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     

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.     

电荷耦合器件的γ辐照剂量率效应研究

对电荷耦合器件进行了不同剂量率的γ辐照实验,通过多种参数的测试探讨了剂量率与电荷耦合器件性能退化的关系,并对损伤的物理机理进行分析。辐照和退火结果表明:暗信号和暗信号非均匀性是γ辐照的敏感参数,电荷转移效率和饱和输出电压随剂量累积有缓慢下降的趋势;暗场像素灰度值整体抬升,像元之间的差异显著增加;电荷耦合器件的暗信号增量与剂量率呈负相关性,器件存在潜在的低剂量率损伤增强效应。分析认为,剂量率效应是由界面态和氧化物陷阱电荷竞争导致的。通过电子-空穴对复合模型、质子输运模型和界面态形成对机理进行了解释。     

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.     

CMOS有源像素传感器的中子辐照位移损伤效应

为研究空间高能粒子位移损伤效应引起的星用CMOS图像传感器性能退化,对国产CMOS有源像素传感器进行了中子辐照试验,当辐射注量达到预定注量点时,采用离线的测试方法,定量测试了器件的暗信号、暗信号非均匀性、饱和输出电压、像素单元输出电压等参数的变化规律。通过对CMOS图像传感器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,深入研究了器件参数退化机理。试验结果表明,暗信号和暗信号非均匀性随着中子辐照注量的增大而显著增大,饱和输出电压基本保持不变。暗信号的退化是因为位移效应在体硅内引入大量体缺陷增加了耗尽区内热载流子产生率,暗信号非均匀性的退化主要来自于器件受中子辐照后在像素与像素之间产生了大量非均匀性的体缺陷能级。另外,还在样品芯片上引出了独立的像素单元测试管脚,测试了不同积分时间下像素单元输出信号。     

CMOS有源像素传感器的中子辐照位移损伤效应

为研究空间高能粒子位移损伤效应引起的星用CMOS图像传感器性能退化,对国产CMOS有源像素传感器进行了中子辐照试验,当辐射注量达到预定注量点时,采用离线的测试方法,定量测试了器件的暗信号、暗信号非均匀性、饱和输出电压、像素单元输出电压等参数的变化规律。通过对CMOS图像传感器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,深入研究了器件参数退化机理。试验结果表明,暗信号和暗信号非均匀性随着中子辐照注量的增大而显著增大,饱和输出电压基本保持不变。暗信号的退化是因为位移效应在体硅内引入大量体缺陷增加了耗尽区内热载流子产生率,暗信号非均匀性的退化主要来自于器件受中子辐照后在像素与像素之间产生了大量非均匀性的体缺陷能级。另外,还在样品芯片上引出了独立的像素单元测试管脚,测试了不同积分时间下像素单元输出信号。     

电荷耦合器件及其应用进展

电荷耦合器件（ＣＣＤ）是基于金属－氧化物－半导体（ＭＯＳ）技术的光敏元件。目前ＣＣＤ已具有光谱响应范围宽、检出限低、动态范围宽、暗电流和读出噪声低以及具有积分信号、多道同时检测信号和实时监测等能力的优点。目前它已经广泛地应用在各个领域。本文扼要介绍了ＣＣＤ的基本工作原理。特点及性能表征。评述了ＣＣＤ在光谱检测和成象领域中较活跃的应用及发展前景。指出了ＣＣＤ技术的发展给光谱分析领域带来了革命性的进展     

电荷耦合器件(CCD)

介绍ＣＣＤ器件的工作原理、性能指标和应用。     

超临界水冷堆燃料包壳材料的辐照损伤研究进展

超临界水冷堆（SCWR）是第四代核电站的主力堆型之一,高温、高压、超临界水环境下的辐照损伤问题是其燃料包壳材料面临的最大挑战。SCWR燃料包壳候选材料主要包括锆合金、奥氏体不锈钢、铁素体/马氏体不锈钢、镍基合金、ODS合金五大类,奥氏体不锈钢是最有希望的候选材料。介绍了近年来在这个领域国际上的主要研究进展。作者所在团队也对多种SCWR的候选材料进行了辐照损伤研究,包括:镍基合金C-276和718、铁素体/马氏体钢P92、奥氏体不锈钢AL-6XN和HR3C。对AL-6XN的氢离子辐照实验发现,辐照产生的缺陷主要是间隙型位错环,伯格斯矢量为1/3<111>,在较高剂量（5～7 dpa）辐照下,出现空洞肿胀。在氢滞留的影响下,位错环有着独特的演化规律,总结提出了位错环的四阶段演化过程。The Supercritical Water-cooled Reactor (SCWR) is one of the prior Generation IV advanced reactors. Irradiation damage is one of the key issues of fuel cladding materials which will suffer serious environment, such as high temperature, high pressure, high irradiation and supercritical water. The candidate materials contain zirconium alloys, austenitic stainless steels, ferritic/martensitic stainless steels, Ni-base alloys and ODS alloys. Austenitic stainless steels are the most promising materials. This paper summarized the international researches on irradiation effects in fuel cladding materials for SCWR. The group of authors also has done many researches in this field, including nickel-base alloy C-276 and 718, ferritic/martensitic steel P92 and austenitic stainless steel AL-6XN and HR3C. In AL-6XN austenitic stainless steels irradiated by hydrogen ions, dislocation loops were the dominant irradiation defects. At higher irradiation dose (5～7 dpa), the voids were found. All the dislocation loops were confirmed to be 1/3<111> interstitial type dislocation loops, and four evolution stages of dislocation loops with hydrogen retention were suggested.     

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。     

基于CCD的侧向散射激光雷达信号提取方法

后向散射激光雷达是探测大气气溶胶空间分布的强有力手段,但由于盲区和过渡区的存在,限制了它在近距离段的探测范围和精度。基于电荷耦合器(CCD)的侧向散射激光雷达可实现近距离段气溶胶信号的连续探测,且探测精度较高。分析了侧向散射激光雷达中干扰光和背景光的特点,找到了减少它们的方法。分析了激光在大气中产生侧向散射光的特点,找到了同一距离处侧向散射光的叠加方法。应用Matlab编程实现了对信号的自动提取,并与后向散射激光雷达信号进行了实验比对,结果表明该信号提取方法是可靠的、可行的。     

基于电荷耦合器件探测气溶胶散射相函数与大气能见度的研究

提出一种测量大气气溶胶散射相函数及能见度的方法,并且设计了以半导体激光器为光源和以电荷耦合器件(CCD)为探测器的实验装置,利用该实验装置测量了15°～45°的散射灰度值角分布。根据激光雷达方程和Henyey-Greenstein散射相函数理论,拟合气溶胶的相函数分布,计算其能见度。将拟合得到的相函数和计算的能见度的结果分别与POM天空辐射计和Belfort能见度得到的观测结果进行对比,结果表明两者一致性较好,证明了利用激光光源和CCD测量气溶胶相函数和能见度的可行性。     

蓝宝石中子辐照色心的研究

研究了中子辐照对蓝宝石(α-Al2O3)单晶体缺陷形成及光学性能的影响,对采用提拉法与温度梯度法生长的蓝宝石晶体进行中子辐照,通过对比辐照前后的吸收及荧光光谱变化,发现辐照使得蓝宝石晶体内形成F、F^ 和F2^ 色心缺陷,但不同方法生长的晶体样品中色心浓度差异明显。其中提拉法样品的F心浓度要高于温度梯度法样品,而温度梯度法样品中F^ 色心浓度要高于提拉法样品。分析表明,这与两种方法生长的晶体中杂质含量差异有关。通过研究辐照后晶体的热致发光谱发现提拉法与温度梯度法生长的蓝宝石晶体分别在145℃与150℃有明显的热致发光出现,采用初始上升法计算出两种方法生长的晶体的热致发光陷阱深度分别为1．15eV及1．05eV。     

卫星光通信系统中CCD器件的空间辐射特性研究

 为了提高卫星光通信系统中电荷耦合器件（CCD）空间抗辐射性能,分析了空间辐射环境对CCD器件造成的电离辐射效应和位移辐射效应。通过理论分析和数值模拟计算研究了不同辐射源、不同沟道类型以及不同偏置状态对CCD电荷转移效率（CTE）的影响,结果表明,空间辐射主要在暗电流密度和电荷转移效率两方面影响CCD器件的工作性能。卫星光通信系统中的CCD器件应该选择P沟道CCD,并且在系统不工作时尽量使其处于非偏置状态。     

吸收杂质热辐射诱导光学薄膜破坏的热力机制

光学元件的破坏是限制高功率激光系统发展的主要问题,理解光学元件的破坏机制对于高功率激光系统的设计、运行参量选择以及器件技术发展有重要影响.以热辐射模型为基础研究了杂质吸收诱导光学薄膜破坏的热力过程.研究发现薄膜发生初始破坏所需时间很短,脉冲的大部分时间是引起薄膜发生更大的破坏.在考虑吸收杂质发生相变的情况下,计算了吸收杂质汽化对薄膜产生的蒸汽压力,论证了薄膜发生宏观破坏的可能性.此模型能很好地解释光学薄膜的平底坑破坏形貌.