铷原子钟低剂量率辐射效应综述

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1引言

原子钟对电离和粒子辐射的敏感性是预报星载原子钟短期和长期稳定度的重要参数［3］。美国在上世纪80和90年代由于GPS星载铷原子钟的研制驱动，对星载铷原子钟的抗辐射性能及其加固开展了系统的研究［1～3］，取得了一系列的成果，对我国星载原子钟的开发有积极的借鉴作用。但由于设计、工艺、材料等诸多的不同，在我国星载原子钟的开发中开展实施系统的抗辐射评估和加固研究十分必要。电离辐射的总剂量效应是航天器空间辐射的理论和试验研究的重要内容。文献［5］对铷原子钟物理部分的总剂量效应进行了实验研究，以此为依据对铷原子钟采取了有效抗辐射加固设计措施。在空间辐射环境中，辐射总剂量的积累是一个比较缓慢的过程，典型的剂量率分布范围为(10－4～10－2)rad(Si)/s，产品研制中通常使用的剂量范围一般为(50～300)rad(Si)/s。研究表明，一些器件有低剂量率辐射损伤增强效应(EnhancedLowDoseRateSensi-tivity，ELDRS)［6］。星载铷原子钟技术指标精细，要求在轨工作10年以上，它在空间低剂量率的辐射环境中长期运行的辐射敏感度非常重要。铷原子钟物理部分是铷原子钟的原子鉴频器，决定铷原子钟的短期和长期稳定度(1s以上)，其中使用了金属铷、玻璃、镍铁合金等材料和一些双极性晶体管、运算放大器等器件，其核心部件铷泡是一个采用特殊真空工艺制造的器件。对这些材料、器件和工艺的低剂量率辐射效应进行实验评价是必要的。

2实验方案

铷原子钟由物理部分和电路构成［4］。物理部分由于其结构和功能的特殊性，需要单独对其辐射剂量率效应进行评估。对电路而言，除VCXO外，其余部分可以依据通用空间电子产品的抗辐射评估与加固方法进行实验和设计。

2．1实验目的

对铷原子钟物理部分和铷泡(铷灯泡和吸收泡)分别进行低剂量率辐射实验评估。

2．2铷原子钟物理部分辐射实验方案设计

单独将铷钟物理部分置于辐射源的辐射下，实验过程中铷钟物理部分加电，加电所用稳压电源与物理部分之间用足够长的线缆连接，使供电电源与辐射源屏蔽。对物理部分进行连续累积剂量辐射，辐射剂量量级分别为5krad(Si)、10krad(Si)、20krad(Si)和50krad时，将物理部分连接到测试系统进行环路电测，记录试验数据。在试验前后48h内完成测量频率准确度、稳定度、直流参数和锁定信号幅度指标，因测试而中断的辐照时间应不超过72h。

2．3铷泡辐射实验方案设计

初次辐射实验前将铷灯泡、集成泡装入测试用物理部分，连接到测试系统对试件进行环路测试，测量频率准确度、稳定度、直流参数和锁定信号幅度指标，在测试后72h内进行辐照试验。测试完成后，将受辐射铷灯泡、吸收泡从测试用物理部分取出，装入实验用物理部分，与2．2中的样机按同样的方案辐射。所不同的是，测试时再将受辐射铷灯泡、吸收泡从实验用物理部分中取出装入测试用物理部分。

2．4实验条件

采用Co60γ源，辐射剂量率0．01rad(Si)/s，总剂量50krad(Si)。测试环境温度:25℃±1℃。

3实验结果及其分析

3．1铷原子钟物理部分低剂量率辐射实验

铷信号测量数据见图1，短期稳定度数据见图2，辐射剂量达50krad后的频率测试曲线见图3。从图1可知，物理部分在低剂量率辐照试验总剂量5krad(Si)时不加微波功率控制的铷信号幅度明显增大。随着退火过程，此信号幅度又恢复到原值。图2是短期稳定度数据曲线，从图中可以看出，辐射总剂量效应对铷原子钟的短期稳定度影响不大，指标无明显变化。图3是低剂量率辐照试验累计总剂量达50krad(si)后退火过程的测试曲线，从图中可以看出，测试过程在100000s时有一个明显拐点。说明退火过程影响铷原子钟的长期稳定度。其它指标均在试验过程及退火过程前后变化不明显。

3．2铷泡低剂量率辐射实验

铷信号测量数据见图4，铷泡短期稳定度数据见图5，辐射计量达50krad后的频率测试曲线见图6。从图4可知，与物理部分整机不同的是，铷泡在低剂量率辐照试验时不加微波功率控制的铷信号幅度无明显变化，说明铷灯泡和吸收泡对辐射总剂量不敏感。图5是短期稳定度数据曲线，从图中可以看出，辐射总剂量效应对铷原子钟的短期稳定度影响小于1．5×10－12，指标无明显恶化。图6是低剂量率辐照试验累计总剂量达50krad(si)后退火过程的测试曲线，与图3不同，频率曲线无异常变化。

4结束语

本文对铷原子钟物理部分和铷泡的低剂量率辐射效应分别进行了实验评估。实验表明:铷原子钟物理部分无明显的剂量率辐射损伤增强效应;铷灯泡和吸收泡对辐射总剂量不敏感，既无低剂量率辐射损伤增强效应，也无退火效应;辐射总剂量效应不影响铷原子钟的短期稳定度;卫星轨道辐射剂量率分布的不均匀引起的辐射退火效应会影响铷原子钟的长期稳定度。这项研究更加真实地逼近了空间的电离辐射，实验数据对于星载铷原子钟的在轨运行监测和下一代星载铷原子钟的抗辐射设计具有重要的作用。总剂量效应和剂量率效应只是空间辐射效应的一种，其他还有质子辐射、中子辐射、电子辐射、X射线辐射等引起的辐射效应(如移位损伤效应和晶格移位效应)及单独的宇宙射线离子或太阳质子引起的单粒子效应等，这些因素对星载原子钟的影响评估及加固方法都需要更深入地研究，并且要就物理系统和电路的特点分别加以研究，不断地提高星载原子钟可靠性和寿命。