度试验箱(51)内的电子元器件上；所述束流品质测量系统(3)包括安装在所述多自由度样品平台(61)上的探测器阵列(31)，用于测量诊断离子束流的品质，保证离子束流的品质满足试验要求；所述束流监督系统(4)包括多个分布在离子束流四周的粒子探测器(41)，用于监测辐照到电子元器件上的累积离子注量，保证所述累积离子注量达到相应的规定值。2.根据权利要求1所述的月球辐射环境模拟装置，其特征在于，所述离子束流发射系统(1)包括粒子加速器和粒子能量调节模块，发射的离子束流为单一离子束流或混合离子束流。3.根据权利要求2所述的月球辐射环境模拟装置，其特征在于，当所述离子束流发射系统(1)发射的离子束流为单一离子束流时，一个时间段内仅有一种离子辐照到电子元器件表面，经所述粒子加速器加速到设定能量的离子束流通过所述粒子能量调节模块将不同离子的能谱调配成与其在月球表面的分布一致。4.根据权利要求2所述的月球辐射环境模拟装置，其特征在于，当所述离子束流发射系统(1)发射的离子束流为混合离子束流时，所述离子束流发射系统(1)包括多个所述粒子加速器、多个所述粒子能量调节模块和偏转磁铁，每个粒子加速器和每个粒子能量调节模块一一对应，经过不同粒子加速器加速到设定能量的离子束在混合前通过相应的粒子能量调节模块将各自的能谱调节至与其在月球表面的分布一致，然后通过所述偏转磁铁将所述离子束汇聚到所述束流管道(7)中，从而组成混合离子束流。5.根据权利要求4所述的月球辐射环境模拟装置，其特征在于，所述束流控制系统(2)包括束流诊断靶室束流快门、荧光屏、导向器、扩束磁铁、扫描磁铁、光阑及其相应的控制器，控制离子束流的相关离子辐照参数包括离子束流的开关、束斑尺寸大小及束流均匀性。6.根据权利要求5所述的月球辐射环境模拟装置，其特征在于，所述束流品质测量系统(3)还包括电子学及相应的测量软件，所述探测器阵列(31)的平面排布形式为：靠近一端等间距布置三个不同高度的第一粒子探测器(311)，用于器件辐照时对所述束流监督系统(4)探测到的离子计数进行修正，保证辐照至器件表面的累积离子注量达到规定值；中间区域按3*3阵列均匀排布九个第二粒子探测器(312)，用于对束斑均匀性进行测量，保证器件辐
照时整个束斑面积内离子均匀分布；靠近另一端布置两个不同准直孔的第三粒子探测器(313)，用于对离子束流的能量进行测量，保证器件辐照时束流能量...

【专利技术属性】
技术研发人员：张峥，郭刚，陈启明，孙浩瀚，赵树勇，刘建成，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：