质子辐照对国产“一”字型保偏光纤损伤效应研究

航天器在空间环境中运行时,会受到质子的辐照,光纤环作为航天器上光纤陀螺的重要组成部件受辐照影响 最为严重.为了研究国产“一”字型保偏光纤因质子辐照导致辐照诱导损耗的变化规律及其辐照损伤机理, 选择质子能量为5 MeV和10 MeV,光源波长为1310 nm,原位测量了光纤传输功率变化情况,计算出辐照诱导损耗. 利用SRIM软件,模拟能量分别为5 MeV和10 MeV质子辐照在光纤中的电离和位移损伤分布.借助X 射线光电子能谱仪分析辐照前后O 1s和Si 2p解析谱,借助傅里叶变换红外光谱仪观察光纤辐照前后光谱变化情况研究发现,在波长为1310 nm处, 光纤的辐照诱导损耗随着质子注量的增加而增长,主要原因是由于光纤纤芯中Si-OH的浓度增加所导致. 而且能量为5 MeV质子辐照造成光纤的辐照诱导损耗比10 MeV严重,这是因为5 MeV质子在光纤纤芯处造成的 位移和电离损伤均比10 MeV严重,即产生的Si-OH数量多.     

用于质子和伽马射线探测的金刚石薄膜探测器的辐照性能

 研制出CVD金刚石薄膜探测器,在国家串列加速器和⁶⁰Co稳态辐射源上分别完成了该探测器对9 MeV质子束流和1.25 MeV γ射线的辐照性能研究。结果表明:该探测器在9 MeV质子照射累积强度达到10¹³ cm^-2时,探测器信号电荷收集效率减小量低于3.5%,辐照前后探测器暗电流没有明显变化。计算得到9 MeV质子对该探测器的损伤系数为1.3×10^-16 μm^-1·cm²。由于γ射线与金刚石作用产生的电子起到了填补缺陷的作用,探测器信号电荷收集效率随γ射线照射剂量的增加略有增加,在γ射线累积照射量达到10.32 C/kg时,其增幅小于0.7%。说明金刚石薄膜探测器具有较高耐辐照强度,适用于高强度辐射测量领域。     

ns激光辐照硅光电探测器的损伤阈值

以He-Ne激光作为参考光,采用反射光能量法,测量了ns激光辐照硅光电探测器的损伤阈值,并测量了不同功率密度的强激光辐照下探测器对参考光的反射率.实验结果表明,ns激光辐照硅光电探测器的损伤阈值为4.1×106W/cm2,在探测器被强激光损伤的初期阶段,探测器对参考光的反射率下降很快,继续增加入射激光的能量,探测器对参考光的反射率下降趋于平缓.     

不同能量质子辐照诱发CCD图像传感器性能退化实验与分析

为了评估电荷耦合器件(CCD)在空间科学探测以及航天卫星成像等空间辐射环境中应用的可靠性,揭示了CCD转换增益以及线性饱和输出等重要性能参数的退化机制及其实验规律。辐照实验在质子回旋加速器上进行,质子能量为60 MeV和100 MeV,质子注量分别为1×10¹⁰ cm^-2、5×10¹⁰ cm^-2和1×10¹¹ cm^-2。将CCD的主要性能参数在两个不同能量质子辐照后进行比较,实验结果表明,CCD的性能参数对质子辐照产生的电离损伤和位移损伤非常敏感,辐照后转换增益和线性饱和输出明显下降,且暗信号尖峰和暗电流明显增大。此外,分析了质子辐照CCD诱发的电离损伤和位移损伤,给出了CCD性能参数退化与质子辐照能量和注量的变化关系曲线。     

4H-SiC NMOS电子、质子辐照数值模拟

 分析了高能电子、质子对4H-SiC的损伤机理,建立了4H-SiC NMOS器件物理模型。电子、质子辐照效应模型。应用ISE-TCAD软件进行数值模拟计算,得出在能量为2.5 MeV、注量为5×10¹³ cm^-2的电子辐照及能量为6.5 MeV、注量为2×10¹⁴ cm^-2的质子辐照下,4H-SiC NMOS转移特性曲线和亚阈值漏电流曲线变化的初步规律。数值模拟结果与相同条件下Si NMOS实验结果吻合较好。     

增强型Cascode结构氮化镓功率器件的高能质子辐射效应研究

针对增强型共栅共源(Cascode)级联结构和耗尽型AlGaN/GaN功率器件,利用60 MeV能量质子开展辐射效应研究.获得了经质子辐照后器件电学性能的退化规律,并与常规耗尽型HEMTs器件辐照后的电学性能进行了比较,发现增强型Cascode结构器件对质子辐照更加敏感,分析认为级联硅基MOS管的存在是其对质子辐照敏感的主要原因.质子辐照使硅基MOS管栅氧化层产生大量净的正电荷,诱导发生电离损伤效应,使其出现阈值电压负向漂移及栅泄漏电流增大等现象.利用等效(60 MeV能量质子,累积注量1×10¹² p/cm²)剂量的⁶⁰Co γ射线辐射器件得到电离损伤效应结果,发现器件的电学性能退化规律与60 MeV能量质子辐照后的退化规律一致.通过蒙特卡罗模拟得到质子入射在Cascode型器件内诱导产生的电离能损和非电离能损,模拟结果表明电离能损是导致器件性能退化的主要原因.     

CMOS图像传感器在质子辐照下热像素的产生和变化规律

应用于空间的图像传感器在辐射影响下产生的热像素严重影响空间光电探测性能,本文通过质子辐照试验研究了热像素的产生和变化规律。首先,使用3 MeV和10 MeV两种能量的质子对图像传感器进行辐照,分析不同能量、不同注量的质子辐照产生热像素的性质;其次,再对辐照后的器件进行退火试验,分析热像素的退火规律。对于相同注量辐照,3 MeV质子辐照下热像素产生率大约是10 MeV质子辐照下的2.3倍,但是10 MeV质子辐照产生热像素的灰度值高于3 MeV质子;辐照过程中热像素的数量都是随着注量的增加线性增加。退火过程中,热像素数量都不断减少,而3 MeV质子辐照产生的热像素相比于10 MeV质子,退火更为显著。结果表明,质子辐照下每个质子与器件之间的作用过程及产生缺陷的机制是相对独立的,不同质子的作用过程之间没有相关性。不同能量的质子辐照产生缺陷的类型不同,导致热像素具有不同特性。     

拟南芥胚的不同区域对MeV离子辐照的响应

利用不同能量的质子在大气环境中辐照拟南芥的含水种子，能量从1.1MeV到6.5MeV.根据模拟计算结果，相应能量的离子对种子的损伤区域分别为胚的浅层、胚的一半和整个胚.本实验中，具有较高能量的质子可以完全均匀地作用于拟南芥生长、发育及遗传密切相关的胚茎端分生组织，而能量较低的质子则不能直接作用于茎端分生组织.实验所用质子注量范围为4×10⁹ions/cm²—1×10¹⁴ions/cm².实验结果显示，虽然拟南芥种子的发芽率和幼苗存活率随离子注量增加都呈现下降的趋势，但对应于不同的胚损伤区域，即在不同的入射质子能量条件下，注量曲线具有各自的特征.实验结果显示，拟南芥种子中除了胚茎端分生组织作为对离子辐照敏感的辐射主靶外，茎端分生组织之外的胚区域可能作为离子辐射次靶，影响到最终的辐射生物学效应. 关键词： 离子辐照 拟南芥 胚区域 生物效应     

集成大面积光电探测器接收芯片的优化设计

通过仿真优化探测器的结构参数和性能,设计了基于0.25 μm标准BCD (Biplor,CMOS and DMOS)工艺的大面积多叉指状PIN光电探测器.选择已优化的大面积光电探测器用于和跨阻放大器以及后端放大器单片集成,采用0.25 μm BCD工艺实现了一个用于650 nm塑料光纤通信的单片集成光接收芯片.结果表明:多叉指状PIN光电探测器对650 nm入射光的响应度提高至0.260 A/W,其结电容降低至4.39 pF.对于650 nm的入射光,在速率250 Mb/s、误码率小于10-9的条件下,光接收芯片的灵敏度为-23.3 dBm,并得到清晰的眼图.该光电探测器可用于宽带接入网中的高速塑料光纤通信系统的光接收芯片中.     

975 nm量子阱激光二极管的质子位移损伤

针对典型卫星轨道辐射环境下激光二极管(LD)的可靠性评估问题，对自研的975 nm GaAs基量子阱(QW)LD开展了10 MeV质子、3×10⁸～3×10¹¹ cm^-2注量的地面模拟辐照实验。结合蒙特卡罗软件仿真模拟和数学分析方法，全面研究了器件位移损伤退化规律，以及不同注量、不同辐照缺陷对器件功率特性、电压特性和波长特性等关键参数的影响。结果显示，质子辐照会引入非辐射复合中心等缺陷并破坏界面结构，导致载流子浓度降低、光电限制能力下降，宏观上体现为器件阈值电流增加、输出功率下降、波长红移和单色性受损。同时，3×10¹⁰ cm^-2以上注量的10 MeV质子等效位移损伤剂量辐照会对975 nm QW LD性能产生较大影响。     

γ射线及质子辐照导致CCD光谱响应退化的机制

光谱响应是表征CCD性能的重要参数。为了研究辐射环境对CCD光谱响应产生影响的规律及物理机制,开展了不同粒子辐照实验,对CCD光谱响应曲线的退化形式及典型波长下CCD光响应的退化情况进行了分析。辐射效应对CCD光谱响应的影响可以分为电离总剂量效应和位移效应导致的退化,本文从这两种辐射效应出发,采用⁶⁰Co-γ射线及质子两种辐照条件,研究了CCD光谱响应的退化规律。针对460 nm（蓝光）和700 nm（红光）等典型CCD光响应波长,从辐射效应导致的损伤缺陷方面分析了CCD光谱响应退化的物理机制。研究发现,在⁶⁰Co-γ射线辐照时CCD光谱响应曲线变化是由于暗信号增加导致的,而质子辐照导致CCD对700 nm波长的光响应退化明显大于460 nm波长的光响应,且10 MeV质子导致的损伤比3 MeV质子更明显,表明位移损伤缺陷易导致CCD光谱响应退化。结果表明,电离总剂量效应主要导致CCD光谱响应整体变化,而位移效应则导致不同波长光的响应差异增大。     

集成大面积光电探测器接收芯片的优化设计（英文）

通过仿真优化探测器的结构参数和性能,设计了基于0.25μm标准BCD(Biplor,CMOS and DMOS)工艺的大面积多叉指状PIN光电探测器.选择已优化的大面积光电探测器用于和跨阻放大器以及后端放大器单片集成,采用0.25μm BCD工艺实现了一个用于650nm塑料光纤通信的单片集成光接收芯片.结果表明:多叉指状PIN光电探测器对650nm入射光的响应度提高至0.260A/W,其结电容降低至4.39pF.对于650nm的入射光,在速率250 Mb/s、误码率小于10-9的条件下,光接收芯片的灵敏度为-23.3dBm,并得到清晰的眼图.该光电探测器可用于宽带接入网中的高速塑料光纤通信系统的光接收芯片中.     

电子辐射环境中NPN输入双极运算放大器的辐射效应和退火特性

本文对不同偏置下的NPN输入双极运算放大器LM108分别在1.8 MeV和1 MeV两种电子能量下、不同束流电子辐照环境中的损伤特性及变化规律进行了研究, 分析了不同偏置状态下其辐照敏感参数在辐照后三种温度 (室温, 100 ℃, 125 ℃) 下随时间变化的关系, 讨论了引起电参数失效的机理, 并且分析了器件在室温和高温的退火效应以讨论引起器件电参数失效的机理. 结果表明, 1.8 MeV和1 MeV 电子对运算放大器LM108主要产生电离损伤, 相同束流下1.8 MeV电子造成的损伤比1 MeV 电子更大, 相同能量下0.32 Gy(Si)/s束流电子产生的损伤大于1.53 Gy(Si)/s束流电子. 对于相同能量和束流的电子辐照, 器件零偏时的损伤大于正偏时的损伤. 器件辐照后的退火行为都与温度有较大的依赖关系, 而这种关系与辐照感生的界面态密度增长直接相关.     

双束质子辐照砷化镓光电导探测器的I-V特性

 对用能量为7.5MeV和20MeV,注量为10¹¹～10¹³cm^-2的质子辐照后的砷化镓材料制作的光电导探测器的光电流和暗电流进行了测试，并由此推得电导率的变化。结果表明，经过能量为7.5MeV的质子改性后的砷化镓探测器相对于未改性的附加光电导率Δσ减少，而且随着辐照注量的增加而越小，而对于先用能量为20MeV质子辐照后再用能量为7.5MeV的质子辐照的砷化镓材料制作的探测器，其附加光电导率Δσ的减少则更为明显。对上述现象进行了分析，并根据其相应关系预测了该种探测器的响应时间、灵敏度、拖尾现象及受X射线激发的输出脉冲的后延的变化情况。     

MSM结构GaAs探测器的抗辐照性能

研究一种双金属接触的GaAs半导体探测器在14MeV中子辐照下的性能.测量了探测器经过10¹²n/cm²中子辐照剂量后的反向漏电流、电荷收集效率和最小电离粒子能谱,并且与⁶⁰Co 1.25MeV光子辐照的测量结果相比较.对中子辐照引起探测器时间性能变化和辐照损伤机制进行了探讨.并根据实验结果提出了这种双金属接触GaAs探测器灵敏层分布的一种假设,理论计算和实验数据相符合.     

100 MeV质子束流品质诊断及剂量测量准确性评估方法研究

质子辐射生物学效应是太空放射生物学和质子束放疗研究的重要基础,可为空间环境下人员的危险性评估以及质子治疗优化设计提供科学依据。依托加速器建立相应的生物样本辐照技术是开展此类研究的前提条件。中国原子能科学研究院最近建立的100 MeV强流质子回旋加速器提供的中能质子束流为目前国内能量最高,特别适合用于太空放射生物学和质子治疗相关研究。本研究中,利用在束和离线等多种手段建立了中能质子束流诊断和剂量测量方法,对加速器引出的100 MeV质子照射野大小、均匀性等束流品质以及剂量测量系统准确性进行了分析和评估。结果表明,对光子剂量响应好的LiF(Mg, Ti)热释光探测器,对90 MeV质子同样具有良好的剂量响应关系,可作为中能质子剂量准确性评估的手段之一。在5.0 cm×5.0 cm照射野范围内,加速器引出的100 MeV质子束流的均匀性好于90%,在线剂量测量系统准确性好于93%,束流品质和剂量测量条件基本满足辐射生物学的要求,可为质子辐射生物学效应研究的开展提供可靠保障。     

多量子阱激光二极管质子辐射效应及其退火特性

 研究5和2 MeV质子对法布里-珀罗（FP）腔结构及分布反馈（DFB）结构的多量子阱激光二极管的辐射效应,结果显示：在5×10¹²～5×10¹³ cm^-2质子注量范围内,随着注量的增大,激光二极管阈值电流逐渐增大,电流-电压特性的低压区电流渐渐增大。由60Coγ总剂量实验结果推断:质子对实验器件的损伤源于质子位移效应。采用Trim程序的模拟结果表明：在2 MeV质子射程以内,2 MeV质子要比5 MeV质子产生的空位数多。这使得相同辐照注量下,2 MeV质子要比5 MeV质子导致的阈值电流增大更多,损伤更为严重。激光二极管辐射损伤存在着正向偏置退火效应,FP和DFB结构的二极管具有相似的加电退火规律,均可拟合成指数衰减形式,退火曲线可以分成退火常数不同的几段进行拟合。正向偏置退火效应使得辐照期间,处于加电状态的激光二极管比处于短路状态的激光二极管退化程度有所减弱。     

中能质子注量率测量

质子是太空辐射环境中的主要粒子成分,随着半导体工艺向着小尺寸高集成度方向不断发展,质子单粒子效应不容忽视.通过加速器模拟空间辐射进行地面实验是评价质子单粒子效应最重要的手段,质子注量率的准确测量是器件考核评估过程中最关键的环节.本文基于原子能院100MeV质子单粒子效应辐照装置,突破了宽量程中能质子注量率测量技术,开发了法拉第筒、塑料闪烁体探测器和二次电子发射监督器等探测工具,可以对束流进行宽量程范围准确测量,解决了质子注量率在10~6—10~7 p·cm^-2·s^-1范围内难以测量的关键难题,并进行了注量率不确定度的分析研究,同一注量率下法拉第筒和塑料闪烁体探测器的实验测量误差与理论分析误差相符.对中能质子注量率测量达到了国际同类装置水平.该研究建立的中能质子注量率测量系统和不确定度分析方法,为准确评估元器件辐射效应奠定了基础.     

质子辐照CH3NH3PbI3基钙钛矿太阳能电池的损伤效应

针对钙钛矿太阳能电池(PSCs)的空间应用,研究了动能为0.1—20.0 MeV的质子在CH₃NH₃PbI₃(简称MAPbI₃)薄膜及其太阳能电池中引起的损伤效应.结果表明, PSCs具有良好质子辐照稳定性,当0.1 MeV(2.0 MeV)质子的注量超过1×10¹³ p/cm² (1×10¹⁴ p/cm²)时,才会引起电池光电性能的降低. PSCs载流子传输层的辐照退化可能是造成电池性能降低的主要原因. MAPbI₃中的有机成分MAI会在质子辐照作用下发生分解,分解产生的气态产物(NH₃和CH₃I)将最终导致PSCs表面金电极的剥落.对于具有更大离子射程的10 MeV和20 MeV质子,入射质子会在PSCs的玻璃基底中产生色心缺陷,造成玻璃对可见光透射率的降低.色心缺陷可以在室温或100℃条件下发生热退火,降低玻璃的透射损失.     

质子辐照导致科学级电荷耦合器件电离效应和位移效应分析

针对卫星轨道上的空间环境辐射引起电子元器件参数退化问题, 为了研究光电器件空间辐射效应、损伤机理以及参数退化规律, 对某国产埋沟科学级电荷耦合器件(charge-coupled devices, CCD)进行了10 MeV质子辐照试验、退火试验及辐射效应理论模型研究. 试验过程中重点考察了器件的暗信号和电荷转移效率特性的变化. 试验结果表明, 器件的主要性能参数随着质子辐照注量的增大明显退化, 在退火过程中这些参数均有不同程度的恢复. 通过对CCD敏感参数退化规律及其与器件工艺、结构的相关性进行分析, 并根据半导体器件辐射效应理论, 推导了器件敏感参数随质子辐照注量变化的理论模型, 得到了暗信号及电荷转移效率随辐照注量退化的半经验公式. 上述工作可为深入开展CCD抗辐射性能预测、抗辐射工艺改进与结构优化提供重要参考.