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。     

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。     

质子在碳化硅中不同深度的非电离能量损失

利用蒙特卡罗方法,应用Geant4程序,模拟计算了1—500 MeV质子在碳化硅材料中的非电离能量损失,并研究了不同种类的初级反冲原子对非电离能量损失的贡献.模拟结果表明:在相同质子辐照下,碳化硅材料中的非电离能量损失要比硅、镓等半导体材料更小,说明碳化硅器件的稳定性更好,抗位移损伤能力更强;当靶材料足够厚时,在不同能量质子辐照下,材料损伤最严重的区域会随着质子入射能量的增加从质子射程末端逐渐前移到材料表面;不同种类的初级反冲原子对非电离能量损失的贡献表明,在低能质子辐照下,28Si和~(12)C是位移损伤的主要原因,而随着质子能量的增加,通过核反应等过程产生的次级离子迅速增多,并对材料浅层造成严重的位移损伤.     

CMOS器件60Coγ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60Coγ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60Coγ射线和带电粒子的电离辐射损伤情况.实验结果表明,60Coγ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;在5V栅压下,以60Coγ射线损伤最为严重,1MeV电子的辐射损伤与60Coγ射线差别不大,9MeV以下质子辐射损伤总是小于60Coγ射线,能量越低,损伤越小.     

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.     

辐照电子在光纤芯处能量沉积的计算

为了用尽可能低的辐照电子能量在光纤芯处形成大的性质改变,模拟了0.1～1 MeV能量的电子辐照二氧化硅.发现每一特定能量的电子辐照二氧化硅时,在其中有个能量沉积最快的位置.计算得到0.447 4 MeV能量的电子在单模光纤中心能量沉积最快,分析发现对于这个能量的电子多数可以穿透到光纤芯处,电子能量在光纤芯处的沉积主要是由于电子能量的减小造成的.这些结果可为用电子辐照光纤制作光器件时的初始电子能量选择提供参考.     

光波导-光纤自动调芯系统研究

设计了两种适用于光波导高精度自动对接耦合的调芯方案,从原理上克服了常规调芯过程中微变信号精确测试的困难。完成了调芯系统的光机电一体化、控制程序和接口界面。单模光纤作为标准波导的端面耦合自动凋芯试验显示,平均耦合损耗分别为0．075 dB(1310nm波长)和0．062 dB(1550nm波长),相应的标准误差分别为0．0099 dB和0．0066 dB．调芯过程在2min内完成。单模光纤-单模波导-单模光纤的对接耦合实验结果表明,端面耦合损耗平均值分别为0．140 dB(1310nm波长)和0．109 dB(1550nm波长),标准误差分别为0．0082dB和0．0107dB,调芯时间累计不超过8min。     

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。     

质子入射AlxGa1–xN材料的位移损伤模拟

氮化镓材料由于优良的电学特性以及耐辐照性能,其与不同含量Al_xGa_1–xN材料组成的电子器件,有望应用于未来空间电子系统中.然而目前关于氮化镓位移损伤机理研究多关注于氮化镓材料,对于Al_xGa_1–xN材料位移损伤研究较少.本文通过两体碰撞近似理论模拟了10 keV—300 MeV质子在不同Al元素含量的Al_xGa_1–xN材料中的位移损伤机理.结果表明质子在Al_xGa_1–xN材料中产生的非电离能损随质子能量增大而下降,当质子能量低于40 MeV时,非电离能损随着Al含量的增大而变大,当质子能量升高时该趋势相反;分析由质子导致的初级撞出原子以及非电离能量沉积,发现不同Al_xGa_1–xN材料初级撞出原子能谱虽然相似,然而Al元素含量越高,由弹性碰撞产生的自身初级撞出原子比例越高;对于质子在不同深度造成的非电离能量沉积,弹性碰撞导致的能量沉积在径迹末端最大,而非弹性碰撞导致的能...     

单模光纤中弯曲损耗的测试与分析

对单模光纤中弯曲损耗随弯曲半径(1～8 mm)和波长(1530～1565 nm)变化的实验进行了测试,结果显示弯曲损耗随弯曲半径和波长呈现振荡.理论分析表明由于光纤纤芯中的基模和在包层以及涂覆层中传播的Whispering-gallery模式之间的耦合,引起了弯曲损耗的振荡,理论分析结果和实验结果基本一致.     

Analysis of proton and γ-ray radiation effects on CMOS active pixel sensors

Radiation effects on complementary metal-oxide-semiconductor(CMOS) active pixel sensors(APS) induced by proton and γ-ray are presented. The samples are manufactured with the standards of 0.35 μm CMOS technology. Two samples have been irradiated un-biased by 23 MeV protons with fluences of 1.43 × 10~(11) protons/cm~2 and 2.14 × 10~(11) protons/cm~2,respectively, while another sample has been exposed un-biased to 65 krad(Si) ~(60)Co γ-ray. The influences of radiation on the dark current, fixed-pattern noise under illumination, quantum efficiency, and conversion gain of the samples are investigated. The dark current, which increases drastically, is obtained by the theory based on thermal generation and the trap induced upon the irradiation. Both γ-ray and proton irradiation increase the non-uniformity of the signal, but the nonuniformity induced by protons is even worse. The degradation mechanisms of CMOS APS image sensors are analyzed,especially for the interaction induced by proton displacement damage and total ion dose(TID) damage.     

Radiation-induced effects in polarization-maintaining optical fibers for interferometric gyroscope

Radiation-induced attenuation (RIA) in four types of polarization-maintaining optical fibers for interfer-ometric fiberoptic gyroscope (IFOG) at 1310 nm is measured. The measurements are conducted during and after steady-state γ-ray irradiation using a 60 Co source in order to observe significantly different RIA behavior and recovery kinetics. Mechanisms involving dopants and manufacturing process are introduced to analyze the RIA discrepancy as well as to guide the choice and hardening of optical fibers during the design of IFOG. Medium-accuracy IFOG using Ge–F-codoped fiber and pure silica core fiber can survive in the space radiation environment.     

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。     

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。     

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.     

A comparison of ionizing radiation damage in CMOS devices from 60Co gamma rays, electrons and protons

Radiation hardened CC4007RH and non-radiation hardened CC4011 devices were irradiated using 80Co gamma rays, 1 MeV electrons and 1--9 MeV protons to compare the ionizing radiation damage of the gamma rays with the charged particles. For all devices examined, with experimental uncertainty, the radiation induced threshold voltage shifts (△Vth) generated by 60Co gamma rays are equal to that of 1 MeV electron and 1-7 MeV proton radiation under 0 gate bias condition. Under 5 V gate bias condition, the distinction of threshold voltage shifts (△Vth) generated by 60Co gamma rays and 1 MeV electrons irradiation are not large, and the radiation damage for protons below 9 MeV is always less than that of 60Co gamma rays. The lower energy the proton has, the less serious the radiation damage becomes.     

3 MeV质子辐照对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的影响

研究了AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT)的质子辐照效应. 在3 MeV质子辐照下, 当辐照剂量达到1× 10¹⁵ protons/cm²时, 漏极饱和电流下降了20%, 最大跨导降低了5%. 随着剂量增加, 阈值电压向正向漂移, 栅泄露电流增加. 在相同辐照剂量下, 1.8 MeV质子辐照要比3 MeV质子辐照退化严重. 从SRIM软件仿真中得到不同能量质子在AlGaN/GaN异质结中的辐射损伤区, 以及在一定深度形成的空位密度. 结合变频C-V测试结果进行分析, 表明了质子辐照引入空位缺陷可能是AlGaN/GaN HEMT器件电学特性退化的主要原因.     

Fiber devices using polarization- maintaining fibers

Fiber devices using polarization-maintaining fibers called PANDA fibers are presented. They are polarization-maintaining couplers and polarization-splitting couplers, optical isolators and optical circulators, and multi/demultiplexers designed for 1.3 μm wavelength. Crosstalk of-32 dB and excess loss of 0.03 dB for the polarization-maintaining coupler, and polarization-splitting ratio of 17 dB and excess loss of 0.5 dB for the polarization-splitting coupler have been fabricated by a fusion-elongation method. A fiber polarizer with the extinction ratio of more than 40 dB has been presented by using the difference of bending loss between the orthogonal modes in the PANDA fibers. Multi/demultiplexer with narrow band-pass of 1.4 nm utilizing combination of PANDA fiber polarization dispersion and the polarization-splitting coupler has been realized. An optical isolator consisting of fiber polarizers and a spherical YIG with a lens function and an optical circulator consisting of polarizing-splitting couplers and spherical YIGs have been achieved.     

不同粒子辐射条件下CC4013器件辐射损伤研究

本文采用60 MeV Br离子、5 MeV质子和1 MeV电子等三种辐射源, 针对CC4013型互补金属氧化物半导体器件(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)进行辐射损伤研究. 通过Geant4程序计算了该器件电离辐射吸收剂量与芯片厚度的关系, 经过计算, 在相同注量下, 60 MeV Br离子的电离吸收剂量最大, 1 MeV电子产生的电离吸收剂量最小. 应用Keithley4200-SCS半导体特性分析仪在原位条件下研究了CC4013器件电性能参数随辐射吸收剂量的变化关系. 测试结果表明, 相同电离辐射吸收剂量下, 1 MeV电子对CC4013器件的阈值电压参数影响最大, 5 MeV质子其次, 60 MeV Br离子的影响最弱. 关键词： CMOS器件 高能带电粒子 电离辐射 辐射损伤     

Fiber devices using polarization- maintaining fibers

Fiber devices using polarization-maintaining fibers called PANDA fibers are presented. They are polarization-maintaining couplers and polarization-splitting couplers, optical isolators and optical circulators, and multi/demultiplexers designed for 1.3 μm wavelength. Crosstalk of-32 dB and excess loss of 0.03 dB for the polarization-maintaining coupler, and polarization-splitting ratio of 17 dB and excess loss of 0.5 dB for the polarization-splitting coupler have been fabricated by a fusion-elongation method. A fiber polarizer with the extinction ratio of more than 40 dB has been presented by using the difference of bending loss between the orthogonal modes in the PANDA fibers. Multi/demultiplexer with narrow band-pass of 1.4 nm utilizing combination of PANDA fiber polarization dispersion and the polarization-splitting coupler has been realized. An optical isolator consisting of fiber polarizers and a spherical YIG with a lens function and an optical circulator consisting of polarizing-splitting couplers and spherical YIGs have been achieved.