銣原子鐘低劑量率輻射效應(yīng)綜述

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1引言

原子鐘對(duì)電離和粒子輻射的敏感性是預(yù)報(bào)星載原子鐘短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定度的重要參數(shù)［3］。美國(guó)在上世紀(jì)80和90年代由于GPS星載銣原子鐘的研制驅(qū)動(dòng)，對(duì)星載銣原子鐘的抗輻射性能及其加固開展了系統(tǒng)的研究［1～3］，取得了一系列的成果，對(duì)我國(guó)星載原子鐘的開發(fā)有積極的借鑒作用。但由于設(shè)計(jì)、工藝、材料等諸多的不同，在我國(guó)星載原子鐘的開發(fā)中開展實(shí)施系統(tǒng)的抗輻射評(píng)估和加固研究十分必要。電離輻射的總劑量效應(yīng)是航天器空間輻射的理論和試驗(yàn)研究的重要內(nèi)容。文獻(xiàn)［5］對(duì)銣原子鐘物理部分的總劑量效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以此為依據(jù)對(duì)銣原子鐘采取了有效抗輻射加固設(shè)計(jì)措施。在空間輻射環(huán)境中，輻射總劑量的積累是一個(gè)比較緩慢的過(guò)程，典型的劑量率分布范圍為(10－4～10－2)rad(Si)/s，產(chǎn)品研制中通常使用的劑量范圍一般為(50～300)rad(Si)/s。研究表明，一些器件有低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)(EnhancedLowDoseRateSensi-tivity，ELDRS)［6］。星載銣原子鐘技術(shù)指標(biāo)精細(xì)，要求在軌工作10年以上，它在空間低劑量率的輻射環(huán)境中長(zhǎng)期運(yùn)行的輻射敏感度非常重要。銣原子鐘物理部分是銣原子鐘的原子鑒頻器，決定銣原子鐘的短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定度(1s以上)，其中使用了金屬銣、玻璃、鎳鐵合金等材料和一些雙極性晶體管、運(yùn)算放大器等器件，其核心部件銣泡是一個(gè)采用特殊真空工藝制造的器件。對(duì)這些材料、器件和工藝的低劑量率輻射效應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)是必要的。

2實(shí)驗(yàn)方案

銣原子鐘由物理部分和電路構(gòu)成［4］。物理部分由于其結(jié)構(gòu)和功能的特殊性，需要單獨(dú)對(duì)其輻射劑量率效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估。對(duì)電路而言，除VCXO外，其余部分可以依據(jù)通用空間電子產(chǎn)品的抗輻射評(píng)估與加固方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)。

2．1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

對(duì)銣原子鐘物理部分和銣泡(銣燈泡和吸收泡)分別進(jìn)行低劑量率輻射實(shí)驗(yàn)評(píng)估。

2．2銣原子鐘物理部分輻射實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

單獨(dú)將銣鐘物理部分置于輻射源的輻射下，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中銣鐘物理部分加電，加電所用穩(wěn)壓電源與物理部分之間用足夠長(zhǎng)的線纜連接，使供電電源與輻射源屏蔽。對(duì)物理部分進(jìn)行連續(xù)累積劑量輻射，輻射劑量量級(jí)分別為5krad(Si)、10krad(Si)、20krad(Si)和50krad時(shí)，將物理部分連接到測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)路電測(cè)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)前后48h內(nèi)完成測(cè)量頻率準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度、直流參數(shù)和鎖定信號(hào)幅度指標(biāo)，因測(cè)試而中斷的輻照時(shí)間應(yīng)不超過(guò)72h。

2．3銣泡輻射實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

初次輻射實(shí)驗(yàn)前將銣燈泡、集成泡裝入測(cè)試用物理部分，連接到測(cè)試系統(tǒng)對(duì)試件進(jìn)行環(huán)路測(cè)試，測(cè)量頻率準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度、直流參數(shù)和鎖定信號(hào)幅度指標(biāo)，在測(cè)試后72h內(nèi)進(jìn)行輻照試驗(yàn)。測(cè)試完成后，將受輻射銣燈泡、吸收泡從測(cè)試用物理部分取出，裝入實(shí)驗(yàn)用物理部分，與2．2中的樣機(jī)按同樣的方案輻射。所不同的是，測(cè)試時(shí)再將受輻射銣燈泡、吸收泡從實(shí)驗(yàn)用物理部分中取出裝入測(cè)試用物理部分。

2．4實(shí)驗(yàn)條件

采用Co60γ源，輻射劑量率0．01rad(Si)/s，總劑量50krad(Si)。測(cè)試環(huán)境溫度:25℃±1℃。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

3．1銣原子鐘物理部分低劑量率輻射實(shí)驗(yàn)

銣信號(hào)測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1，短期穩(wěn)定度數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2，輻射劑量達(dá)50krad后的頻率測(cè)試曲線見(jiàn)圖3。從圖1可知，物理部分在低劑量率輻照試驗(yàn)總劑量5krad(Si)時(shí)不加微波功率控制的銣信號(hào)幅度明顯增大。隨著退火過(guò)程，此信號(hào)幅度又恢復(fù)到原值。圖2是短期穩(wěn)定度數(shù)據(jù)曲線，從圖中可以看出，輻射總劑量效應(yīng)對(duì)銣原子鐘的短期穩(wěn)定度影響不大，指標(biāo)無(wú)明顯變化。圖3是低劑量率輻照試驗(yàn)累計(jì)總劑量達(dá)50krad(si)后退火過(guò)程的測(cè)試曲線，從圖中可以看出，測(cè)試過(guò)程在100000s時(shí)有一個(gè)明顯拐點(diǎn)。說(shuō)明退火過(guò)程影響銣原子鐘的長(zhǎng)期穩(wěn)定度。其它指標(biāo)均在試驗(yàn)過(guò)程及退火過(guò)程前后變化不明顯。

3．2銣泡低劑量率輻射實(shí)驗(yàn)

銣信號(hào)測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4，銣泡短期穩(wěn)定度數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5，輻射計(jì)量達(dá)50krad后的頻率測(cè)試曲線見(jiàn)圖6。從圖4可知，與物理部分整機(jī)不同的是，銣泡在低劑量率輻照試驗(yàn)時(shí)不加微波功率控制的銣信號(hào)幅度無(wú)明顯變化，說(shuō)明銣燈泡和吸收泡對(duì)輻射總劑量不敏感。圖5是短期穩(wěn)定度數(shù)據(jù)曲線，從圖中可以看出，輻射總劑量效應(yīng)對(duì)銣原子鐘的短期穩(wěn)定度影響小于1．5×10－12，指標(biāo)無(wú)明顯惡化。圖6是低劑量率輻照試驗(yàn)累計(jì)總劑量達(dá)50krad(si)后退火過(guò)程的測(cè)試曲線，與圖3不同，頻率曲線無(wú)異常變化。

4結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)銣原子鐘物理部分和銣泡的低劑量率輻射效應(yīng)分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)估。實(shí)驗(yàn)表明:銣原子鐘物理部分無(wú)明顯的劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng);銣燈泡和吸收泡對(duì)輻射總劑量不敏感，既無(wú)低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)，也無(wú)退火效應(yīng);輻射總劑量效應(yīng)不影響銣原子鐘的短期穩(wěn)定度;衛(wèi)星軌道輻射劑量率分布的不均勻引起的輻射退火效應(yīng)會(huì)影響銣原子鐘的長(zhǎng)期穩(wěn)定度。這項(xiàng)研究更加真實(shí)地逼近了空間的電離輻射，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于星載銣原子鐘的在軌運(yùn)行監(jiān)測(cè)和下一代星載銣原子鐘的抗輻射設(shè)計(jì)具有重要的作用。總劑量效應(yīng)和劑量率效應(yīng)只是空間輻射效應(yīng)的一種，其他還有質(zhì)子輻射、中子輻射、電子輻射、X射線輻射等引起的輻射效應(yīng)(如移位損傷效應(yīng)和晶格移位效應(yīng))及單獨(dú)的宇宙射線離子或太陽(yáng)質(zhì)子引起的單粒子效應(yīng)等，這些因素對(duì)星載原子鐘的影響評(píng)估及加固方法都需要更深入地研究，并且要就物理系統(tǒng)和電路的特點(diǎn)分別加以研究，不斷地提高星載原子鐘可靠性和壽命。