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。     

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.     

位移损伤诱发CMOS图像传感器电荷转移损失退化的理论模拟研究

以4T PPD（4个晶体管的钳位光电二极管）型CMOS图像传感器为研究对象，开展注量为1×10¹¹,3×10¹¹,5×10¹¹,7×10¹¹,1×10¹² neutron/cm²的中子辐照下损伤模拟的研究，建立CMOS图像传感器的器件模型和不同注量中子辐照后位移损伤的缺陷模型；采用相关双采样技术测量由亮到暗连续两帧时序脉冲下浮置节点（FD）的输出值，建立测量电荷转移损失（CTI）的模拟方法；获得CTI随中子辐照注量的变化关系，分析CTI随中子累积注量的变化规律，结合中子辐照效应实验验证中子辐照诱发CTI退化的理论模拟计算结果的有效性。研究结果表明，CMOS图像传感器的位移损伤敏感区域为空间电荷区域，中子辐照后会在空间电荷区中引入位移损伤缺陷，这些缺陷通过不断俘获和发射载流子，使信号电荷不能快速转移到FD中，造成电荷转移损失；电荷转移损失随着中子辐照注量的增加而增大，二者在一定范围内呈线性关系。     

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     

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.     

CCD质子辐照损伤效应的三维蒙特卡罗模拟

针对空间质子诱发CCD性能退化问题,开展了CCD质子辐照效应的三维蒙特卡罗模拟研究。采用三维蒙特卡罗软件Geant4模拟计算了不同能量质子在Si和SiO₂中的射程及Bragg峰,分析了不同能量质子在材料中能量沉积的过程,并将模拟结果与相关数据进行对比,模拟误差在5%以内。根据质子与材料相互作用的物理过程,选取了合适的Lindhard分离函数,添加合适的物理过程,模拟计算了不同能量质子在SiO₂中的电离能量损失和Si中的非电离能量损失,并将结果与国外相关数据进行对比。根据CCD的生产工艺参数,建立了单个像元的三维模拟模型,确定了质子辐照损伤的灵敏体积,模拟计算了不同能量质子在像元灵敏体积内的电离能量沉积与非电离能量沉积,分析了CCD不同能量质子的辐照损伤差异产生的机理。结合粒子输运计算结果与CCD质子辐照实验结果,分析了质子辐照诱发CCD辐射敏感参数退化的物理机制。     

质子与中子辐照对电荷耦合器件暗信号参数的影响及其效应分析

对科学级电荷耦合器件(charge-coupled device, CCD)进行了质子和中子辐照试验及退火试验, 应用蒙特卡洛方法计算了质子和中子在CCD中的能量沉积, 分析了器件的辐射损伤机理. 仿真计算了N⁺埋层内沉积的位移损伤剂量, 辐照与退火试验过程中主要考察暗信号的变化规律. 研究结果显示, 质子与中子辐照均会引发暗信号退化, 其退化的规律与位移损伤剂量变化一致; 退火后, 质子辐照所致CCD暗信号大幅度恢复, 其体暗信号增加量占总暗信号增加量的比例最多为22%; 中子辐照引发的暗信号增长主要为体暗信号. 质子和中子在N⁺埋层产生相同位移损伤剂量的情况下, 两者导致的体暗信号增长量相同, 质子与中子辐照产生的体缺陷对体暗信号增长的贡献是同质的.     

质子辐照电荷耦合器件诱导电荷转移效率退化的实验分析

开展了电荷耦合器件（CCD）质子辐照损伤的实验研究. 分析了质子辐照CCD后电荷转移效率的退化规律,阐述了质子辐照诱导电荷转移效率退化的损伤机理,比较了不同能量质子对电荷转移效率的损伤程度. 通过开展辐射粒子输运理论计算,分析了不同能量质子对电荷转移效率损伤差异的原因. 关键词： 电荷耦合器件 质子 辐照效应 电荷转移效率     

CMOS器件60Co γ射线、电子和质子电离辐射损伤比较

利用TRIM95蒙特卡罗软件计算了质子在二氧化硅中的质量阻止本领和能量沉积，比较了质子在二氧化硅中的电离阻止本领与核阻止本领，分析了质子在材料的表面吸收剂量与灵敏区实际吸收剂量的关系.利用⁶⁰Co γ射线、1MeV电子和2—9 MeV质子对CC4007RH和CC4011器件进行辐照实验，比较⁶⁰Co γ射线和带电粒子的电离辐射损伤情况.实验结果表明，⁶⁰Co γ射线、1MeV 电子和2—7MeV质子辐照损伤效应中，在0V栅压下可以相互等效； 关键词： γ射线 电子 质子 辐射损伤     

位移损伤剂量法评估空间GaAs/Ge太阳电池辐照损伤过程

本文针对GaAs/Ge太阳电池,利用位移损伤剂量法研究了其在轨服役条件下的性能退化行为.首先在地面模拟辐照环境中,试验获得了在不同能量的电子和质子辐照下的电池性能随辐照注量的退化行为.基于上述实验结果以及计算获得的带电粒子在电池中的非电离能量损失(NIEL)获得了不同能量电子辐照位移损伤的等效指数n为1.7,电子损伤剂量转化为质子损伤剂量等效系数为5.2,并进一步建立了电池性能随位移损伤剂量的退化方程.利用该方法对国产GaAs/Ge太阳电池在500,22000和36000 km轨道带电粒子辐 关键词： GaAs/Ge太阳电池 辐照损伤 带电粒子 位移损伤剂量     

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.     

质子辐照对纯铝薄膜微观结构的影响

利用透射电子显微镜(TEM)详细分析了不同剂量的质子辐照纯铝薄膜样品的微观结构, 质子的能量E=160 keV.实验表明,质子辐照能够在Al薄膜中诱发空位位错圈,在实验范围内,位错密度随辐照剂量的增加而增加;质子辐照在1×10¹¹—4×10¹¹/mm²范围内随辐照剂量的增加,位错圈数量密度以及位错圈尺寸都随之增加.在较高剂量6×10¹¹/mm²辐照下,位错圈数量密度减小,但其尺寸显著 关键词： 质子辐照 空位簇缺陷 位错圈 微观结构     

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.     

Mo/Si多层膜在质子辐照下反射率的变化

为了检验应用在极紫外波段空间太阳望远镜上Mo/Si多层膜反射镜在空间辐射环境下反射率的变化情况, 模拟了部分空间太阳望远镜运行轨道的辐射环境, 利用不同能量和剂量的质子对Mo/Si多层膜反射镜进行辐照实验.辐照前后反射率测量结果显示,由于带电粒子的辐照损伤,质子辐照会使Mo/Si多层膜反射镜的反射率降低,且质子能量越低、剂量越大,对多层膜的反射率影响越明显. 当质子能量E=160keV,剂量＝6×10¹¹/mm²时,反射率降低4.1%;能量E=100keV,剂量=6×10¹¹/mm²时, 反射率降低5.7%;能量E=50keV,剂量=8×10¹²/mm²时,反射率降低10.4%. 用原子力显微镜测量辐照后Mo/Si多层膜反射镜的表面粗糙度比辐照前明显增加,致使散射光线能量逐渐增大并最终导致反射率的降低. 关键词： 质子辐照 Mo/Si多层膜反射镜 辐照损伤     

GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池不同能量质子辐照损伤模拟

以GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池为研究对象,开展了能量为0.7, 1, 3, 5, 10 MeV的质子辐照损伤模拟研究,建立了三结太阳电池结构模型和不同能量质子辐照模型,获得了不同质子辐照条件下的I-V曲线,光谱响应曲线,结合已有实验结果验证了本文模拟结果,分析了三结太阳电池短路电流、开路电压、最大功率、光谱响应随质子能量的变化规律,利用不同辐照条件下三结太阳电池最大输出功率退化结果,拟合得到了三结太阳电池最大输出功率随位移损伤剂量的退化曲线.研究结果表明,质子辐照会在三结太阳电池中引入位移损伤缺陷,使得少数载流子扩散长度退化幅度随质子能量的减小而增大,从而导致三结太阳电池相关电学参数的退化随质子能量的减小而增大.相同辐照条件下,中电池光谱响应退化幅度远大于顶电池光谱响应退化幅度,中电池抗辐照性能较差,同时中电池长波范围内光谱响应的退化幅度比短波范围更大,表明中电池相关电学参数的退化主要来源于基区损伤.     

In0.53Ga0.47As/InP量子阱与体材料的1 MeV电子束辐照光致发光谱研究

为获得对In_0.53Ga_0.47As/InP材料在电子束辐照下的光致发光谱变化规律, 开展了1 MeV电子束辐照试验, 注量为 5×10¹²-9×10¹⁴ cm^-2. 样品选取量子阱材料和体材料, 在辐照前后, 进行了光致发光谱测试, 得到了不同结构In_0.53Ga_0.47As/InP材料在1 MeV电子束辐照下的不同变化规律; 对比分析了参数退化的物理机理. 结果显示: 试验样品的光致发光峰强度随着辐照剂量增大而显著退化. 体材料最先出现快速退化, 而五层量子阱在注量达到6×10¹⁴ cm^-2时, 就已经退化至辐照前的9%. 经分析认为原因有: 1)电子束进入样品后, 与材料晶格发生能量传递, 破坏晶格完整性, 致使产生的激子数量减少, 光致发光强度降低; 电子束辐照在材料中引入缺陷, 增加了非辐射复合中心密度, 导致载流子迁移率降低. 2)量子阱的二维限制作用使载流子运动受限, 从而能够降低载流子与非辐射复合中心的复合概率; 敏感区域截面积相同条件下, 体材料比量子阱材料辐射损伤更为严重. 3)量子阱的层数越多, 则异质结界面数越多, 相应的产生的界面缺陷数量也随之增多, 辐射损伤越严重.     

电荷耦合器件在质子辐照下的粒子输运仿真与效应分析

应用蒙特卡洛方法计算了质子在科学级电荷耦合器件(charge-coupled device, CCD) 结构中的能量沉积, 并结合该CCD的质子辐照试验及退火试验数据, 分析了器件的辐射损伤机理. 仿真计算体硅内沉积的位移损伤剂量和栅氧化层的电离损伤剂量, 辐照与退火试验过程中主要考察暗信号、电荷转移效率两个参数的变化规律. 研究结果显示, 暗信号和电荷转移效率的变化规律与位移、电离损伤剂量一致; 退火后暗信号大幅度降低, 辐照导致的表面暗信号增加占总暗信号增加的比例至少为80%; 退火后电荷转移效率恢复较小, 电荷转移效率降低的原因主要为体缺陷. 通过总结试验规律, 推导出了电荷转移效率退化程度的预估公式及其损伤因子k_damage.     

100 keV质子辐照对空间GaAs/Ge太阳电池光电效应的影响

利用空间环境模拟设备,用固定能量为100keV、注量为1×10⁹—3×10¹²cm^-2的质子,对空间实用GaAs/Ge太阳电池进行了辐照试验.利用伏安(I-V)特性、光谱响应和光致发光(PL)光谱测试,研究分析了电池的光电效应.试验表明,电池的各种电性能参数如短路电流(I_sc)、开路电压(V_oc)、最大输出功率(P_{m< 关键词： GaAs/Ge太阳电池 质子辐照 光电效应}     

等离子体密度对激光拉曼放大机理的影响

等离子体中的背向拉曼散射机理可以用来产生超短超强的激光脉冲. 本文采用粒子模拟方法模拟研究了等离子体密度对激光拉曼放大过程的影响. 研究发现, 过低的等离子体密度会导致等离子体波提前波破而降低能量转换效率; 而过高的等离子体密度又会导致其他不稳定性的快速增长, 限制作用距离和输出能量. 因此, 拉曼放大机理的最佳等离子体密度应处于等离子体波破的密度阈值附近, 可以获得最高的能量转换效率和能量输出. 另外, 空间频谱分析显示放大激光的强度饱和主要来自于自相位调制不稳定性的发展. 利用10¹³ W·cm^-2的抽运激光脉冲, 模拟证实拉曼放大机理可有效地将种子激光的强度从10¹³ W·cm^-2 放大到10¹⁷ W·cm^-2, 脉宽压缩到40 fs, 且能量转换效率达到58%.