CCD空间环境辐射效应地面模拟试验方法

王祖军,薛院院,刘敏波,唐本奇,何宝平,姚志斌,盛江坤,马武英

(西北核技术研究所，西安710024；强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安710024)

CCD空间环境辐射效应地面模拟试验方法

王祖军,薛院院,刘敏波,唐本奇,何宝平,姚志斌,盛江坤,马武英

(西北核技术研究所，西安710024；强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安710024)

针对星用电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)在空间环境中遭受的辐射损伤效应，建立了CCD空间环境辐射效应地面模拟试验方法。从辐射模拟源、试验流程、最劣辐照偏置条件、不同能量质子位移损伤等效、质子和中子位移损伤等效等方面，研究了CCD空间总剂量效应、位移效应和单粒子瞬态效应地面模拟试验方法，为开展CCD空间辐射损伤效应研究和加固性能考核提供了试验技术支持。

CCD；空间辐射效应；总剂量效应；位移效应；单粒子瞬态效应；地面模拟试验方法

电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)图像传感器具有成像和探测功能，能为侦查、制导、预警、瞄准等武器系统提供高清晰度、高分辨率的图像，并通过监控和遥感技术反馈实时信息[1]。目前，CCD已成为侦察、导航、探测、通信、资源等卫星成像系统的核心元器件。然而，随着CCD在空间环境中的广泛应用，其遭受空间辐射损伤的问题日益突出。空间辐射损伤对CCD在轨成像质量和探测效率影响严重，甚至会导致其功能失效，对航天器成像系统在轨正常运行及效能发挥构成了严重威胁。为保障我国新型航天器的顺利研制与在轨效能发挥，亟须深入开展CCD的空间辐射损伤效应研究。

在空间辐射环境中，CCD的辐照损伤效应主要有电离效应(总剂量效应和单粒子瞬态效应)和位移效应[2-3]。总剂量效应和位移效应属于累积剂量效应，通常会产生永久性损伤，而单粒子瞬态效应产生的瞬态干扰，会在CCD辐照后输出的下一帧信号中恢复，文献[4-6]已经报道了CCD各类辐射效应的典型特征。开展CCD空间环境辐射效应地面模拟试验时，一般分别开展CCD空间总剂量效应、位移效应和单粒子瞬态效应试验。由于CCD的器件结构和工作原理相对复杂，且空间辐射诱发的损伤既包含电离损伤又包含位移损伤，因此美军标、国军标及美国航空航天局(NASA)和欧洲航天局(ESA)制定的与电子元器件辐射效应试验方法相关的标准、规范和指南等，主要针对通用类电子元器件，尚不能完全适用于CCD。目前，国内外尚未报道针对CCD空间环境辐射效应地面模拟试验方法的标准和规范。

本文针对星用CCD在空间环境中遭受的辐射损伤效应，参考国内外与电子元器件辐射效应相关的标准、规范和指南[7-8]，结合CCD辐射粒子输运模拟计算[9]、辐照效应仿真模拟[10]、辐照试验[11-20]和理论分析[21]，解决了CCD空间环境辐射效应试验方法中的关键技术问题，分别建立了CCD空间总剂量效应、位移效应和单粒子瞬态效应地面模拟试验方法，从而形成了CCD空间环境辐射效应地面模拟试验方法，为开展CCD空间辐射损伤效应研究和加固性能考核提供了试验技术支持。

1 空间总剂量效应地面模拟试验方法

1.1空间总剂量效应辐射模拟源

总剂量效应辐射模拟源有60Co γ射线源、X射线源和加速器电子源。开展空间总剂量效应地面模拟试验时，辐射源宜采用60Co γ射线源，试样被辐照面的不均匀性应小于10%。考核电子元器件的电离辐照损伤效应时，美军标、国军标中广泛采用60Co γ射线源代替加速器电子源来模拟空间总剂量效应。目前，我国用于航天领域电子元器件的电离总剂量辐照损伤考核主要通过60Co γ射线源开展。试验也表明，60Co γ射线源辐照可用来模拟CCD空间电离总剂量效应。

1.2空间总剂量效应试验流程

开展CCD总剂量效应辐照试验时，根据试验大纲或具体空间任务需求，确定CCD辐照的总剂量和剂量率。当CCD应用于空间辐射环境中时，会受到空间总剂量效应的影响。如在低地球轨道环境中，空间辐射总剂量每年在0.1～1 krad(Si)范围内；在中高地球轨道环境中，由于航天器轨道要穿过范·艾伦辐射带，所处的辐射环境更恶劣，空间辐射总剂量每年在10～100 krad(Si)范围内；在地球同步轨道环境中，航天器遭受外范·艾伦辐射带、太阳耀斑和宇宙射线的辐射，空间辐射总剂量每年在10 krad(Si)量级范围内。可选择1～2片CCD开展摸底辐照试验，当累积剂量达到规定总剂量时，根据试验结果选取合适的总剂量测试点。进行CCD性能考核试验时，每次的辐照时间应不小于10 min，试验前，需对辐照场进行标定。

辐照试验前，测试查验样品和被试品(device under test, DUT)的功能和辐射损伤敏感参数，记录相应的试验现象、试验数据，确保试验所选器件符合要求，被试品宜选3片以上。辐照试验前，宜测试被试品暗信号、暗信号不均匀性、噪声和饱和输出。当辐照诱发CCD势阱中产生的暗信号导致像元饱和，则认为器件已功能失效，此时无论感光与否，输出信号均为饱和输出信号。除非另有规定，否则开展总剂量损伤的性能考核试验时，偏置条件应选择最劣的偏置。开展辐照试验，逐步累积剂量达到规定总剂量，并在各剂量点进行器件参数测试。辐照后，测试DUT的功能和辐射损伤敏感参数，记录相应的试验现象和试验数据，并进行数据处理。图1给出了开展空间总剂量效应地面模拟试验流程图。

1.3空间总剂量效应最劣偏置条件

开展CCD总剂量损伤性能考核试验时，CCD的偏置条件应选择最劣的偏置，即在加工作电压和驱动信号的同时，满足：1)N沟道CCD，应选择工作电压在工作范围内的上限值；驱动信号应选择全为高电平状态。2)P沟道CCD，应选择工作电压在工作范围内的下限值；应选择驱动信号全为低电平状态。

图1 空间总剂量效应地面模拟试验流程图Fig.1 Flow chart of ground simulation radiation test of TID effect on CCDs

N沟道CCD的信号电荷为电子，由于电子的迁移率远高于空穴，因此，通常绝大多数CCD采用N沟道。CCD的光敏区感光后，形成信号电荷，在转移栅的控制下，信号电荷进入转移寄存器，在驱动时序作用下，信号电荷转移到CCD输出放大器输出。N沟道CCD工作时加正栅压。同时，加偏置电压和加驱动时序辐照N沟道CCD时，CCD光敏区和转移寄存区的栅氧化层中产生的电场，影响了辐照过程中带电粒子的运动。辐照过程中栅氧化层不仅有电子-空穴对的产生，而且有电子-空穴对的复合。经过初始复合后，电子在电场的作用下被快速地扫出栅氧化层，使辐照产生的电子-空穴对的复合概率变小，而经复合后剩下的空穴比无栅压或较小栅压时更多。复合后剩下的空穴，一部分被氧化物陷阱所俘获，形成氧化物陷阱电荷；另一部分在电场作用下，向Si/SiO2界面漂移，在Si/SiO2界面产生辐射感生界面陷阱电荷。因而，同时加偏置电压和加驱动时序时，辐射诱发产生的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷均比无栅压或较小栅压时要多，产生的总剂量损伤也更严重。因此， N沟道CCD工作电压选择范围内的上限值，驱动信号选择全为高电平状态，且为最劣偏置。

P沟道CCD的信号电荷为空穴，衬底为N型Si，其工作时必须加负栅压。P沟道CCD同时加工作和驱动时序电压辐照时，辐照诱发CCD栅氧化层产生的电子-空穴对，在经过初始的复合后，电子在电场的作用下，同样被快速地扫出栅氧化层，使辐照产生的电子-空穴对的复合概率变小，而经复合后剩下的空穴比无栅压或较大栅压时要多。负栅压产生的电场，一方面加速电子和空穴的分离，另一方面阻碍空穴向Si/SiO2界面运动。这使复合后剩下的空穴进入氧化层陷阱区的数量增多，导致氧化层陷阱电荷比无栅压或负栅压较大时更多。氧化层陷阱电荷俘获空穴的过程中伴随能量释放，放出的能量使氧化层中的Si-H键断裂，产生H离子，俘获的空穴越多，释放的能量就越多，产生并输运到Si/SiO2界面的H离子也越多，形成的界面态陷阱也越多。因此，P沟道CCD工作电压选择范围内的下限值，驱动信号选择全为低电平状态，且为最劣偏置。

2 空间位移效应地面模拟试验方法

2.1空间位移效应辐射模拟源

开展空间环境辐射效应地面模拟试验时，可使用中子源或质子源来模拟空间位移辐射效应。由于在实际空间辐射环境中，位移损伤主要由空间高能质子引起，国内外直接采用质子源模拟空间位移辐照效应。采用质子源开展空间位移效应地面模拟试验时，质子源应满足以下条件：1)当采用质子源开展CCD位移损伤的性能考核试验时，除非另有规定，否则宜选择能量在40～100 MeV范围内的单能质子；若选择能量为10 MeV的质子，应保证质子束流能入射到CCD的灵敏区。2)质子注量率宜在106～109cm-2·s-1范围内选取。3)试样被照面的质子注量不均匀性小于20%。用质子源来模拟空间位移辐照效应时，需要注意以下问题：1)质子辐照CCD诱发产生的位移损伤和电离损伤均很显著，需要考虑质子源带来的电离损伤影响。2)当质子能量较低、无法穿透CCD灵敏区时，需要对CCD芯片上的光窗盖进行开盖处理。

开展CCD空间位移损伤地面模拟辐照试验时，根据CCD工作的实际空间轨道辐射环境及屏蔽条件选择合适的质子能量开展地面辐照模拟试验。选择能量在40～100 MeV范围内的单能质子开展地面辐照模拟试验，原因是能量在40～100 MeV范围内，单能质子不仅能穿过CCD的器件封装材料和灵敏区，而且在CCD灵敏区中沉积的非电离能量损失(non-ionizing energy loss, NIEL)接近常数。CCD的位移损伤敏感参数退化与灵敏区中沉积的NIEL成比例，从而有利于通过开展单能质子的地面辐照试验来模拟空间环境中质子的位移损伤[22]。由于质子源容易产生能量为10 MeV的质子，若选择能量为10 MeV的质子，开展CCD位移效应考核试验时，为保证10 MeV质子能穿透CCD的封装材料和灵敏区，通常需要对CCD芯片的光窗盖进行开盖处理。此外，由于10 MeV质子辐照CCD的试验不能体现中高能质子和Si原子的非弹性作用过程[22]，可通过开展10 MeV质子与能量在40～100 MeV范围内的单能质子辐照CCD诱发位移损伤的试验结果进行对比，得到相应的等效修正因子。

可采用中子源(稳态、脉冲反应堆及中子发生器)开展空间位移效应地面模拟试验。中子辐射场应满足以下条件：1)给出反应堆实际测量的能谱数据和DUT辐照位置的硅材料1 MeV等效中子注量率的测量数据。2)0.01 MeV以上与0.5 eV以下中子注量比应大于100。3)除非另有规定，否则反应堆的n/γ比应大于1×1011cm-2·Gy-1。4)在垂直于中子束流方向，放置辐照样品的范围内，中子注量不均匀性小于20%。使用中子源模拟空间位移辐射效应具有以下特点：1)国外相关研究已经明确给出了不同空间轨道辐射环境的1 MeV等效中子注量。例如，NASA在“新千年计划[23]：空间环境与电子元器件指南”中给出了不同轨道空间环境中辐射诱发CCD位移损伤对应的1 MeV等效中子注量，即低地球轨道为5×109cm-2、地球同步轨道为2×1010cm-2。2)开展CCD反应堆中子辐照试验时，中子的穿透能力强，无需对CCD芯片光窗盖进行开盖处理。3)中子束流面积(相对质子束流而言)较大，适合批量器件同时开展空间位移损伤效应考核试验。4)用中子源模拟空间位移损伤时，应选用高n/γ比的中子辐照源，使得CCD的辐照损伤主要是位移损伤，中子辐照过程中引入γ电离总剂量非常小，此时带来的CCD电离损伤影响可忽略。

2.2空间位移效应试验流程

开展CCD空间位移效应辐照试验时，根据试验大纲或具体空间任务需求，确定CCD辐照的注量。如采用质子源，需确定质子束流能量、辐照注量率和辐照注量；采用反应堆中子源，需确定中子辐照注量。辐照前，测试查验样品、DUT的功能和辐射损伤敏感参数，记录相应的试验现象、试验数据。除非另有规定，在开展位移损伤的性能考核试验时，CCD应选择不加偏置，CCD外引线应全部短路连接或采取其他有效的防静电措施。中子辐照CCD主要产生位移损伤，GJB 762.1和GJB 548规定了中子辐照试验时，偏置条件为外引线全部短路连接或者全部开路。CCD加偏置辐照会导致质子电离损伤更显著，所以CCD质子位移损伤试验选择不加偏置。

使用满足辐射防护要求的平面或圆弧面试验夹具，单层摆放并固定在质子注量偏差允许的范围内。辐照后，应对DUT感生的放射性活度进行监测，在符合GB 18871规定的安全情况下[24]，对DUT的测试应在辐照后24 h内完成；当DUT残余的放射性活度高于安全操作的规定时，进行测试前的经历时间可延长到一周，或者采取措施进行远距离测试，并记录数据和测试条件。辐照后，测试DUT的参数，记录相应的试验现象、试验数据，并进行数据处理；必要时，测试查验样品的功能和辐射损伤敏感参数，记录相应的试验现象、试验数据，并进行数据处理。辐照后的DUT及试验线路板应在测试后作为放射性废物，按照GB 18871的4.3,4.5和附录A及国家其他有关法规与标准的要求进行处理[24]。开展空间位移效应地面模拟试验流程，如图2所示。

2.3不同能量质子位移损伤等效

在空间辐射环境中，星用CCD的辐照损伤主要由质子引起。处于低地球轨道时，主要由地球范·艾伦辐射带质子引起；处于地球同步静止轨道时，主要由太阳耀斑质子引起。在实际空间辐射环境中，空间质子能谱是连续的，空间质子的能量主要分布在0.1～500 MeV的宽广能谱范围内。开展地面模拟空间环境辐射试验时，需根据CCD工作的具体轨道空间环境及器件屏蔽条件，选择合适的地面辐照模拟试验质子能量，通过计算NIEL，可以将空间辐射环境中，质子产生的位移损伤等效为单一质子能量的等效辐照注量，从而达到通过选择单一质子能量的地面辐照试验来模拟空间环境中质子的位移损伤。单一质子能量的等效辐照注量计算公式如下：

(1)

式中,E1为CCD所处空间轨道辐射环境中的质子最低能量，MeV；E2为CCD所处空间轨道辐射环境中的质子最高能量，MeV；N(E)为能量为E的质子在CCD灵敏区中沉积的非电离能量损失，MeV·cm-2·g-1；Ф(Etest)为地面模拟试验选取入射质子能量为Etest时的质子注量，cm-2；dФ(E)/dE为空间环境中质子微分能谱。

图2 开展空间位移效应地面模拟试验流程图Fig.2Flow chart of ground simulation radiation test DD effect on CCDs

2.4质子和中子位移损伤等效

质子和中子辐照CCD后，位移损伤诱发CCD辐射敏感参数的退化很相似，通过质子和中子辐照电子元器件诱发辐射敏感参数退化程度的比较，可获得较好的等效换算关系。例如，NASA给出了空间轨道质子损伤与1 MeV等效中子的等效位移辐照注量的考核指标。

CCD的位移辐照损伤，主要由质子、中子和重离子等入射粒子与CCD相互作用引起。这些粒子与CCD中的体Si材料作用，在体Si内引起晶格原子位移，产生空位-间隙原子对，形成弗伦克尔缺陷。这些体缺陷充当载流子产生复合中心，一部分被复合，一部分在体内迁移，与其他缺陷、杂质、掺杂原子形成稳定的缺陷团，其能级处于位于导带和价带之间的禁带中。

进行质子与中子位移损伤的等效换算公式如下：

(2)

式中,Фeq为1 MeV等效中子注量，cm-2；Etest为地面辐照模拟试验选取的入射质子能量，MeV；N(E)为能量为E的质子在CCD灵敏区中沉积的非电离能量损失，MeV·cm-2·g-1；D为1 MeV中子在硅材料中的损伤函数(Kerma因子)，MeV·mb。可通过式(2)计算单能质子的位移损伤与1 MeV中子的NIEL之比，得到1 MeV等效中子注量。

3 空间单粒子瞬态效应地面模拟试验方法

3.1空间单粒子瞬态效应辐射模拟源

开展空间环境辐射效应地面模拟试验时，可使用重离子加速器源、锎源(252Cf)及脉冲激光束来模拟CCD空间单粒子瞬态效应。重离子加速器源可产生不同种类和能量的离子，提供较宽的线性能量转移(linear energy transfer, LET)范围，更接近空间高能粒子的实际情况，通常采用重离子加速器模拟单粒子瞬态效应。252Cf源的自发裂变碎块和α粒子也可用来模拟空间重离子单粒子瞬态效应。近年来，国内外常用聚焦脉冲激光代替高能离子模拟单粒子瞬态效应。

3.2空间单粒子瞬态效应试验流程

开展CCD单粒子瞬态效应辐照试验前，根据试验大纲或具体空间任务需求，确定CCD单粒子瞬态效应辐射模拟源，包括辐射粒子种类、能量、LET等。然后分析CCD的辐射敏感区域，如光敏像元区、转移寄存区、读出放大电路等。由于开展单粒子瞬态试验时，CCD必须进行实时在线测试，因此辐照试验前，应搭建CCD在线测试平台，记录相应的试验现象、试验数据。辐照试验期间，根据试验目的不同，选取CCD不同的辐射敏感区域进行辐照，并累积到规定的辐照注量，在线实时监测CCD辐射敏感参数的变化，此时偏置条件为加偏置加驱动的正常工作状态。若辐照试验过程中器件功能失效，则停止辐照，进行数据处理和分析。辐照后，测试DUT辐照后参数，记录相应的试验现象、试验数据，并进行数据处理。辐照后的DUT及试验线路板应在测试后作为放射性废物，按照GB 18871的4.3，4.5和附录A及国家其他有关法规与标准的要求进行处理[24]。图3给出了开展空间单粒子瞬态效应地面模拟试验流程图。

图3 空间单粒子瞬态效应地面模拟试验流程图Fig.3Flow chart of ground simulation radiation test method of single event transient effect on CCDs

4 结论

CCD在空间辐射环境中遭受的辐射损伤效应包括总剂量效应、位移效应和单粒子瞬态效应，这些效应具有各自的典型特征，通过分别建立这些效应的地面模拟试验方法，形成了CCD空间环境辐射效应地面模拟试验方法。该方法解决了开展CCD空间环境辐射效应地面模拟试验方法中辐射模拟源选取、最劣辐照偏置条件、不同能量质子位移损伤等效、质子和中子位移损伤等效等关键技术问题，规范了试验流程。本文的试验方法研究为开展CCD空间辐射效应研究和加固性能考核提供了试验技术支持。

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Ground Simulation Test Methods for Space Environment Radiation Effects on Charge Coupled Devices

WANG Zu-jun,XUE Yuan-yuan,LIU Min-bo,TANG Ben-qi,HE Bao-ping,YAO Zhi-bin,SHENG Jiang-kun,MA Wu-ying

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China;State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect,Xi’an710024,China)

For the space environment radiation effects on the CCDs used in the satellites, the ground simulation test methods are built. The simulation test sources, test procedures, the worst radiation bias conditions, the damage equivalence of different energy protons, and the damage equivalence of protons and neutrons of displacement radiation effects on the CCDs are investigated to build the ground simulation test methods of total ionizing dose (TID), displacement damage (DD), and single event transient (SET) radiation effects in space environment separately, which will provide the theoretical and experimental supports to the CCD space radiation damage effects and radiation hardening investigations.

CCD；space radiation effect；total ionizing dose effect；displacement effect; single event transient effect；ground simulation radiation test method

2016-07-26；

2016-10-31

国家自然科学基金资助项目(11035126)；国家重点实验室基金资助项目(SKLIPR1211)

王祖军(1979- )，男，湖北汉川人，副研究员，博士，主要从事光电器件辐射效应研究。

E-mail:wangzujun@nint.ac.cn

TN386.5

A

2095-6223(2016)040601(7)