一种小型化空间辐射效应风险监测系统
阅读说明：本技术 一种小型化空间辐射效应风险监测系统 (Miniaturized space radiation effect risk monitoring system ) 是由 杨艳 郑义 高志强 钟亮 郑玉展 史青 彭泳卿 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种小型化空间辐射效应风险监测系统,包括探测器壳体、带电探头模块、总剂量效应探头模块、位移探头模块、单粒子翻转敏感探头模块、驱动模块、测量模块、数字处理模块和电源模块；带电探头模块为叠状望远镜式结构,带电探头模块包括绝缘支架和从上到下依次叠放在绝缘支架中的表面电流探头、表面电位探头、内带电电流探头,内带电电流探头包括两个或两个以上不同屏蔽深度的内带电电流探头。本发明创新性的提出叠状望远镜式探头结构,近似点测量提高测量精度,采用数字化信号处理等方式精简电路以及集成化设计,使监测装置小型化轻型化,降低卫星平台资源占用量,并且通过电路和结构上的抗干扰设计,进一步提升测试精度和装置的可靠性。(The invention provides a miniaturized space radiation effect risk monitoring system which comprises a detector shell, a charged probe module, a total dose effect probe module, a displacement probe module, a single event upset sensitive probe module, a driving module, a measuring module, a digital processing module and a power supply module, wherein the charged probe module is arranged in the detector shell; the live probe module is of a stacked telescope structure and comprises an insulating support, and a surface current probe, a surface potential probe and an inner live current probe which are sequentially stacked in the insulating support from top to bottom, wherein the inner live current probe comprises two or more inner live current probes with different shielding depths. The invention innovatively provides a stacked telescope type probe structure, the measurement precision is improved by approximate point measurement, the circuit and integrated design are simplified by adopting the ways of digital signal processing and the like, the monitoring device is miniaturized and lightened, the resource occupation amount of a satellite platform is reduced, and the test precision and the reliability of the device are further improved by the anti-interference design on the circuit and the structure.)
技术领域
本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种小型化空间辐射效应风险监测系统。
背景技术
空间辐射效应是指航天元器件和材料在空间辐射粒子的作用下，出现的性能衰退、功能受阻或丧失的现象。主要的空间辐射效应有表面带电效应、内带电效应、总剂量效应、位移损伤效应和单粒子翻转效应等。
表面带电效应是由于航天器在轨运行期间受到空间高能带电粒子的冲击、碰撞，与表面材料相互作用，会在航天器表面积累电荷，导致表面带电现象。高能带电粒子在材料中产生充电电位及充电电流。
内带电效应是由于航天器长时间沉浸在高能电子环境中，高能电子穿透航天器舱壁，沉积到内部电子器件等材料上，发生充电现象。
总剂量效应是大量的辐射粒子进入半导体器件材料内部，与材料的原子核外电子发生电离作用产生额外的电荷，这些电荷在器件内的氧化层堆积等，导致器件性能退化、乃至最终丧失的现象。
位移损伤效应是大量的辐射粒子进入半导体器件材料内部，与材料的原子核发生弹性碰撞作用，导致材料晶格原子出现移位，使器件材料内部产生缺陷，影响少数载流子寿命，从而导致器件相关性能逐步下降、乃至最终丧失的现象。
单粒子翻转效应是空间单个的高能重粒子或者质子，在器件材料中通过直接的电离作用或者核反应产生的次级粒子的间接电离作用形成的额外电荷，导致的器件逻辑状态、功能、性能的变化或损伤现象。
其中内带电效应、总剂量效应、位移损伤效应都是辐射穿过航天器舱壁进入航天器内部产生的不同效应，因此判断因空间辐射导致的风险时应该监测不同屏蔽厚度下的辐射效应。
目前，国内关于航天器空间辐射效应风险监测装置极少，技术条件也不成熟，无法通过简单的结构设计和电路设计实时监测多个不同的空间辐射效应，同时监测装置体积较大，无法高效利用宝贵的卫星平台资源。
发明内容
本发明是为了空间辐射效应风险监测的问题，创新性的提出叠状望远镜式探头结构，近似点测量提高测量精度，采用数字化信号处理等方式精简电路以及集成化设计，使监测装置小型化轻型化，降低卫星平台资源占用量，并且通过电路和结构上的抗干扰设计，进一步提升测试精度和装置的可靠性。
本发明提供一种小型化空间辐射效应风险监测系统，包括探测器壳体，设置在探测器壳体上表面的带电探头模块、总剂量效应探头模块、位移探头模块，设置在探测器壳体内部的单粒子翻转敏感探头模块，与带电探头模块、总剂量效应探头模块、位移探头模块均电连接的驱动模块、测量模块，与单粒子翻转敏感探头模块、测量模块电连接的数字处理模块，与数字处理模块电连接的通信模块和与驱动模块、测量模块、数字处理模块、通信模块均电连接的电源模块；
探测器壳体用于保护带电探头模块、总剂量效应探头模块、位移探头模块、单粒子翻转敏感探头模块、驱动模块、测量模块、字处理模块和通信模块，并在卫星平台安装；
带电探头模块、总剂量效应探头模块、位移探头模块和单粒子翻转敏感探头模块用于接收空间环境辐射并转换成模拟信号输出；
驱动模块用于驱动带电探头模块、总剂量效应探头模块和位移探头模块工作；
测量模块用于将模拟信号进行调理并将调理后的信号输出给数字处理模块；
数字处理模块用于控制测量模块采集模拟信号并计算、修正、编帧后通过通信模块发送给上级设备，数字处理模块用于检测单粒子翻转敏感探头模块采集的模拟信号并进行计算、修正、编帧后通过通信模块发送给上级设备；
电源模块用于供电；
带电探头模块为叠状望远镜式结构，带电探头模块包括绝缘支架和从上到下依次叠放在绝缘支架中的表面电流探头、表面电位探头、内带电电流探头，内带电电流探头包括两个或两个以上不同屏蔽深度的内带电电流探头；
带电探头模块用于进行表面电流、表面电位和内带电电流的同位置测量并转换成模拟信号输出，表面电流探头用于进行表面电流的测量同时为表面电位探头和内带电电流探头屏蔽干扰，表面电位探头用于进行表面电位的测量同时为内带电电流探头屏蔽干扰，内带电电流探头用于进行不同屏蔽厚度的内带电电流测量并换算得到等效屏蔽厚度内带电电流，建立内带电电流模型。
本发明所述的一种小型化空间辐射效应风险监测系统，作为优选方式，表面电流探头包括导体板，表面电位探头包括绝缘介质和导体板电极；
内带电电流探头包括从上到下依次叠放在绝缘支架内的第一内带电电流探头、第二内带电电流探头和第三内带电电流探头，第一内带电电流探头、第二内带电电流探头和第三内带电电流探头固定在覆铜箔层压板上。
本发明所述的一种小型化空间辐射效应风险监测系统，作为优选方式，总剂量效应探头模块与位移探头模块设置在同一块电路板上。
本发明所述的一种小型化空间辐射效应风险监测系统，作为优选方式，总剂量效应探头模块用于通过探测器壳体外侧台阶的不同高度实现多屏蔽厚度的总剂量效应探测；
总剂量效应探头模块包括0mm屏蔽厚度总剂量效应探头、1mm屏蔽厚度总剂量效应探头、2mm屏蔽厚度总剂量效应探头和3mm屏蔽厚度总剂量效应探头；
总剂量效应探头模块使用PMOS场效应晶体管；
位移探头模块包括四个位移探头，每一个位移探头均与一个总剂量效应探头集成在一块电路板上，位移探头使用光电二极管。
本发明所述的一种小型化空间辐射效应风险监测系统，作为优选方式，单粒子翻转敏感探头模块包括用于储存测量数据的SRAM器件，数字处理模块通过对测量数据进行定时检查和刷新并进行数据位比对判断是否发生单粒子翻转,若数据位有异常则判定发生单粒子翻转，若数据位无异常则判定未发生单粒子翻转。
本发明所述的一种小型化空间辐射效应风险监测系统，作为优选方式，单粒子翻转敏感探头模块可拆卸，在进行单粒子翻转敏感探头模块的标定时，将SRAM器件取出放置在标定用辐射源一侧，标定后再插回探测器壳体内部。
本发明所述的一种小型化空间辐射效应风险监测系统，作为优选方式，驱动模块为恒流源驱动电路；
测量模块包括表面电位测量电路、表面电流测量电路、内带电电流测量电路、总剂量效应测量电路和位移效应测量电路。
本发明所述的一种小型化空间辐射效应风险监测系统，作为优选方式，表面电位测量电路包括超高阻抗低偏流的运放、多层屏蔽电缆、电位保护环、保护栅和保护层；
表面电流测量电路包括超高阻抗低偏流的运放、多层屏蔽电缆、电位保护环、保护栅和保护层；
内带电电流测量电路均包括超高阻抗低偏流的运放、多层屏蔽电缆、电位保护环、保护栅和保护层；
总剂量效应测量电路和位移效应测量电路均使用多路模拟开关切换通路。
本发明所述的一种小型化空间辐射效应风险监测系统，作为优选方式，数字处理模块包括ARM、ADC和多路模拟开关；
通信模块使用RS422接口和UART通信协议。
本发明所述的一种小型化空间辐射效应风险监测系统，作为优选方式，探测器壳体包括多层壳体，各层壳体之间使用子口连接。
本发明采用了如下的技术方案：
一种小型化空间辐射效应风险监测装置，包括电源模块，电源模块用于给小型化空间辐射效应风险监测装置供电；探头模块，探头模块用于接收空间环境辐射，并将辐射效应转换成的相关的模拟信号；驱动模块，驱动模块用于驱动探头模块正常工作；测量模块，测量模块用于将探头模块转换成的模拟信号进行调理，并将调理后的信号输出给数字处理模块；数字处理模块，数字处理模块用于控制测量模块采集探头模块的模拟信号，计算、修正、编帧后通过通信模块发送给上级设备；通信模块，通信模块用于发送处理模块处理后的数据信息；探测器壳体，探测器壳体用于保护内部的探头和电路以及在卫星平台安装。
进一步地，小型化空间辐射效应风险监测装置，其特征在于，探头模块包括1个带电探头模块、4个不同屏蔽厚度(0mm、1mm、2mm、5mm)的总剂量效应探头和位移效应探头以及1个单粒子翻转敏感探头。
进一步地，小型化空间辐射效应风险监测装置，其特征在于，带电探头模块包括1个表面电位探头、1个表面电流探头、3个不同屏蔽深度的内带电电流探头。
进一步地，小型化空间辐射效应风险监测装置，其特征在于，总剂量效应探头采用PMOS场效应晶体管，位移效应探头采用光电二极管，单粒子翻转敏感探头采用SRAM器件。
进一步地，小型化空间辐射效应风险监测装置，其特征在于，探头模块进行集成化设计，有效减小整机体积。其中带电探头模块采用叠状望远镜式结构，4个不同屏蔽厚度的总剂量效应探头和位移效应探头集成在一块电路板上，简化了电气连接。
进一步地，小型化空间辐射效应风险监测装置，其特征在于，表面电位探头由绝缘介质和导体板电极组成，表面电流探头采用导体板，内带电电流探头采用覆铜箔层压板。
进一步地，小型化空间辐射效应风险监测装置，其特征在于，为保护总剂量效应探头和位移效应探头在标定实验中被辐照产生损伤，单粒子翻转敏感探头进行标定时，将SRAM器件通过接口连接外部标定装置，待标定完成后将SRAM器件再重新插回装置内预留插槽。
SRAM标定完之后，插到产品内。因为SRAM的标定实验对别的探头有辐射影响，所以它需要在外面标定，插头是用来连接电缆，把SRAM单独放在辐射源附近。
进一步地，小型化空间辐射效应风险监测装置，其特征在于，驱动模块是恒流源驱动电路，作用是电流加在总剂量效应探头上。
进一步地，小型化空间辐射效应风险监测装置，其特征在于，测量模块包括表面电位测量电路、表面电流测量电路、内带电电流测量电路、总剂量效应测量电路和位移效应测量电路。
进一步地，小型化空间辐射效应风险监测装置，其特征在于，表面电位测量电路、表面电流测量电路、内带电电流测量电路均采用超高阻抗低偏流的运放，测量电路极易受到外界的干扰，比如漏电流、静电、压电等，因此进行等电位屏蔽以减小静电干扰和电磁干扰，采用多层屏蔽电缆，减少电缆传输路径引入干扰；采用电位保护环、保护栅和保护层设计，减小印制板漏电流的影响等。
进一步地，小型化空间辐射效应风险监测装置，其特征在于，总剂量效应测量电路和位移效应测量电路采用多路模拟开关切换通路进行测量，减少硬件线路，使印制板小型化。
进一步地，小型化空间辐射效应风险监测装置，其特征在于，数字处理模块包括ARM、ADC、多路模拟开关等。
进一步地，小型化空间辐射效应风险监测装置，其特征在于，数字处理模块采用集成芯片控制和处理信号，大大减少器件的个数，简化了整机电路设计，有效减小印制板面积，同时动态逻辑可以降低功耗。
进一步地，小型化空间辐射效应风险监测装置，其特征在于，通信模块采用RS422接口和UART通信协议。
进一步地，小型化空间辐射效应风险监测装置，其特征在于，探测器壳体通过抗干扰设计提升电磁兼容性，提高装置测量精度。
本发明具有以下优点：
(1)本发明体积小、质量轻、功耗低，对卫星平台资源占用量低，近似点测精度高，安装使用简单，非常有利于在现有条件下搭载应用于各种大、中、小型卫星平台，开展多点位的空间环境测量；本发明通过多种探头组合布放，在不同的屏蔽厚度下，可以实现空间辐射效应多参数如表面带电效应、内带电效应、总剂量效应、位移损伤效应、单粒子翻转效应等风险的判别；
(2)带电探头模块采用叠状望远镜式结构，分别针对表面充电电流、表面充电电位、内带电电流进行同位置测量，提供测量精度，同时内带电电流探头通过这种结构可以针对测量不同等效屏蔽厚度的内带电电流并建立内带电电流模型。
(3)4个不同屏蔽厚度的总剂量效应探头和位移效应探头集成在一块电路板上，简化了电气连接；由于测量模块的测量电路极易受到外界的干扰，比如漏电流、静电、压电等，因此进行等电位屏蔽以减小静电干扰和电磁干扰，采用多层屏蔽电缆，减少电缆传输路径引入干扰，采用电位保护环、保护栅和保护层设计，减小印制板漏电流的影响等；总剂量效应测量电路和位移效应测量电路采用多路模拟开关切换通路进行测量，减少硬件线路，使印制板小型化。
(4)数字处理模块采用集成芯片控制和处理信号，大大减少器件的个数，简化了整机电路设计，有效减小印制板面积，同时动态逻辑可以降低功耗；探测器壳体通过抗干扰设计提升电磁兼容性，提高装置测量精度。
附图说明
图1为一种小型化空间辐射效应风险监测系统架构图；
图2为一种小型化空间辐射效应风险监测系统探头结构示意图；
图3为一种小型化空间辐射效应风险监测系统带电探头模块望远镜式结构图。
附图标记：
1、探测器壳体；2、带电探头模块；21、绝缘支架；22、表面电流探头；23、表面电位探头；24、内带电电流探头；241、第一内带电电流探头；242、第二内带电电流探头；243、第三内带电电流探头；3、总剂量效应探头模块；31、0mm屏蔽厚度总剂量效应探头；32、1mm屏蔽厚度总剂量效应探头；33、2mm屏蔽厚度总剂量效应探头；34、3mm屏蔽厚度总剂量效应探头；4、位移探头模块；5、单粒子翻转敏感探头模块；6、驱动模块；7、测量模块；8、数字处理模块；9、通信模块；10、电源模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1-2所示，一种小型化空间辐射效应风险监测系统，包括探测器壳体1，设置在探测器壳体1上表面的带电探头模块2、总剂量效应探头模块3、位移探头模块4，设置在探测器壳体1内部的单粒子翻转敏感探头模块5，与带电探头模块2、总剂量效应探头模块3、位移探头模块4均电连接的驱动模块6、测量模块7，与单粒子翻转敏感探头模块5、测量模块7电连接的数字处理模块8，与数字处理模块8电连接的通信模块9和与驱动模块6、测量模块7、数字处理模块8、通信模块9均电连接的电源模块10；
探测器壳体1用于保护带电探头模块2、总剂量效应探头模块3、位移探头模块4、单粒子翻转敏感探头模块5、驱动模块6、测量模块7、字处理模块8和通信模块9，并在卫星平台安装；
探测器壳体1包括多层壳体，各层壳体之间使用子口连接；
带电探头模块2、总剂量效应探头模块3、位移探头模块4和单粒子翻转敏感探头模块5用于接收空间环境辐射并转换成模拟信号输出；
如图3所示，带电探头模块2为叠状望远镜式结构，带电探头模块2包括绝缘支架21和从上到下依次叠放在绝缘支架21中的表面电流探头22、表面电位探头23、内带电电流探头24，内带电电流探头24包括两个或两个以上不同屏蔽深度的内带电电流探头；
带电探头模块2用于进行表面电流、表面电位和内带电电流的同位置测量并转换成模拟信号输出，表面电流探头22用于进行表面电流的测量同时为表面电位探头23和内带电电流探头24屏蔽干扰，表面电位探头23用于进行表面电位的测量同时为内带电电流探头24屏蔽干扰，内带电电流探头24用于进行不同屏蔽厚度的内带电电流测量并换算得到等效屏蔽厚度内带电电流，建立内带电电流模型；
表面电流探头22包括导体板，表面电位探头23包括绝缘介质和导体板电极；
内带电电流探头24包括从上到下依次叠放在绝缘支架21内的第一内带电电流探头241、第二内带电电流探头242和第三内带电电流探头243，第一内带电电流探头241、第二内带电电流探头242和第三内带电电流探头243固定在覆铜箔层压板上；
驱动模块6用于驱动带电探头模块2、总剂量效应探头模块3和位移探头模块4工作；
测量模块7用于将模拟信号进行调理并将调理后的信号输出给数字处理模块8；
数字处理模块8用于控制测量模块7采集模拟信号并计算、修正、编帧后通过通信模块9发送给上级设备，数字处理模块8用于检测单粒子翻转敏感探头模块5采集的模拟信号并进行计算、修正、编帧后通过通信模块9发送给上级设备；
电源模块10用于供电；
总剂量效应探头模块3与位移探头模块4设置在同一块电路板上；总剂量效应探头模块3用于通过探测器壳体1外侧台阶的不同高度实现多屏蔽厚度的总剂量效应探测；
总剂量效应探头模块3包括0mm屏蔽厚度总剂量效应探头31、1mm屏蔽厚度总剂量效应探头32、2mm屏蔽厚度总剂量效应探头33和3mm屏蔽厚度总剂量效应探头34；
总剂量效应探头模块3使用PMOS场效应晶体管；
位移探头模块4包括四个位移探头，每一个位移探头均与一个总剂量效应探头集成在一块电路板上，位移探头使用光电二极管；
单粒子翻转敏感探头模块5包括用于储存测量数据的SRAM器件，数字处理模块8通过对测量数据进行定时检查和刷新并进行数据位比对判断是否发生单粒子翻转,若数据位有异常则判定发生单粒子翻转，若数据位无异常则判定未发生单粒子翻转；
单粒子翻转敏感探头模块5可拆卸，在进行单粒子翻转敏感探头模块5的标定时，将SRAM器件取出放置在标定用辐射源一侧，标定后再插回探测器壳体1内部；
驱动模块6为恒流源驱动电路；
测量模块7包括表面电位测量电路、表面电流测量电路、内带电电流测量电路、总剂量效应测量电路和位移效应测量电路；
表面电位测量电路包括超高阻抗低偏流的运放、多层屏蔽电缆、电位保护环、保护栅和保护层；
表面电流测量电路包括超高阻抗低偏流的运放、多层屏蔽电缆、电位保护环、保护栅和保护层；
内带电电流测量电路均包括超高阻抗低偏流的运放、多层屏蔽电缆、电位保护环、保护栅和保护层；
总剂量效应测量电路和位移效应测量电路均使用多路模拟开关切换通路；
数字处理模块8包括ARM、ADC和多路模拟开关；
通信模块9使用RS422接口和UART通信协议。
实施例2
一种小型化空间辐射效应风险监测系统，图1显示了本实施例的系统架构图，包括电源模块10、探头模块、驱动模块6、测量模块7、数字处理模块8、通信模块9和探测器壳体1。电源模块10用于给整个装置供电；探头模块包含表面电流探头22、表面电压探头23、内带电电流探头24、总剂量效应探头3、位移效应探头4和单粒子翻转敏感探头5，用于接收空间环境辐射，并将辐射效应转换成的相关的模拟信号；驱动模块6用于驱动探头模块正常工作；测量模块7用于将探头模块转换成的模拟信号进行调理，并将调理后的信号输出给数字处理模块8；数字处理模块8用于控制测量模块7采集探头模块的模拟信号，计算、修正、编帧后通过通信模块9发送给上级设备；通信模块9用于发送处理模块处理后的数据信息；探测器壳体1用于保护内部的探头和电路以及在卫星平台安装。
图2显示了本发明的一具体实施方式的空间辐射效应风险监测装置的结构示意图，其中包括长方形的机箱(探测器壳体1)和设置在探测器壳体1内部的探头模块，其中表面电流探头22、表面电位探头23、第一内带电电流探头241、第二内带电电流探头242和第三内带电电流探头243呈叠状望远镜式结构，分别针对表面充电电流、表面充电电位、内带电电流进行测量；总剂量效应探头3和位移效应探头4上方分别设置不同屏蔽厚度的屏蔽层，以分别针对总剂量效应和位移效应进行监测，屏蔽层分别为屏蔽层一、屏蔽层二、屏蔽层三、屏蔽层四；单粒子翻转敏感探头5安装在电路板上，针对单粒子翻转效应进行监测。
图3显示了带电探头模块2的叠状望远镜式结构图，内带电电流探头24通过这种结构可以针对测量不同等效屏蔽厚度的内带电电流，等效屏蔽厚度分别为等效屏蔽厚度一、等效屏蔽厚度二、等效屏蔽厚度三。
表面电位采用平板电容式原理，对探头接收到的信号进行电容分压，通过测量分压值获取表面电位；表面电流和内带电电流测量的基本原理：金属板受带电粒子撞击而产生电流，电流信号通过超高阻放大器将充电电流放大为低阻输出的电压信号；总剂量效应测量的基本原理：PMOS场效应晶体管在栅氧化层中产生和俘获辐射诱导电荷从而改变阈值电压，驱动模块的恒定电流加在PMOS上，通过监测电压值的变化，完成辐射总剂量的监测；位移损伤效应测量的基本原理：利用光电二极管的暗电流是受辐照影响最严重的参数这一特性，通过测量暗电流的变化，完成位移损伤效应的监测；单粒子翻转效应测量是将特定数据存储在SRAM中，通过数字处理模块对其进行定时检查和刷新,通过比对数据位如有异常即认为发生单粒子翻转，从而判别翻转发生的几率。
机箱(探测器壳体1)由多层壳体组成，各层之间采用子口连接，有利于提高安装稳定性和电磁兼容性。带电探头模块2四周安装4个总剂量效应探头3与位移效应探头4，通过机箱壳体外侧台阶不同高度实现不同屏蔽厚度(0mm、1mm、2mm、5mm)。
带电探头模块2中的表面电流探头22、表面电位探头23及三个内带电电流探头24顶部接收辐射有效面均为圆形，通过绝缘支架21限制，使得有效面积均为10cm2，整体呈叠状望远镜式结构。由于内部的绝缘材料也可能在空间发生内带电效应，因此为减少影响，设计中尽量减少绝缘材料的体积。表面电流探头22为镀铝聚酰亚胺薄膜，表面电位探头23为铝板表面附着聚酰亚胺薄膜。三个内带电电流探头24均为覆铜箔层压板，即PCB板顶层敷铜开窗，板厚为2mm。五个探头分层位于绝缘支架中。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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