空间环境中的高能粒子辐射效应
太空自然环境影响航天活动
【博览】I太空探索太空自然环境影响航天活动文/宁艳王文梅2020年，世界航天的深空探测步 伐没有因为新冠肺炎疫情的影响而停滞 不前。
尤其是针对火星的探测，中国、美国、阿联酋纷纷发力。
与此同时，对 飞行器所处太空环境的关注也与日俱增。
太空环境也称为空间环境，是指 影响人类活动的、距地面几十公里高度 以上直至太阳的广阔空间内的环境，涵 盖的区域包括高层大气、电离层、磁层、行星际空间以及太阳活动区。
经长期研 究发现，对各类航天活动产生影响的主 要有以下几种太空自然环境。
真空环境飞行器处于太空高真空环境中，会受到压力差效应、真空放电效应、真 空出气效应、分子污染效应、紫外辐照 效应及黏着和冷焊效应等的影响。
其中 需要重点考虑的是紫外辐照及分子污染 效应的影响。
由太阳发出的紫外线有21%能不 受阻碍地穿过地球大气层到达地球表面，31%被反射回太空，29%通过散射到达地球，19%作为热量被大气吸收，而在轨飞行器表面会完全暴露在太阳紫外线中。
紫外线中的单个光子具有的能量，足以使许多物质的有机化学键断裂，对飞行器产生各种影响，具体包括：使光学玻璃、太阳能电池盖片等改变颜色，影响光谱的透过率；会改变热控涂层的光学性质，使表面逐渐变暗，对太阳辐照的吸收率显著提高，影响飞行器的温度控制；波长小于300纳米的紫外线照射到飞行器金属表面，由于光电效应而产生许多自由电子，使金属表面带电，飞行器的表面电位升高，将干扰飞行器的电磁系统。
飞行器在高真空环境中，当真空度高于10_2P a时，气体会不断从材料表面释放出来。
例如原先在材料表面吸附的气体，在真空状态下从表面脱附；原先溶解于材料内的气体，在真空环境中从材料内向真空边界扩散，最后在界面上释&脱离材料；渗透气体通过固体材料释放出来。
这些从飞行器材料中脱离的物质沉f只在飞行器其他部位造成飞行器表面污染。
严重的分会降低观察窗和光学镜头的透明度，改变热控涂层的性能，减少太阳能电池的光吸收率，器元件的接触&中性粒子环境中性粒子环境的影响主要是中性大气环境的阻力效应及原子氧对飞行器产生腐蚀作用。
空间环境及其效应
五、空间原子氧环境与其效应
• 原子氧是低地球轨道大气的重要成分，美 国航天飞机的发射，使人们逐步认识到原 子氧环境的严重效应。特别对永久性空间 站，是必须考虑的一项重要环境。 • 在200-700km高度范围，大气的主要成分 是原了氧。原了氧对有机物与碳照会产生 质量损失，对银涂层产生氧化反应。
六、空间微流星环境与其效应
• （三）辐射传热效应 在真空环境下，航天器与外界的传热主要 通过辐射形式，它表面的辐射特性对航天器 的温度控制起着重大作用。航天器中静态接 触的部件，由于表面存在微小不均匀性和它 们之间的真空空隙，使接触热阻增大。
• （四）真空出气效应 在高于10-2Pa的真空度下，气体会不断地从材料 表面释放出来。 卫星材料在真空下消气，使高温处吸附的气体 转移到低温处，造成低温表面污染，改变表面的性 能。严重的污染，会降低观察窗和光学镜头的透明 度、改变温控涂层的性能、减少太阳能电池的光吸 收率以及增加电气元件的接触电阻等。
• (二)真空放电效应 ’ 当真空达到10-2Pa或更高时，在真空中分开一 定距离的两个金属表面，在受到具有一定能量的 电子碰撞时，会从金属表面激发出更多的次级电 子。它们还可能与两个面发生来回多次碰撞，使 这种放电成为稳定态，这种现象称为放电。它会 使金属受到侵蚀，引起温度升高，使附近压力升 高，甚至会造成严重的电晕放电。射频空腔、波 导管等装置，有可能由于微放电面使其性能下降， 甚至产生永久性失效。
四、空间冷黑环境与其效应
• 不考虑太阳与行星的辐肘．宇宙空间的能量密度 约为10-5w／cm2，相当于温度为4K的黑体发出的 热量。在太空，卫星体的热辐射全被太空所吸 收．没有二次反射，这—环境称为冷黑环境，又 称热沉。 • 卫星上可伸缩性的活动机构，如太阳帆板、天线 等，由于冷黑环境效应，会使展开机构卡死，影 响其伸展性能。 • 卫星上某些有机材料在冷黑环境下会产生老化和 变脆，影响材料的性能。
航天器空间环境试验规程
航天器空间环境试验规程航天器的空间环境试验至关重要，它是确保航天器能够在太空中正常运行的关键步骤。
本文将阐述航天器空间环境试验的规程，包括光照试验、真空试验、温度试验和辐射试验。
同时，还将介绍试验的目的和方法，以及注意事项和需求，以确保试验结果的准确性和可靠性。
一、光照试验光照试验是模拟太阳光对航天器的影响，测试航天器在不同光照条件下的表面温度变化和热耦合效应。
试验中需要注意以下几点：1. 使用光源和反射镜创建接近太阳辐射的光照环境，采用遥感技术测量航天器表面温度变化。
2. 控制试验室空气温度、湿度和辐射源的距离，以保持试验的准确性。
3. 进行长时间试验以模拟航天器进入地球轨道后的真实光照条件。
二、真空试验真空试验是模拟太空真空环境，检测航天器在真空中的工作状态和材料性能。
试验中需要注意以下几点：1. 使用真空室将航天器置于真空环境中，控制试验室的压力和温度。
2. 监测航天器的温度、压力和电子元器件的性能，以确保其正常工作。
3. 模拟长时间的真空环境，测试航天器的耐久性和可靠性。
三、温度试验温度试验是模拟宇宙中极端温度条件下航天器的工作环境，验证其在不同温度下的性能和稳定性。
试验中需要注意以下几点：1. 使用恒温箱或温度梯度箱模拟不同温度条件，将航天器置于试验箱中。
2. 测试航天器在低温和高温环境下的材料性能和机械性能，如承受能力、绝缘性能等。
3. 温度变化速率要符合航天器进入和离开地球轨道的实际情况。
四、辐射试验辐射试验是模拟太空辐射环境，检测航天器在辐射条件下的电子元器件的性能和材料的稳定性。
试验中需要注意以下几点：1. 使用高能粒子射线源或电子束辐射源照射航天器，监测航天器的辐射剂量和辐射效应。
2. 测试航天器对辐射的耐受能力和材料的辐射损伤程度，如电子元器件的可靠性、存储器的抗辐射性等。
3. 根据航天器的实际发射计划，进行适度时间和剂量的辐射试验，以验证航天器在太空环境中的可靠性和耐久性。
空间高能带电粒子辐射效应监测仪偏压电源的无变压器设计
空 间 高 能 带 电粒 子 辐 射 效 应 监 测 仪 偏 压 电 源 的 无 变 压 器 设 计
于 向前 ， 陈鸿飞 ， 邹鸿 ， 施伟 红 ， 邹积清 ， 仲维英 ， 刘建文 ， 崔战 国 ， 邵 思霈
（１ ． 北京大学地球与空 间科学学 院空 间物理与应用技术研究所 ， 北京 １ ０ ０ ８ ７ １ ；
２ ． 中 国航 天科 技 集 团 ５ １ ３所 ， 烟台 ２ ６ ４ ０ ０ ３ ）
摘要 ： 采用稳 压芯 片 Ａ Ｄ ５ ８ ４ 、 振荡 电路和倍压整流 电路 ， 设 计一套无变 压器式 Ｄ Ｃ—Ｄ Ｃ变换 电路 。
将单组 ＋１ ２ Ｖ电源转换 为 Ｓ ｉ —Ｐ Ｉ Ｎ探测器所需的 一 ２ ４ Ｖ偏压 电源 。该 电源具有 体积小 、 功耗低 、 纹波小
稳 压芯 片选 用 Ａ Ｄ ５ ８ ４， 它是美 国 Ａ Ｄ 公 司
推 出的一种 ８引脚 可编 程精 密 电压基 准源 。该
器件 可编 程输 出 ４种 不 同的基 准 电压 ， 其 精 度
高、 温 漂低 。其 输 入 电压 可 在 ４ ． ５～ ３ ０ Ｖ 的宽 电压范 围 内变 化 。 Ａ Ｄ ５ ８ ４的具体 特点 如下 ＿ ２ Ｊ 。 （ １ ）有 ４ 个 可 编 程 输 出 电 压 ： １ ０ ． ０ ０ ０， ７ ． ５ ０ ０ ， ５ ． ０ ０ ０ ， ２ ． ５ ０ ０ Ｖ； （ ２）采 用 激 光 修 整 技 术， 提 高 了输 出 电压 精 度 ； （ ３ ）可 调 整 温 度 系 数： ０ ～７ ０ Ｃ ｃ 时 ，最 大 温 度 系 数 ５ ｐ ｐ ｍ ／ ￣ Ｃ
第３ ３卷
２ ０ １ ３年
第 ９期
９月
核 电子学 与探测 技术
近地空间环境的粒子辐射效应研究
近地空间环境的粒子辐射效应研究1. 引言近地空间环境是指地球大气层外的区域，其中存在着各种粒子辐射源。
这些粒子辐射对人类和人造卫星等天体系统的安全性、可靠性和性能产生重要影响。
了解近地空间环境中粒子辐射的特性，研究其辐射效应，对于探索宇宙、保障航空航天活动和开展相关科研具有重要意义。
2. 近地空间粒子辐射的来源近地空间粒子辐射的主要来源包括太阳风、宇宙射线和地球辐射带等。
太阳风是由太阳大气的高温高速等离子体流所形成，其中携带着带电粒子流。
宇宙射线是宇宙中各种高能粒子，如高能质子、α粒子和重离子等，通过宇宙空间向地球射来。
地球辐射带主要由地球磁场与太阳风之间粒子相互作用而形成。
3. 近地空间粒子辐射的特性近地空间粒子辐射的特性受到多种因素的影响，如太阳活动、地球磁场和地球大气等。
太阳活动的周期性变化导致近地空间粒子辐射强度的波动。
地球磁场的存在影响着粒子的轨迹和能量分布。
地球大气中的分子和原子会发生电离，产生次级粒子，进一步增加了近地空间粒子辐射的复杂性。
4. 近地空间粒子辐射对人体的影响近地空间粒子辐射对人体健康产生潜在风险。
在太空飞行中，航天员长时间暴露于高能带电粒子辐射中，可能引发放射性疾病、神经系统功能障碍等健康问题。
对于地面人员，如飞行员、宇航员和空乘人员等，长时间在高空层飞行也存在类似的健康风险。
5. 近地空间粒子辐射对卫星系统的影响卫星是人类开展太空探索和通信的重要载体，近地空间粒子辐射对其正常运行和性能产生重要影响。
卫星内部的电子元器件和材料受到粒子辐射的电离效应、能量沉积和损伤效应。
这些效应可能导致卫星系统的电子元器件性能衰退、位错堆垛等问题，从而影响卫星的通信、导航、测绘等功能。
6. 近地空间粒子辐射效应的研究方法与技术近地空间粒子辐射效应的研究需要借助测量技术、模拟方法和数据分析等手段。
通过在太空中放置测量仪器，可以实时获取粒子辐射的强度、能谱和剂量等信息。
同时，可以利用人工环境模拟装置对粒子辐射进行实验室仿真，研究其对材料和电子元器件的影响。
高能粒子辐射对航天器电子设备的影响研究
高能粒子辐射对航天器电子设备的影响研究高能粒子辐射是指在宇宙空间中存在的高速粒子，它们具有极强的穿透力和破坏力，对航天器电子设备的影响是不可忽视的。
在航天器长时间的太空飞行中，高能粒子辐射会对电子设备造成不可逆的损坏，严重影响航天器的正常运行和任务完成。
因此，对高能粒子辐射对航天器电子设备的影响进行研究是非常必要的。
高能粒子辐射主要有太阳风、宇宙射线和地球辐射带等。
其中，太阳风是由太阳释放出来的带电粒子流，它们在宇宙空间中以极高的速度运动，对航天器电子设备的影响非常大。
宇宙射线是来自于宇宙深处的高能粒子，它们穿过地球大气层后会对航天器电子设备造成影响。
地球辐射带则是指地球周围的两个辐射带，其中包括了大量的高能粒子，对航天器电子设备的影响也非常大。
高能粒子辐射对航天器电子设备的影响主要表现在以下几个方面：1. 电离效应高能粒子辐射会使得空气分子或其他物质分子发生电离，产生自由电子和正离子。
这些自由电子和正离子会在航天器电子设备中产生电荷积累效应，导致电路故障或失灵。
此外，电离效应还会导致单粒子翻转效应和单粒子敏感效应，对航天器电子设备产生不可逆的损坏。
2. 能量沉积效应高能粒子辐射会使得粒子在物质中产生大量的次级粒子和电磁辐射，这些次级粒子和辐射会沉积在航天器电子设备中，导致能量沉积效应。
能量沉积效应会使得航天器电子设备中的晶体管、集成电路等元件受到损坏或失效。
3. 磁场效应高能粒子辐射会产生强磁场效应，这种效应会对航天器电子设备中的磁性元件产生影响。
磁场效应会导致磁性元件翻转或失效，对航天器电子设备产生不可逆的损坏。
为了降低高能粒子辐射对航天器电子设备的影响，科学家们采取了一系列措施：1. 选择合适的材料在设计航天器电子设备时，科学家们会选择一些特殊材料来提高其抗辐射能力。
这些材料主要包括硅、镁铝氧陶瓷、氧化铝、聚酰亚胺等。
2. 设计防护层科学家们还会在航天器电子设备周围设置防护层，来减少高能粒子辐射对其造成的影响。
模拟空间环境条件下的电子束引起的单粒子效应实验研究
模拟空间环境条件下的电子束引起的单粒子效应实验研究空间环境中的电子束引起的单粒子效应实验研究引言：近年来，随着空间技术的不断发展，人类在航天领域取得了许多重要的成果。
然而，空间中存在着各种高能粒子和辐射环境，这些因素对航天器的正常工作和飞行安全造成了很大影响。
其中，电子束引起的单粒子效应是空间工程中的一个重要问题。
针对这一问题，科学家们进行了大量的实验研究，以期能够提供有效的保护策略和解决方案。
一、电子束引起的单粒子效应概述在空间环境中，包括太阳辐射带电粒子、宇宙射线、地球辐射带电粒子等不同类型的辐射大量存在。
当航天器飞行在这些辐射环境中时，会受到电子束的辐射影响。
电子束是一种高能电子流，在物质中的能量沉积会引起电离、能损、能量转移等效应，对航天器内部的电子学元器件和敏感设备造成二次电子释放、能量损耗等问题。
二、单粒子效应的实验研究方法为了深入研究电子束引起的单粒子效应，科学家们进行了大量的实验研究，主要有以下几种方法：1. 加速器实验：利用加速器产生高能电子，模拟空间环境中的电子束辐射，对材料和器件进行加速器辐照实验，研究电子束引起的单粒子效应。
2. 单粒子试验：a) 单电子试验：利用电子枪发射高能电子，研究电子束在材料表面和器件中的相互作用，观察其引起的电离电流、次级电子释放等效应。
b) 单电子束注入试验：通过控制电子束注入的速率和能量，研究电子束引起的粒子效应对器件的损伤程度。
c) 单粒子闪烁计数试验：采用闪烁计数器、光电倍增管等装置，对电子束注入试验过程中的闪烁光进行计数和分析，以推断电子束的能量、径迹等参数。
三、实验研究结果及讨论通过加速器实验和单粒子试验，科学家们得到了一些重要的实验结果。
首先，在不同能量和注入速率条件下，电子束引起的单粒子效应对器件材料的损伤程度存在明显差异，高能电子束的损伤明显更为严重。
其次，电子束对材料和器件的作用方式主要表现为电子轰击和电荷收集，这些作用会引起器件的性能退化、电离电流增大、能量转移等效应。
电离总剂量效应
电离总剂量效应电离总剂量效应一、概述电离总剂量效应（Total Ionizing Dose Effect，TID）是指在卫星、航天器等空间环境中，由于高能粒子的辐射作用而引起的电子器件性能降低或失效的现象。
随着半导体工艺的不断发展，器件尺寸越来越小，电离总剂量效应对芯片性能的影响也越来越大。
二、原理当高能粒子穿过芯片时，会与芯片中的原子发生碰撞，产生大量自由载流子。
这些自由载流子可能会导致芯片中出现漏电流和偏移电压等问题。
此外，在高剂量辐照下，还可能产生缺陷能级和氧化物缺陷等问题。
三、影响因素1. 辐照剂量：辐射剂量越大，对器件性能的影响也就越严重。
2. 辐射类型：不同类型的辐射对器件性能的影响也不同。
3. 温度：温度对TID效应有很大影响。
一般来说，在高温环境下TID效应更加明显。
4. 设计技术：采用不同的设计技术，对TID效应的抵抗能力也不同。
四、影响表现1. 漏电流增加2. 偏移电压增加3. 速度变慢4. 临界电压下降5. 噪声增加五、防护措施1. 设计技术：采用硅上层金属化（Silicon on Insulator，SOI）等技术可以减轻TID效应的影响。
2. 材料选择：选择较高质量的材料可以提高器件的辐射抵抗能力。
3. 封装方式：采用金属封装可以减轻器件受到的辐射剂量。
4. 屏蔽措施：在卫星、航天器中设置屏蔽材料可以减少高能粒子对器件的影响。
六、总结TID效应是半导体芯片在空间环境中面临的一个重要问题。
了解其原理和影响因素，以及采取相应的防护措施，可以有效地提高器件在空间环境中的可靠性和稳定性。
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空间环境中的高能粒子辐射效应在宇航员进行太空探索的过程中，他们面临着里德伯格辐射带
中高能粒子所带来的辐射效应。
高能粒子的辐射效应在太空探索
中是无法避免的。
虽然宇航员穿戴的防护服可以大大减轻辐射的
影响，但是高能粒子辐射在宇航员身体内残留时间较长，对身体
可能带来严重的损伤。
因此，研究空间环境中高能粒子辐射效应
对深空探索具有重要的意义。
高能粒子起源和特性
太阳辐射是太空环境中最重要的辐射源。
太阳能粒子有α射线、β射线以及高能质子。
同时，宇宙辐射也是一种常见的粒子来源。
宇宙辐射是从星际物质中产生的高能粒子，在空间环境中受到太
阳暴和太阳风等粒子的影响，其能量及数量时时变化。
地球的磁
场和大气也是保护人类不被辐射危害的天然屏障。
但在离开地球
大气层后，宇航员便置身于高能粒子的攻击之下。
高能粒子对人体的影响
高能粒子辐射在入体后会与人体的细胞和组织发生相互作用，
导致DNA链损伤，细胞生物代谢异常和细胞吞噬现象等反应。
这
将引起一系列生理问题，包括免疫系统抵抗力降低、DNA损伤、
癌变、不良心血管功能和生殖功能损害。
此外，高能粒子还会影
响神经系统，导致宇航员产生心理问题，包括焦虑、抑郁和认知
障碍等。
防护措施的研究进展
目前，对于高能粒子的防护主要有以下几种措施：
1. 密闭舱室：宇航员在太空升空器内的个人工作站、居住区和
运输舱内设置了一个密闭的舱室。
舱壁内部填充防辐射材料，如
石墨、聚乙烯、氙气和氮气混合物等。
这么做的目的是减少宇航
员暴露在高能粒子的影响下。
2. 食品保护：高能粒子的能量高，可以使食品中的分子和蛋白
质破坏或退化，造成污染或毒性。
因此，宇航员在太空中的食品
必须通过特殊的消毒和密封措施来保护，以减少食品中的污染物。
3. 防护服：防护服可以保护宇航员免受太空环境中的大部分高能粒子辐射。
防护服的材料和结构都是为了减少高能粒子的能量和数量。
现在的防护服是由多层高分子材料和金属层组成的，其中防护效果最好的是口袋式的多层薄膜。
4. 医学研究：通过对高能粒子辐射的分析和研究，可以帮助医生更好地理解宇航员在太空中的辐射损害，并提供更有效的治疗方案。
此外，通过对高能粒子辐射对人体影响的研究，有助于提高医学治疗技术和设备，从而更好地应对地球上的与辐射有关的健康问题。
结语
高能粒子辐射的确是外太空探险要面临的重要问题。
虽然科学家和研究人员一直在研究和开发新的防护措施，但是减少辐射对宇航员身体的影响仍然是一个艰巨的任务。
只有通过不断地探索和研究，才能更好地保护宇航员的健康和生命安全，使我们更好地实现远航深空。