銣原子鐘低劑量率輻射效應綜述

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1引言

原子鐘對電離和粒子輻射的敏感性是預報星載原子鐘短期和長期穩定度的重要參數［3］。美國在上世紀80和90年代由于GPS星載銣原子鐘的研制驅動，對星載銣原子鐘的抗輻射性能及其加固開展了系統的研究［1～3］，取得了一系列的成果，對我國星載原子鐘的開發有積極的借鑒作用。但由于設計、工藝、材料等諸多的不同，在我國星載原子鐘的開發中開展實施系統的抗輻射評估和加固研究十分必要。電離輻射的總劑量效應是航天器空間輻射的理論和試驗研究的重要內容。文獻［5］對銣原子鐘物理部分的總劑量效應進行了實驗研究，以此為依據對銣原子鐘采取了有效抗輻射加固設計措施。在空間輻射環境中，輻射總劑量的積累是一個比較緩慢的過程，典型的劑量率分布范圍為(10－4～10－2)rad(Si)/s，產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效應(EnhancedLowDoseRateSensi-tivity，ELDRS)［6］。星載銣原子鐘技術指標精細，要求在軌工作10年以上，它在空間低劑量率的輻射環境中長期運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期穩定度(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、運算放大器等器件，其核心部件銣泡是一個采用特殊真空工藝制造的器件。對這些材料、器件和工藝的低劑量率輻射效應進行實驗評價是必要的。

2實驗方案

銣原子鐘由物理部分和電路構成［4］。物理部分由于其結構和功能的特殊性，需要單獨對其輻射劑量率效應進行評估。對電路而言，除VCXO外，其余部分可以依據通用空間電子產品的抗輻射評估與加固方法進行實驗和設計。

2．1實驗目的

對銣原子鐘物理部分和銣泡(銣燈泡和吸收泡)分別進行低劑量率輻射實驗評估。

2．2銣原子鐘物理部分輻射實驗方案設計

單獨將銣鐘物理部分置于輻射源的輻射下，實驗過程中銣鐘物理部分加電，加電所用穩壓電源與物理部分之間用足夠長的線纜連接，使供電電源與輻射源屏蔽。對物理部分進行連續累積劑量輻射，輻射劑量量級分別為5krad(Si)、10krad(Si)、20krad(Si)和50krad時，將物理部分連接到測試系統進行環路電測，記錄試驗數據。在試驗前后48h內完成測量頻率準確度、穩定度、直流參數和鎖定信號幅度指標，因測試而中斷的輻照時間應不超過72h。

2．3銣泡輻射實驗方案設計

初次輻射實驗前將銣燈泡、集成泡裝入測試用物理部分，連接到測試系統對試件進行環路測試，測量頻率準確度、穩定度、直流參數和鎖定信號幅度指標，在測試后72h內進行輻照試驗。測試完成后，將受輻射銣燈泡、吸收泡從測試用物理部分取出，裝入實驗用物理部分，與2．2中的樣機按同樣的方案輻射。所不同的是，測試時再將受輻射銣燈泡、吸收泡從實驗用物理部分中取出裝入測試用物理部分。

2．4實驗條件

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

3實驗結果及其分析

3．1銣原子鐘物理部分低劑量率輻射實驗

銣信號測量數據見圖1，短期穩定度數據見圖2，輻射劑量達50krad后的頻率測試曲線見圖3。從圖1可知，物理部分在低劑量率輻照試驗總劑量5krad(Si)時不加微波功率控制的銣信號幅度明顯增大。隨著退火過程，此信號幅度又恢復到原值。圖2是短期穩定度數據曲線，從圖中可以看出，輻射總劑量效應對銣原子鐘的短期穩定度影響不大，指標無明顯變化。圖3是低劑量率輻照試驗累計總劑量達50krad(si)后退火過程的測試曲線，從圖中可以看出，測試過程在100000s時有一個明顯拐點。說明退火過程影響銣原子鐘的長期穩定度。其它指標均在試驗過程及退火過程前后變化不明顯。

3．2銣泡低劑量率輻射實驗

銣信號測量數據見圖4，銣泡短期穩定度數據見圖5，輻射計量達50krad后的頻率測試曲線見圖6。從圖4可知，與物理部分整機不同的是，銣泡在低劑量率輻照試驗時不加微波功率控制的銣信號幅度無明顯變化，說明銣燈泡和吸收泡對輻射總劑量不敏感。圖5是短期穩定度數據曲線，從圖中可以看出，輻射總劑量效應對銣原子鐘的短期穩定度影響小于1．5×10－12，指標無明顯惡化。圖6是低劑量率輻照試驗累計總劑量達50krad(si)后退火過程的測試曲線，與圖3不同，頻率曲線無異常變化。

4結束語

本文對銣原子鐘物理部分和銣泡的低劑量率輻射效應分別進行了實驗評估。實驗表明:銣原子鐘物理部分無明顯的劑量率輻射損傷增強效應;銣燈泡和吸收泡對輻射總劑量不敏感，既無低劑量率輻射損傷增強效應，也無退火效應;輻射總劑量效應不影響銣原子鐘的短期穩定度;衛星軌道輻射劑量率分布的不均勻引起的輻射退火效應會影響銣原子鐘的長期穩定度。這項研究更加真實地逼近了空間的電離輻射，實驗數據對于星載銣原子鐘的在軌運行監測和下一代星載銣原子鐘的抗輻射設計具有重要的作用。總劑量效應和劑量率效應只是空間輻射效應的一種，其他還有質子輻射、中子輻射、電子輻射、X射線輻射等引起的輻射效應(如移位損傷效應和晶格移位效應)及單獨的宇宙射線離子或太陽質子引起的單粒子效應等，這些因素對星載原子鐘的影響評估及加固方法都需要更深入地研究，并且要就物理系統和電路的特點分別加以研究，不斷地提高星載原子鐘可靠性和壽命。