暗物质粒子探测卫星BGO量能器前端电子学抗辐射可靠性的研究

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暗物质问题是粒子物理和宇宙学的研究热点之一。我国正在研制暗物质粒子探测卫星,通过高分辨测量高能电子和γ射线的能谱和空间分布来进行暗物质粒子探测,以期望在这一前沿科学领域取得突破。  暗物质粒子探测卫星将运行在500 km的近地轨道,设计寿命三年以上,空间辐射环境是星载电子学设备可靠性的重要威胁之一。  BGO量能器是暗物质粒子探测卫星关键有效载荷之一,由308根BGO晶体组成14层探测器阵列,每根晶体两端各耦合一个光电倍增管(PMT),每个PMT的2、5和8打拿极引出,因此一共有1848个探测器信号需要测量。在功耗、重量和空间都严格受限的卫星平台,如何实现性能和抗辐射的平衡是BGO量能器前端电子学面临的关键设计挑战之一。  本论文以BGO量能器前端电子学的抗辐射设计为研究对象,主要内容安排如下:  第一章对空间暗物质粒子探测的物理意义、暗物质粒子探测卫星的科学目标和设计方案、以及关键有效载荷BGO量能器进行介绍。  第二章描述了辐射环境和主要辐射效应,分析了暗物质粒子卫星的辐射环境,介绍了单粒子效应和总剂量效应评测方法和抗辐射加固技术。  第三章对国际上主要空间粒子探测器的抗辐射设计方法进行研究,指出了抗辐射可靠性是空间粒子探测器电子学系统面临的的主要挑战之一,进而对BGO量能器前端电子学抗辐射设计需求进行分析。  第四章对BGO量能器前端电子学的关键元器件VA160、VATA160和FPGA进行抗辐射性能评估。  第五章研究抗辐射加固技术在BGO量能器前端电子学的应用。通过采取多种抗辐射加固措施,有效降低了前端电子学发生辐射故障的几率,也减轻了辐射故障的严重程度,提高了前端电子学的抗辐射可靠性。  第六章从BGO量能器前端电子学单机层次分析抗辐射可靠性。  经元器件级、板级和单机级的辐射评估和防护设计工作,任何辐射效应可能诱发的故障都被屏蔽或者纠正,BGO量能器前端电子学抗辐射可靠性达到空间应用需求。
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