4T-PPD-APS光子辐射响应特性分析

分析了含有4个晶体管的钳位光电二极管有源像素传感器(4T-PPD-APS)的结构特点以及γ射线光子在像元内的能量沉积过程。通过建立传感器像元及像素阵列仿真计算模型,并结合γ射线辐射响应实验,对有源像素传感器(APS)在不同光子能量及不同放射性水平条件下的响应特性进行了研究。研究结果表明:γ光子在光电二极管空间电荷区内沉积能量并形成扩散光电流是APS发生光子响应现象的根本原因;像素值的平均值随剂量率的增大呈先增大后趋于饱和的趋势;当典型事件区域内出现多个峰值时,像素值的统计值不能准确反映辐射场放射性水平。     

CMOS有源像素传感器辐射损伤对星敏感器星图识别影响机理与识别算法

为分析恶劣空间辐射环境导致星敏感器性能退化、姿态测量精度降低的原因,深入研究了⁶⁰Co-γ射线辐射环境下互补金属氧化物半导体有源像素传感器(complementary metal oxide semiconductor active pixel sensor,CMOS APS)电离总剂量效应对星敏感器星图识别的影响机理.通过搭建外场观星试验系统,实际观测天顶和猎户座天区,经过星图数据采集、星点提取与星图识别等试验流程,获得⁶⁰Co-γ射线辐照后CMOS APS噪声对星图背景灰度均值、识别星点数量的影响机理,并提出一种寻找被辐射噪声湮没星点的识别算法.通过理论推导分别建立了CMOS APS暗电流噪声、暗信号非均匀性噪声和光响应非均匀性噪声与星点质心定位误差的定量关系.研究结果表明⁶⁰Co-γ射线辐照后星敏感器星图背景灰度均值增大、星点识别数量减少, CMOS APS辐照后噪声增大导致星点质心定位误差增大,从而影响星敏感器的姿态定位精度,该研究结果为高精度星敏感器的设计和抗辐射加固提供一定的理论依据.     

脉冲γ射线对光纤的辐射效应

介绍了光纤的损耗机制和γ射线对光纤的辐射效应,设计了针对脉冲γ射线作用于光纤而产生辐射感生损耗的实验测量系统。利用平均光子能量为0.3 MeV、脉冲宽度25 ns、剂量率2.03×107Gy.s-1,和平均光子能量为1.0 MeV、脉冲宽度25 ns、剂量率5.32×109Gy.s-1的2种脉冲γ射线分别作用于多模和单模光纤,分别采用波长为405,660,850,1 310和1 550 nm的激光光纤传输系统对辐射感生损耗进行了测量。获得了光纤辐射感生损耗和辐射剂量的关系,并对实验结果进行分析。从实验结果可以看出:在近红外到可见光范围内,脉冲γ射线对光纤作用产生的辐射感生损耗随探测波长减小而增大;在0.1~3.5 Gy剂量范围内,多模光纤辐射感生损耗和辐射剂量呈线性关系。分析辐射对光纤的作用机制和实验结果后得出:光纤基质原子的电子能级对传输光子的共振吸收而造成吸收损耗增加;光纤折射率分布的改变从而导致波导损耗增加。     

CCD与CMOS像素传感器γ射线电离辐射响应特性对比研究

为了研究CCD与CMOS像素传感器对γ射线电离辐射的响应差异,对比研究了4类像素传感器的结构特点和辐射响应特性。通过辐射实验,对各传感器在不同辐射水平条件下的光子响应事件分布、平均灰度值以及典型光子响应事件进行研究。研究结果表明：光子响应程度均与辐射剂量率相关;CCD像素传感器的沟道传输方式使每列像元间的辐射响应更容易相互干扰;平均灰度值随剂量率的增大存在明显的梯度,各积分周期内输出信号灰度值围绕均值上下波动,CCD像素传感器输出信号灰度浮动范围较小;CMOS像素传感器各像元对光子的响应更加明显,CCD像素传感器各像元的响应信号易与相邻像元发生串扰;各类像素传感器典型辐射响应事件区域中发生光子响应的像元数量随剂量率的增大而增多,响应事件并非单个光子的行为,而是反映了多个光子在区域内同时沉积能量的过程。本研究为开发像素传感器的γ射线辐射探测技术和应用提供了重要的理论分析和实验数据支撑。     

固态图像传感器的电离辐射响应均匀性

研究并对比了6类电荷耦合器件和互补金属氧化物半导体图像传感器的辐射响应均匀性。设计辐射实验,对像素阵列中响应信号在不同统计区域内的像素值增量平均值和非均匀度进行分析与讨论,重点研究了各类固态图像传感器像素阵列全局、区域和代表像元的辐射响应均匀性。实验结果表明:在稳态γ射线辐射场辐照条件下,帧图像中的响应信号增量并非固定值;像素阵列各区域内响应信号的均匀性不因辐照剂量率的变化而变化,对于相同的图像传感器,辐射在任意帧图像中产生辐射响应信号的分布与像素阵列中任意像素在多帧图像中出现辐射响应的分布相同,但由于传感器的本底噪声存在差异,单个像元、区域像素的统计结果与全局存在偏差。本研究为提高基于图像传感器的γ射线辐射探测技术,实现无遮光条件下在线辐射探测提供了理论依据和数据支持。     

辐射环境中探测Compton电子束流的Rogowski线圈

在金属腔体内电磁脉冲(IEMP）实验研究中，需要同时测量入射γ剂量率和腔体内的电场、磁场以及TEMP的激励源——Compton电流。Compton电流跟随着γ脉冲变化，它们有相似的波形。其电流密度JC与入射的γ剂量率D(Gy(Si)／s)之间呈线性关系。即JC=fkD式中，f为前端面的γ衰减系数；K为辐照系数，表示γ-Compton电流转换效率。     

短脉冲高剂量率γ射线源技术研究

 介绍了“强光一号”加速器产生宽度约20 ns的高剂量率脉冲γ射线的工作过程;分析了短脉冲γ射线源二极管的管绝缘体和真空磁绝缘传输线的结构与绝缘性能;说明了等离子体断路开关的工作特性;阐述了二极管工作阻抗和阴阳极的设计原则与设计参数。给出了不同短脉冲γ射线源的实验结果,得到了3种辐射参数：脉冲宽度约20 ns,辐射面积为2,30和100 cm²时,相应的辐射剂量率为10¹¹,0.7×10¹¹和10¹⁰ Gy/s。     

面向个人剂量计校准的小尺度伽玛参考辐射模拟研究

针对伽玛射线个人剂量计基于标准伽玛参考辐射进行校准时检定效率低、校准工作复杂和需要远程送检的关键技术问题,建构了1 Ci 137Cs放射源小尺度参考辐射场物理模型,采用蒙特卡罗方法,研究了小尺度参考辐射场内的剂量分布、装置结构和待检剂量计变化导致散射射线对剂量场的影响,获得了待检剂量计形状、数量、类型和装置结构产生的散射伽玛射线对小尺度参考辐射量值定度的影响结果。研究结果表明,1 Ci 137Cs可以为小尺度参考辐射辐射场检验点提供1.5 mSv/h的伽玛遂行剂量率,辐照个人剂量计载台直径30 cm束斑上的剂量率相对标准偏差约为0.48%。当载台厚度为20 mm时,散射射线对小尺度参考辐射检验点处剂量率值的影响率为3.27%,高于剂量计尺寸（1.62%）和剂量计数量（0.56%）的影响。     

MC模拟无卷积全谱转换法测量X，γ辐射剂量

为了更好地进行环境X/γ辐射剂量的测量,通过对电制冷高纯锗探测器蒙特卡罗建模获取0.01～1.5 MeV能量范围内的能谱和剂量（率）值,并利用无卷积全谱转换法进行能谱-剂量转换研究。研究发现,通过无卷积全谱转换法计算得到的剂量率与模拟剂量率符合较好;通过在中国计量研究院环境γ辐射空气吸收剂量标准辐射场中进行Co-60和Cs-137放射源剂量率实验验证,结果显示,在0.01～1.5 MeV的能量范围内,通过能谱-剂量转换得到剂量率与标准剂量率的误差小于±10%,这表明通过无卷积全谱转换法进行能谱-剂量（率）转换系数的求解是可行的。     

温度对4管像素结构CMOS图像传感器性能参数的影响

为了对4管像素结构CMOS图像传感器的空间应用提供可靠性指导,对4管像素结构的CMOS图像传感器进行了-40~80℃的变温实验,着重分析了样品器件的转换增益、满阱容量、饱和输出和暗电流等参数随温度的变化规律。实验结果表明,随着温度的升高,样品器件的转换增益从0.026 54 DN/e下降到0.023 79 DN/e,饱和输出从4 030 DN下降到3 396 DN,并且暗电流从22.9 e·pixel-1·s-1增长到649 e·pixel-1·s-1。其中器件转换增益的减小应主要归因于载流子迁移率随温度升高而下降使得像素后端读出电路增益降低;饱和输出的降低则是因为转换增益的降低,因为转换增益随温度变化对饱和输出的影响要大于满阱容量随温度变化对饱和输出的影响。     

脉冲γ射线诱发N型金属氧化物场效应晶体管纵向寄生效应开启机制分析

金属氧化物场效应晶体管作为大规模数字电路的基本单元,其内部的寄生效应一直以来被认为是影响集成电路在脉冲γ射线辐射环境中发生扰动、翻转以及闩锁的重要因素.为研究脉冲γ射线诱发N型金属氧化物场效应晶体管内部纵向寄生效应的开启机制,通过TCAD构建了40, 90以及180 nm 3种不同工艺节点的NMOS晶体管进行瞬时电离辐射效应仿真,得到了纵向寄生三极管电流增益随工艺节点的变化趋势、纵向寄生三极管的开启条件及其对NMOS晶体管工作状态的影响.结果表明:1)脉冲γ射线在辐射瞬时诱发NMOS晶体管内部阱电势抬升是导致纵向寄生三极管开启的主要原因; 2)当纵向寄生三极管导通时, NMOS晶体管内部会产生强烈的二次光电流影响晶体管的工作状态; 3) NMOS晶体管内部纵向寄生三极管的电流增益随工艺节点的减小而减小.研究结果可为电子器件的瞬时电离辐射效应机理研究提供理论依据.     

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。     

对激光等离子体中X射线的产生与辐射加热研究

利用一维辐射流体力学程序MULTI数值模拟研究了功率为1014Wcm2、脉冲宽度为300ps、波长为0.44μm的强激光辐照平面Au靶时产生X射线的过程,给出了X射线转换效率和能谱分布.通过将靶物质划分为对所产生的X射线光学薄的转化区和光学厚的再发射区,得到了作为黑体辐射热源的最佳靶厚度,并给出了辐射加热靶所产生的等离子体的密度和温度的空间分布. 关键词： 辐射流体力学 激光等离子体 X射线转换 辐射热波     

高噪声背景下激光条纹亚像素中心的提取

针对线结构光三维形貌测量中大量噪声易干扰激光条纹中心提取准确度的问题,提出了一种条纹亚像素中心提取方法。分析条纹图像中的噪声,采用平均法和中值滤波预处理图像;利用迭代阈值分割及形态学方法,获取条纹目标,引入距离变换提取条纹的像素级中心;根据像素级中心、二值信息及光强灰度,结合曲线拟合及重心法精确提取条纹的亚像素中心。仿真分析和实验验证下,相邻行条纹中心列坐标最大偏差值像素小于2 ,平均偏差像素值约为0.3,与传统方法相比,2项指标值更小。实验结果表明,算法有效利用条纹灰度分布规律,可降低噪声对中心定位精度的影响,更逼近条纹真实中心位置,抗噪能力极强。     

基于改进开关中值滤波的多孔网栅图像脉冲噪声消除

针对多孔网栅闪光照相图像含有随机脉冲噪声的问题,提出了一种改进的开关中值滤波噪声消除算法。该算法利用像素与邻域窗口统计中值的灰度信息,建立噪声点探测器。通过设置噪声点探测阈值来识别噪声,并用邻域窗口内统计中值代替噪声点取值。经过多次滤波,含随机脉冲噪声的计算机合成网栅图像及实验网栅图像可获得良好的恢复效果。     

高能伽玛相机探测量子效率的蒙特卡罗模拟

探测量子效率（DQE）可被用来精确描述图像噪声通过成像系统的传播特性。根据级联理论,简洁得出了零频噪声传播情况下成像系统的DQE 表达式。采用蒙特卡罗程序MCNP 计算了高能X射线的硬化能谱在六种常用闪烁晶体中的能量沉积分布以及高能伽玛相机的DQE,分析了闪烁晶体的材料和厚度对DQE的影响。模拟结果表明,高密度、高原子序数是影响DQE的主要因素,在同样厚度下,LuAP和LSO转换屏的探测量子效率最高。     

激光电子散射中的最大可能增益

借鉴自由电子激光(FEL)发展之初Madey对自由电子激光器中受激辐射引起的增益的讨论,通过在激光场中的量子电动力学(QED)的模型中引入激光电子系统初态态密度以及由不确定的系统初态到确定光子末态的跃迁速率,推导了激光电子正碰过程中受激辐射至单一电磁模式产生的最大可能增益。采用成功得到X射线或γ射线光子的三个激光电子Compton背散射实验的实验参数计算了激光电子散射过程中的最大可能增益,与第一台X射线自由电子激光(XFEL)中的最大可能增益作比较,进而对激光电子散射作为激光光源的可行性进行评估。计算结果表明,现有的能够得到X射线光子或γ射线光子的激光电子散射实验中的最大可能增益远低于第一台XFEL中的。本工作未能找到合适的激光电子参数以获得比第一台XFEL中更高的最大可能增益,但是在入射电磁波位于射频波段范围内找到了能够实现较高增益的参数组合。     

探测系统γ能量响应标定技术

要对具有能谱分布的脉冲辐射场进行精密物理测量，就必须刻度出探测系统的γ能量响应。由于没有合适的系列单能γ辐射源，为此利用compton散射原理将强^60Co源释放出的γ射线转换为系列单能γ射线进行了探测系统γ能量响应的标定。     

单光子计数型CCD的蒙特卡罗模拟

建立了适用于研究PI-LCX:1300型单光子计数型CCD量子效率及多像素事件的蒙特卡罗模拟模型,采用蒙特卡罗程序Geant4对0.5~30.0 keV能量区间的X射线在CCD芯片中的输运进行了模拟研究。研究了X射线在CCD芯片中的能量沉积谱,给出了CCD探测X射线的效率曲线,其结果与厂家提供的效率曲线一致。研究了Si片厚度对探测效率的影响,结果表明在有效探测范围内,Si片越厚探测效率越高,而对较高能量的X射线,此趋势不明显。研究了能量沉积分布在多个像素中的问题,结果表明周围像素中的能量沉积主要由中心像素的特征X射线及瑞利散射X射线所贡献,在5~30 keV之间X射线能量越高,能量沉积效率越低,多像素污染效果越弱。     

脉冲X射线剂量率测量不确定度分析

"强光一号"短脉冲高能X射线剂量率测量,主要包括脉冲射线总剂量与脉冲射线时间宽度的测量,前者采用热释光剂量计测量,后者采用PIN半导体探测器记录。根据不确定度传递数学模型,分析了影响X射线剂量和脉冲宽度测量结果的因素。针对"强光一号"短脉冲高能X射线测量,定量地给出了各种因素引入的测量不确定度,总剂量测量是影响剂量率测量准确性的决定性因素,其相对标准不确定度为25.1%,脉冲宽度测量不确定度为3.7%,剂量率测量扩展不确定度为50.8%,置信概率95%。