從毅力號火星車，看電子設(shè)備抗輻射設(shè)計(jì)

為了尋找古代微生物生命的蹤跡，史上最先進(jìn)的行星探測器“毅力號”以每小時(shí)11900英里的速度進(jìn)入火星稀薄的大氣層，于2021年2月18日到達(dá)火星。面對深空高能輻射和極端冷熱循環(huán)等挑戰(zhàn)，探測器已經(jīng)開始了各種收集巖芯樣本并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。“毅力號”科學(xué)探測器的重量不到2300磅，采用抗輻射技術(shù)，將為人類未來探索太陽系鋪平道路。

值得一提的是，這樣的前沿探索研究是一個(gè)全面的跨學(xué)科大型科研合作，其中很大部分工作需要電子工程師的參與。ADI通過與NASA/JPL合作，在毅力號上就有63個(gè)ADI元器件，從傳感器、電源到關(guān)鍵信號鏈器件。由于工作在太空環(huán)境，面臨各種極端情況，而且可靠性、穩(wěn)定性要求特別高，需要必須能夠承受宇宙射線的輻射，以及能在遠(yuǎn)超工業(yè)或汽車等常見苛刻環(huán)境下長期可靠工作的器件性能要求。本文將以ADI在“毅力號“及相關(guān)宇航項(xiàng)目中應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，談?wù)勲娮酉到y(tǒng)如何滿足極端應(yīng)用環(huán)境的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

宇宙極端環(huán)境對探測設(shè)備提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)

登陸火星具體有什么要求?首先，火星上的環(huán)境就和地球大不相同，重力低(火星質(zhì)量約為地球的九分之一、表面重力約為地球的38%)，氣壓低(星球表面大氣層薄，氣壓偏低，約為地球表面氣壓的0.6%)，溫差大(表日夜溫差很大，某些地區(qū)地表溫度白天可達(dá)28℃，夜晚可低至-132℃，平均-52℃，)還經(jīng)常有全球性的沙塵暴?？傊h(huán)境相當(dāng)不友好，這對火星車及搭載的電子系統(tǒng)設(shè)備要求自然也就高了。

車上的各個(gè)組件都得適應(yīng)這些惡劣的環(huán)境，尤其是嬌貴的各種電子器件、傳感器，，一般工業(yè)級電氣元器件的工作溫度是-25℃~70℃，超過這個(gè)范圍后器件壽命會(huì)大幅度縮短，性能參數(shù)下降甚至不工作，面對火星最低能到-132℃的溫度，對器件要求就更嚴(yán)峻了。除了溫度波動(dòng)，還有不一樣的重力環(huán)境、地面和沙塵暴帶來的振動(dòng)，這些對于電子器件來說也是不小的考驗(yàn)，最終能在火星車正常工作的器件，都必須精挑細(xì)選。

這個(gè)曾經(jīng)流經(jīng)火星表面的河道填滿的隕石坑是“毅力”號著陸點(diǎn)。

說到外太空環(huán)境，輻射絕對是避不開的一個(gè)話題，太空輻射會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)錯(cuò)誤，重置處理設(shè)備，甚至損壞組件。常見的輻射影響有：單事件效應(yīng)(SEE)，即單個(gè)離子或粒子撞擊設(shè)備的特定區(qū)域會(huì)導(dǎo)致各種奇怪的現(xiàn)象和錯(cuò)誤;總電離劑量(TID)，即電離輻射在其整個(gè)使用壽命中對部件產(chǎn)生的長期累積影響，可能導(dǎo)致偏移，例如某些組件上的電源電流增加;位移損壞(DD)，即中子等大顆粒會(huì)破壞硅芯片的晶體結(jié)構(gòu)，從而造成物理損壞等等。

輻射測試了解電子系統(tǒng)在輻射環(huán)境下的穩(wěn)定可靠性

知道為什么要進(jìn)行輻射測試之后，我們來看看可能遇到的不同輻射效應(yīng)。

一般可觀察到兩種類型的效應(yīng)，即累積效應(yīng)和單粒子效應(yīng)。累積效應(yīng)發(fā)生在較長時(shí)間內(nèi)，設(shè)備反復(fù)暴露于輻射之下，性能開始以某種方式發(fā)生轉(zhuǎn)變。受累積效應(yīng)影響，設(shè)備復(fù)位或斷電后重啟不會(huì)使設(shè)備返回到標(biāo)稱工作狀態(tài)。這些累積效應(yīng)導(dǎo)致設(shè)備性能出現(xiàn)半永久性到永久性的變化。之所以說“半永久性”，是這種情況下輻射引起的效應(yīng)不會(huì)因?yàn)樵O(shè)備復(fù)位或斷電后重啟而消除，但可能隨著時(shí)間推移或暴露于高溫而消失。

輻射效應(yīng)——累積效應(yīng)和單粒子效應(yīng)

累積效應(yīng)主要分總電離劑量(TID)和位移損傷。TID效應(yīng)通常發(fā)生在設(shè)備使用壽命中的很長一段時(shí)間內(nèi)。當(dāng)測試TID效應(yīng)時(shí)，設(shè)備暴露于輻射下直至達(dá)到一定的劑量。劑量決定所執(zhí)行的TID測試類型。一般來說，小于或等于30mrad/s的輻射量被認(rèn)為是低劑量率(LDR)，50到300 rad/s范圍內(nèi)的輻射量被認(rèn)為是高劑量率(HDR)。30 kRad到100 kRad的總電離輻射劑量是相當(dāng)常見的。目的是讓設(shè)備暴露于大量輻射下，以測量其在太空應(yīng)用中的使用壽命。

累積效應(yīng)——TID和位移損傷

通常會(huì)在輻射暴露之前對設(shè)備進(jìn)行測試以建立基線性能。然后將其暴露于特定劑量率的輻射(LDR或HDR)下并持續(xù)一段時(shí)間，以達(dá)到所需的總電離輻射劑量。暴露于輻射之后，對設(shè)備重新測試以確定其性能的任何變化。在輻射暴露期間，設(shè)備將被調(diào)整到正常工作模式，以模擬設(shè)備在太空應(yīng)用中的工作條件。

位移損傷是指輻射離子撞擊設(shè)備，并因此使組成設(shè)備的材料中的原子發(fā)生位移。這種位移可能導(dǎo)致晶格空位或填隙。這些原子隨后可能重組或形成穩(wěn)定的缺陷。

輻射硬化確保電子系統(tǒng)在火星環(huán)境下穩(wěn)定工作數(shù)十年

40多年來，ADI不斷利用創(chuàng)新與NASA/JPL合作開發(fā)能夠承受發(fā)射時(shí)的極高重力，并滿足嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，能夠適應(yīng)嚴(yán)苛的太空環(huán)境要求的元器件和系統(tǒng)。ADI與NASA/JPL的合作可以追溯到20世紀(jì)80年代初，雙方一直致力于推動(dòng)突破技術(shù)極限，開發(fā)關(guān)鍵元器件、自定義程序和抗輻射技術(shù)。無論其功能是什么，或要執(zhí)行什么任務(wù)，每個(gè)元器件都要面對最惡劣的環(huán)境條件，包括極端重力、振動(dòng)、溫度波動(dòng)和輻射。

與可以更換故障設(shè)備的地面應(yīng)用不同，設(shè)備送入太空之后，無法輕松進(jìn)行更換。面對太空的強(qiáng)輻射，電子器件針對輻射進(jìn)行硬化(radiation-hardened)十分重要。ADI與NASA /JPL合作開發(fā)了相關(guān)技術(shù)，采用各種各樣的工藝來減輕或增強(qiáng)輻射耐受性，相關(guān)系統(tǒng)及器件會(huì)使用回旋加速器以及其他類似設(shè)施的進(jìn)行輻射硬化，使得組件可以承受太空惡劣的環(huán)境。這些設(shè)施使我們能夠在將設(shè)備放入衛(wèi)星等應(yīng)用環(huán)境之前，將設(shè)備暴露在輻射中以測量其性能。

“朱諾”號太空探測器

在“毅力號”之前，ADI就與NASA/JPL的“朱諾”號太空探測器合作，該探測器于2011年8月5日發(fā)射升空，歷時(shí)近5年，穿越深空中的各種極端環(huán)境，于2016年7月4日抵達(dá)木星周圍的軌道。在太陽系所有的惡劣輻射環(huán)境中，木星可能位居第一。木星的磁層在其范艾倫輻射帶中捕獲了大量輻射，這個(gè)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我們行星周圍或太陽系內(nèi)的其他行星周圍的輻射帶。這使得“朱諾”號成為一項(xiàng)極具風(fēng)險(xiǎn)的任務(wù)，需要大大提高其電子設(shè)備的抗輻射性能。通過在地球上對設(shè)備進(jìn)行輻射測試，ADI的這些器件可以確保設(shè)備可以在惡劣的太空輻射環(huán)境中正常運(yùn)行。