星载抗辐照单光子探测器研究
图 1.1 地球轨道空间辐照环境(May 2017)
银河宇宙射线是来自太阳系以外银河系的各向相同的辐射粒子，其中98%是质子和重粒子，2%是电子及正电子，能谱范围从几十MeV到
，能谱峰值在1GeV附近(Rees and Sargent 1968)。地球辐射带由地球磁场捕获的电子、质子和少量低能重粒子组成，最初由范艾伦（Van Allen）发现，因此也称为艾伦辐射带。地球近似为一个磁偶极子，其磁场两极强、中间弱，构成了一个天然的磁瓶。地球磁瓶捕获靠近地球的电子、质子等辐射粒子，一方面保护了地球上面的生物免受辐照的伤害；但在另一方面，也增加了地球周围空间的辐射强度，使得地球轨道的辐射环境进一步恶化。太阳高能粒子是由太阳耀斑和日冕状物质抛射（CMEs, coronal mass ejections）活动发射出来的辐射粒子，包括电子、质子和一些重粒子。目前除了知道太阳活动具有11年的周期性外，还没有和观测相符的、可用于太阳活动预测的非常准确的理论模型。因此太阳活动（Solar Particle Events, SPE）被看着是随机的，每次太阳活动的能谱分布、粒子通量以及持续时间都不相同。
空间环境中辐照粒子源和类型较多，通过屏蔽、轨道规避等措施可以在一定程度上降低等效辐照通量。例如，航天器金属外壳可以有效屏蔽低能电子；通过选择低倾角和较低高度轨道，可以有效避开地球辐射带辐照通量较大的区域，大大减少航天器在轨受到的辐照剂量。这就要求对地球轨道空间辐照分布、不同类型及能量的粒子对光电器件、生物的影响进行研究。
辐照对航天器电子的影响包括对外部表面的影响以及对内部光电器件的影响，外部影响如太阳能电池性能的退化以及绝缘材料带静电，可能会导致瞬时的高压电弧放电而对航天器内部光电器件或生物造成损伤。对内部光电器件的影响包括对半导体材料的离子化损伤、对晶格型半导体的累积位移损伤以及单个高能宇宙射线粒子或者高能质子产生的瞬态离子化轨迹损伤等(Stassinopoulos and Raymond 1988)。单个高能宇宙射线粒子或者高能质子由于数量较少，对光电器件产生损伤的概率较小，一般不用特别考虑。绝大部分单光子探测器都是晶格型材料，如硅APD，累积位移损伤是影响探测器性能的主要因素(Sun and Dautet 2001)。对于多数带电辐照粒子，其在造成位移损伤的同时，也会产生离子化损伤。离子化损伤是由于带点重粒子、质子、电子使得材料里面原本中性的原子带电荷，改变材料的物理性能；位移损伤则是由重粒子、质子以及中子这类重子，依靠自身动能将材料晶格里面原子撞离原来的位置，造成材料内部晶格缺陷，引起材料内部电子能带的变化而改变材料的电性能。离子化损伤一般是短暂的，可以通过外部电荷恢复材料复原来的电中性，材料导电性能越好，恢复时间越快。位移损伤主要针对具有晶格结构的材料，对于非晶格材料位移损伤对其性能基本没有影响。
单光子探测器主要性能指标包括：探测效率、暗计数率、时间抖动以及后脉冲等。针对辐照对硅APD单光子探测器性能的影响，世界上多个小组对多种型号的硅APD单光子探测器进行了地面辐照模拟测试以及在轨应用(Sun, Reusser et al. 1997, Sun and Dautet 2001, Tan, Chandrasekara et al. 2013, Tan, Chandrasekara et al. 2015, Anisimova, Higgins et al. 2017)，在辐照剂量不是非常高（低于
50Mev质子等效剂量），辐照主要影响硅APD单光子探测器的暗计数，对其它参数，如探测效率、雪崩电压以及时间抖动等参数基本没有影响。硅APD单光子探测器的暗计数随辐照剂量的增加基本呈线性增加，到目前为止，在轨最好的硅APD单光子探测器每天暗计数增量约50cps/天(Sun, Krainak et al. 2004, Sun, Spinhirne et al. 2006)，远不能满足高衰减链路星地量子通信对暗计数低于200cps的要求(Bourgoin, Meyer-Scott et al. 2013)。
针对空间辐照环境，有效的辐照防护措施可以大大降低在轨光电器件和人员受到的辐照剂量。目前对于常用的辐照防护办法主要是增加金属屏蔽层、选择较低的和可以有效避开地球辐射带的低倾角轨道以及控制在轨时间等措施(Globus and Strout 2015)。金属屏蔽层可以有效屏蔽电子这类低能粒子，但是由于空间辐照粒子种类多、能量谱宽，对于像质子、中子这类高能粒子，金属屏蔽效果十分有限。另外，高能粒子在和屏蔽材料相互作用后，能量虽然有所降低，但增加屏蔽厚度的同时也会产生更多的次级辐射粒子，这些次级辐射粒子同样会对屏蔽层保护的目标造成辐照损伤。
为了通过卫星平台实现地球上尽可能多的点之间的量子通信，卫星轨道倾角一般比较大，如倾角为90°的太阳同步轨道；同时，为了让卫星经过地面站的每一轨时量子通信的时间尽可能长，这就要求卫星的轨道不能太低。在这种情况下，卫星会不可避免地穿过地球辐射反常区，星载硅APD单光子探测器会受到较大辐照剂量。针对星载硅APD单光子探测器，需要在增加金属屏蔽的基础上进一步研究抗辐照措施，如降低工作温度、高温退火等措施，进一步提高星载硅APD单光子探测器的抗辐照性能。
另外，由于卫星载荷的特殊性-处理硬件故障无法维修，在满足探测性能指标的前提下，对星载硅APD单光子探测器的可靠性具有非常高的要求，需要星载硅APD单光子探测器在卫星任务期内可够可靠地工作。
轨道空间辐照对航天器及其内部光电器件的影响以及如何防护是航天任务中必须考虑的问题，但是过度的防护会增加发射任务成本和难度，因此准确评估航天器在轨器件的辐照剂量及其对应的恰当防护措施具有重要意义。地球轨道空间辐照环境辐照粒子种类多、能谱分布较广，GCR中除了85%的质子和14%的氦核以外，还包括1%的重粒子（核子数大于2，也称为HZE粒子），如碳核、铁核等(Benton and Benton 2001)，这些重核带电，对材料有很强的离子化效应，能谱范围从10 MeV/核子延伸到106 MeV/核子；由于地球磁场的影响，太阳非活跃期间其背景辐照对地球轨道空间影响较小，但是在太阳粒子事件期间，其辐照强度比平时要高
个数量级，其组成90%是高能质子，其能谱分布从1MeV到几百MeV，如图 1.2所示，每次太阳粒子事件质子能谱分布基本一样。但是，由于地球磁场的影响，GCR和SEP的大部分高能粒子被地球磁场偏转或者屏蔽掉，大大减少对低轨卫星、航天器的影响。
图 1.2 多次太阳粒子事件质子能谱分布(Schimmerling 2012)
由于地球炙热外核液态的铁、镍及其氧化物不断的流动，地球相当于一个磁偶极子，两极强中间弱，形成了一个天然的磁瓶，两极相当于两个磁镜。GCR或SEP中能量较低的质子和电子进入地球磁场后，被地球磁场捕获。这些电子和质子沿磁力线作来回做螺旋运动，从而形成地球辐射带（Earth’s trapped radiation Belts. ERBs），如图 1.3所示。
图 1.3 地球辐射带中质子和电子分布及其运动(Benton and Benton 2001)
捕获电子辐射带包括内带和外带2个带，内电子辐射带高度延伸到约2.4个地球半径（RE, Earth radii），能谱主要分布在5MeV以下；外电子辐射带主要分布在
个地球半径这个范围内，能谱在7MeV以内，电子流密度比内带高约1个数量级。由于电子辐射带的电子能量较低，航天器的外壳（如3mm铝板）基本可以完全屏蔽掉其对舱内电子元器件、生物的辐照影响。捕获质子辐射带只有一个区域，分布在距离地球表面约
的区域，并且质子流密度随高度上升呈指数急剧下降(Badhwar 1997)，能谱主要分布在几MeV到几百MeV之间，峰值在
区域。一般低轨道航天器不会穿过捕获质子辐射带区域，如国际空间站（ISS，International Space Station）轨道高度在400 km左右，理论上不会受到地球辐射带的影响。但是，由于地磁南北极偏离地理南北极11.5°，在南大西洋靠近巴西的上方形成了一个反常区（SAA, south Atlantic Anomaly），如图 1.4所示。在SAA这个区域，地磁场高度下降导致捕获质子带下降，从而导致低轨道航天器受到地球捕获质子带的辐照影响，如轨道高度为400 km、倾角51.64°的国际空间站受到的大部分辐射都来自SAA区域(Globus and Strout 2015)，SAA对轨道倾角为零的低轨道航天器基本没有影响。
图 1.4 地球辐射带反常区在500km高度辐照强度分布
捕获电子辐射带内带和捕获质子辐射带粒子密度相对比较稳定，目前大部分地球辐射带模型都是基于静态AP-8(Sawyer and Vette 1976)、AE-8(Vette 1991, Vette 1991)质子和电子不同能量的通量分布图来进行计算，并且不断采用卫星轨道辐照监测数据进行修正改进，并且大多数模型可以通过在线网站访问，计算所关注轨道的辐照剂量，目前常用SPENVIS（Space Environment Information System）(Kruglanski, Messios et al. 2009)进行轨道辐照剂量评估。
地球捕获辐照质子对于硅APD的损伤包括离子剂量损伤和累积位移损伤，由于硅APD是结器件，对离子剂量损伤不敏感(Sun, Reusser et al. 1997)，这里主要关注累积位移损伤，累积位移损伤会导致工作于线性模式硅APD的暗电流或工作于盖革模式硅APD的暗计数增加。累积位移损伤一般通过粒子在材料中损失的能量来计量，即非离子化能量损失（Nonionizing Energy Loss ,NIEL）。不同能量的质子对硅材料的NIEL如图 1.5所示，可见对于质子（>1keV）而言，能量越大，对硅材料的损伤效果越低，如50 MeV的质子损伤能力是10 MeV质子损伤能力的0.0043/0.00943=45.6%。
图 1.5 不同能量质子在硅材料中的NIEL(Jun, Xapsos et al. 2003)
由于轨道空间中辐照质子能谱分布较宽，在地面实验室里辐照模拟测试中不可能遍历能谱上所有质子，一般都是采用AP-8质子模型和质子在材料中的NIEL将辐照剂量归一化到单一能量质子剂量。由于太阳活动对地球磁场的影响，在太阳活跃期和非活跃期地球辐射带的粒子通量有较大的变化，太阳非活跃期SAA区域质子通量是太阳活跃期的5倍左右(Badhwar 1997)，这里考虑恶劣辐照条件下，即太阳非活跃期探测器在轨器件的辐照剂量，采用AP8-min质子模型来进行评估计算。
