扬帆起航 创抗辐照应用技术新天地

隋丽

宇宙空间中高能带电粒子与星载微电子集成芯片相互作用产生的单粒子效应、总剂量效应、位移损伤效应等，可使航天器发生在轨故障，缩短工作寿命，严重时甚至会造成灾难性后果。随着集成电路芯片性能的提高、特征尺寸的减小，使得发生单粒子效应所需要的临界电荷显著降低，芯片发生单粒子效应的敏感度较之过去明显增强。统计资料表明：卫星在轨故障中，71%是由空间辐射效应引起的，其中单粒子效应引起的占55%。我国发射的航天器也曾发生因单粒子效应而出现异常、造成数据传送中断的事件，虽未造成灾难性的后果，但却因此丢失大量的科学实验数据。

空间技术是衡量一个国家现代化水平和综合国力的重要标志，而其中电子元器件技术发展水平是支撑整个空间应用的关键。“神舟系列”载人飞船的成功发射和顺利返回以及“嫦娥探月工程”的连续成功，标志着我国已跨入世界航天大国行列。但是我国星用微电子产品的关键器件，尤其是微处理器等大规模及超大规模集成电路仍完全依赖进口。随着国际形势的变化、空间竞争的加剧，特别是我国载人飞船等的连续成功，更是引起美国为首的西方国家的重视，加强了对我国空间使用关键元器件的全面禁运，严重制约了我国航天工程等的发展。

为巩固国防以及国民经济建设，实现从航天大国到航天强国之间的跨越，国家对航天事业提出了更高的要求。今后将要发射越来越多的新型航天器用于各项空间科学实验研究、国民经济以及国防科技建设，研制多品种、高性能、高可靠、抗辐照加固集成电路芯片，开展抗辐照技术，并将相关技术方向的工艺装备国产化研制、研究成果进行转化和推广应用，已成为其中的重大课题，对于航天科技的快速和健康稳定发展具有重要意义。涉及的技术包括：

地面模拟试验技术研究：辐射场生成技术研究、辐射效应模拟试验技术研究、辐照效应试验理论模拟技术研究、辐照实验新技术及产品开发。

辐射效应测试技术研究：辐射环境参数、材料结构参数对器件辐射效应的影响研究、辐射效应敏感参数在线及离线测试方法研究、复杂集成电路辐射效应的故障注入技术与故障分析技术。

加固性能评估技术：材料抗辐射加固评估技术、器件抗辐射加固评估技术、系统应用加固效果评估试验技术。

加固技术机理研究：效应物理机制、加固技术验证方法、加固技术方法研究、抗辐射加固机制研究、抗辐射加固方法试验验证。

抗辐照技术应用范围广泛，从航天航空至核能核电、民用交通、高性能计算机、生物医学等高可靠行业都需要利用地面核设备进行抗辐射效应测试。

欧洲抗辐射相关的技术中心最早可以追溯到上世纪六十年代，欧洲太空局（ESA）类似于美国联邦航空航天局（NASA）、俄罗斯联邦航天局（RKA）。截止到2012年，ESA有20个会员国，ESA委员会负责机构的政策制定和相关管理工作。ESA致力于提供和推动欧洲各国空间研究和技术的合作。ESA下属的欧洲空间研究和技术中心（ESTEC）主要负责抗辐射相关的管理和研究工作。ESTEC下属的欧洲辐照装置联合体（ECIF）则主要负责辐射源和辐射实验相关工作。

ECIF的历史起源于1980年代，该系统利用了Cf-252和Am-241源，并开展了一些辐照试验研究。ESTEC后来在1988年建成了Gamma beam 150C的Co-60源，该装置一直沿用至今。源的初始强度是2040Ci，半衰期是5.3年，至今已经更换过几次。目前ECIF与瑞士PIF、比利时HIF、芬兰RADEF等3大辐射实验终端签约合作协议，统筹组织和执行ESA相关的抗辐射实验。ECIF还研制了标准SEU监督器、技术示范单元（TMD）等具有国际影响力的辐射产品，为不同辐射源实验对比、空间实测一地面实验数据一致性研究提供了开创性的研究方法和技术手段。

ECIF的第一个主要试验装置是瑞士Villigen的Paul Scherrer研究院的质子辐照装置（Proton Irradiation Facility，PIF）。该装置于1992年与ESA签署合作协议。PIF可以提供10-60MeV的低能质子束流和30-250MeV的高能质子束流。ECIF的第二个主要试验装置是比利时Universit é Catholique de Louvain （UCL）的重离子装置（HIF）。该装置于1996年成为ESA的合作实验室。HIF的一个有意思的地方是可以提供含有2种离子鸡尾酒似的束流——一个高LET鸡尾酒和一个高剥离态鸡尾酒离子。ECIF的第三个主要试验装置是芬兰Jyvaskyla的辐射效应装置Radiation Effects Facility （RADEF）。该装置于2005年通过ECIF成为ESA签约装置。随着集成度和封装技术进步，现代先进半导体器件重离子试验时需要通过背部进行辐照，因此通常要求离子具有大的射程。RADEF的特点就是离子能量高、射程长，能适应上述要求。

2005年起，ECIF开展了标准SEU监控系统研究，该系统主要用于校准不同加速器源的束流。系统采用了ATMEL公司的AT60142F SRAM，尺寸6.1mm×11.2mm。因为该系统在束流监控方面的优势，该系统很快在世界范围应用起来，成为辐照源一致性对比和校准的通用方法。

2008年起，ECIF開展了技术示范单位（TDM）研究，该研究涵盖一系列辐射效应试验，并致力于探索和分析地面、飞行数据的差异。TDM包括了4个不同的辐射效应试验——标准SEU监控系统中的SEUs（4个SRAM器件）、单粒子锁定（4个不同的SRAM器件）、飞行技术示范（in-flight technology demonstration）8Gbit FLASH存储器、总剂量效应测量，雇用RADFET完成。

随着综合国力的提高，我国航天事业得到快速发展，“载人航天”“探月工程”等的连续成功，标志着我国已进入世界航天大国的行列。有必要建立与我国地位相适应的、国际领先的、完备的抗辐射应用技术体系，建立良好的机制和完善的设备设施，建立拥有我国自主知识产权的宇航工程服务平台。器件抗辐照能力能否满足型号工程要求，其判别标准只能是地面模拟试验结果。由于技术敏感等原因，此类试验不可能拿到国外去做，因此必须要依赖国内自身综合地面模拟试验条件。因此使用抗辐射加固器件，是确保我国核心综合电子信息系统遂行既定任务和提高运行可靠性的关键。

中国原子能科学研究院具有加速器、反应堆和钴源房，是国内辐照设施最为完善的、核学科门类最为齐全的综合性研究院，并已在HI-13串列加速器和100MeV质子回旋加速器上开展了大量的以航天应用为背景的抗辐射地面模拟试验工作，承担了国内大部分单粒子效应辐照评估试验任务，为提高我国航天抗辐射技术水平作出了重要的贡献。航天五院是我国航天元器件抗辐射保证的承担单位和责任单位，承担了各类军用和民用卫星、载人飞船、空间站用元器件可靠性与质量保证工作，承担型号用关键器件抗辐射保证工作。装发21所具有钴源房和反应堆，开展了效应测试技术和效应机理研究工作，均取得了很好的效果。

国防科技工业局以习近平总书记提出的着力推进核心电子元器件等新兴战略安全领域军民融合发展要求为指引，在2017年3月20日，批复设立了以中国原子能科学研究院为主依托单位、以航天五院和装发21所为依托单位的先进制造类国防科技工业抗辐照应用技术创新中心（以下简称“抗辐照中心”）。中心依据国防科工局的要求，大力实施创新驱动发展战略和军民融合发展战略，着力增强自主创新能力，着力提升创新体系效能，着力优化协同创新环境，努力把抗辐照应用技术创新中心打造成国家科技创新高地和高端创新人才高地。并将建设成为国内顶级、国际一流的空间抗辐照技术单位为目标，着眼于已有基础.深入发掘未来材料及微电子器件抗辐照应用及相关技术前沿科学热点。

自2017年11月18日成立以来，抗辐照中心致力于制度建设和创新，组建了理事会、专家委员会和执行机构三大组织机构。通过定期协商、信息共享、合作研究等方式破解了不同类型单位空间上的藩篱和阻碍，并注重跨行业交流，通过积极的联系和合作，吸纳了包括科研院所、大学、公司等类型法人成为中心有机的组成体，实现了产学研一体。在协同创新机制方面，中心以“谋方向、谋发展”为出发点，通过“出问题、出建议、出规划”，统筹和促进各理事单位协商，凝聚共识，共建共享，做到开放共赢;围绕创新和应用技术打造创新中心平台，通过发展规划、资源协同、创新孵化、技术开发、成果推介、学术交流和人才培养等多个方面，积极协作开展前沿技术研究以及后续的科技成果转化，建立协同创新机制;致力于围绕抗辐照行业的热点以及技术的短板，整合抗辐射加固的一些单项的技术、方法、仪器和材料的需求，凝聚各单位实力，共同策划创新型项目，争取成立抗辐射加固芯片的产业联盟。

抗辐照中心还注重协同创新，自筹经费面向国内外研究单位发布了具有行业引领作用的2018年创新基金指南，明确指出，创新基金的定位为：开展抗辐照应用技术的发展战略研究，强化科技创新;针对新材料、新器件、新技术中出现的新现象、新机制等开展新原理、新方法研究，探索未来技术发展趋勢，激活原始创新能力;进行工艺装备的国产化研制及应用示范，实现科技成果的转化及应用。资助方向则紧紧围绕抗辐照中心的四个研究方向，即地面模拟试验技术、辐射效应测试技术、加固性能评估技术、效应物理机制及加固技术机理。这为培育优秀、创新的科研成果提供了良好的平台。

此外，为促进科技创新和行业发展，为抗辐照应用技术领域的同仁们提供地面模拟试验技术、辐射效应测试技术、加固性能评估技术、加固技术机理等方面的学习交流平台，抗辐照中心还推出了抗辐照应用技术高级培训班，邀请了国内外行业内知名专家授课，从行业的各个角度带领学员们乘坐微电子器件的飞船，从微观的原子核出发，遨游在宏观的宇宙空间，给学员们带来了学术的盛会和思想的盛宴，在极大程度上促进了我国抗辐照专业技术人员与国外同行之间的学术交流，对我国抗辐照应用技术深入发展、引领国际潮流具有重要的推进作用。

抗辐照中心将继续致力于整合国内各单位优势资源，通过解放思想、加强产学研用协同、创新运行管理机制，建立协同创新机制，实现合作共赢，打造抗辐照应用技术领域的国家科技创新和高端创新人才高地，形成军民兼用、跨行业、跨学科的国防科技工业抗辐照应用技术协同创新平台，成为国内领先、国际先进的抗辐照技术创新研发中心、技术交流及培训专业平台，推动抗辐照技术行业整体进步。我们期待着中国抗辐照应用技术美好的明天！