“小抗”再添利器，怀柔（5MeV）电子直线加速器设施“开张”啦！

来源：陶孟泽

针对主要由空间中高能电子产生的电离总剂量、深层充放电、太阳电池辐射损伤等辐射效应模拟实验研究与试验测试的需求，小抗团队设计建造的怀柔（5MeV）电子直线加速器设施（HuaiRou Electron LINAC Facility,HRELF）经过4年的建设和半年的试运行，状态良好，配套测试设备就位，现在正式投入运行，欢迎大家咨询使用。

装置外表朴素，内涵丰富！装置主要由5MeV电子直线加速器、辐射屏蔽系统、辐射试验终端以及配套的测试设备组成，如图1、图2所示。该装置的特点是电子能量与束流密度调节范围宽、辐照面积大。电子直线加速器可直接加速形成1-5MeV连续可调的电子束，通过降能器可进一步形成0.5-1MeV的电子束，实现能量调节范围0.5-5MeV。通过调节电子枪束流强度、加速管微波功率源占空比以及束流管线中的准直器等部件参数，可以实现束流密度调节范围1pA-2nA/cm²。通过多级磁铁对束斑尺寸进行整形和扫描，可实现大束斑辐照，最大照面积800mm×800mm。装置的核心关键参数见表1。此外，在装置的束流管线中巧妙设计了真空隔离钛窗，使得装置具备大气辐照与真空辐照兼顾的能力，该装置的主要应用范围如下：

1. 电子器件与材料的电离总剂量效应实验测试；
2. 材料、部件、单机设备与微小卫星深层充放电实验测试；
3. 太阳电池位移损伤效应实验测试。

图2 怀柔（5MeV）电子直线加速器设施实物

表2 部分器件的电子总剂量试验结果

图3 部分典型器件和材料的电子辐照试验现场

目前电子直线加速器的试验条件和运行参数如表1所示，能够实现真空和大气条件下的高品质电子束辐照，设备接口包括观察窗、55芯/92芯航插、高压、光纤、BNC以及SMA等。

电子加速器辐照开展电离总剂量实验靠谱吗？提起总剂量效应，稍有航天经验的科研人员都知道采用⁶⁰Co γ源开展实验，用电子加速器辐照开展总剂量实验靠谱吗？资深的空间辐射效应研究人员清楚，电子加速器开展电离总剂量实验非常靠谱！那么到底该用什么来开展总剂量效应实验呢？做个简单类比，如果说采用⁶⁰Co γ源开展总剂量实验是适合大众的通用做法，那么电子加速器开展总剂量实验则是“专业玩家”的必然选择，而随着技术的进步专业玩家的专业设备现在也逐步适用于“大众玩家”了。为了进一步解开大家的可能存在的困惑，“小抗”在此给各位做一个简单分析。

空间辐射总剂量效应的源头是辐射带质子、辐射带电子和太阳宇宙线等空间辐射环境，其基本物理过程是空间辐射环境中不同能量不同种类的带电粒子与器件材料发生了电离相互作用，在器件材料中产生能量沉积与电离电荷，电离电荷迁移积累在器件的绝缘层中，导致器件电参数变化和工作特性退化。表3是典型卫星轨道在3mmAl屏蔽下遭受的年均总剂量值，可以看出，电子辐照是近地空间电离总剂量的主要因素。

既然近地空间中电子是造成总剂量效应的主要因素，为何通用的总剂量效应会采用⁶⁰Co γ源开展实验呢？这其实是基于对总剂量效应理论与试验研究的基础上得出的一个简单易行的等效实验方法，使用⁶⁰Co γ源开展总剂量效应等效实验的的核心原理是利用γ射线与实验样品材料作用产生的康普顿散射电子进一步与材料作用形成电离总剂量效应。美国和欧等航天大国基于器件的辐射效应研究、抗辐射加固、辐射测试等方面积累的经验，分别制定了包括美国军用标准MIL-STD-883H、美国材料和测试协会ASTM-F1892-2006和欧洲航天局ESA/SCC-22900等总剂量实验方法。虽然上述方法已经广泛使用，但是上述等效方法主要针对Si器件而建立，在一些新材料器件中上述等效方法的适用性存在疑问。而采用电子加速器产生的电子开展新材料器件的总剂量效应评估则更接近在轨情况，其评估结果可靠性更高。其次，随着技术的进步与积累采用电子加速器进行总剂量效应实验的条件也更加成熟。3MeV以上能量电子穿透能力强、剂量场分布均匀性已经满足总剂量效应实验要求。ESA/SCC-22900标准对电子辐照总剂量效应实验进行了初步要求，规定了使用电子加速器进行总剂量实验的基本要求电子能量不低于1-3MeV，辐照剂量分布均匀度高于90%。

部件深层充放电实验不再“穿小鞋”了！能量100keV以上束流强度0.1～10pA/cm²的电子辐照引起的深层充放电效应对航天器构成的威胁巨大，其产生的风险与影响评估的重要手段是地面模拟试验。但国内相关的试验条件相对欠缺，且仅能开展材料级深层充放电效应实验，甚至在多颗卫星的深层充电归零实验中仅能依靠放射源装置中束斑面积非常有限的电子束对故障设备的局部分时段进行辐照，开展非常局促的深层充放电效应模拟实验。该装置产生的电子束斑尺寸大、束流密度可完全覆盖MEO和GEO轨道最恶劣高能电子环境，基于该装置可开展卫星部件、单机及小卫星的深层充放电效应试验测试与分析评估，为深层充放电效应的研究、影响评估和防护设计提供基础条件，更进一步可支持木星系极端恶劣辐射条件下的充放电效应测试评估与防护设计。

太阳电池位移损伤效应实验随时约起！位移损伤效应会导致半导体器件参数如少子寿命、多子迁移率和浓度等退化，从而使器件性能退化，甚至失效。受位移损伤效应影响较大的主要是利用少数载流子工作的器件，例如太阳电池、CCD和光电耦合器等。利用电子和质子辐照是开展位移损伤效应试验测试的主要手段，图4是利用不同能量的质子和电子对典型太阳电池进行辐照开展位移损伤效应实验的试验结果。对于太阳电池，由于其总剂量效应影响可以忽略，且电子辐照不会产生“活化”污染，因此采用电子进行位移损伤效应实验相对质子更具优势。在航天工程中通常采用“等效1MeV电子注量”来度量星用太阳电池辐射损伤和简化辐射试验。其中，典型的电子能量1MeV-5MeV条件下，电子注量为10¹⁵/cm²,则辐照时间为小时量级。

图4 不同能量质子和电子辐照太阳电池位移损伤效应测试数据

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