空间CCD图像传感器辐射损伤评估方法

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1、航天器环境工程第30卷第6期596SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2013年12月空间CCD图像传感器辐射损伤评估方法1,31,32,32,3高欣，杨生胜，冯展祖，张雷（1.真空低温技术与物理重点实验室；2.空间环境材料行为与评价技术重点实验室；3.兰州空间技术物理研究所：兰州730000）摘要：CCD图像传感器作为高灵敏度光电集成部件，易受空间辐射的影响而发生性能退化和工作异常。开展其辐射效应评价研究并制定相应的防护对策，是保证其在空间可靠应用的前提。文章通过地面模拟试验和辐射屏蔽计算，对空间用CCD图像传感器电离辐射损伤与位移

2、损伤效应开展评估方法研究，为CCD抗辐射加固设计与地面评估试验提供参考。该方法也可用于其他光电器件和材料辐射效应评价。关键词：电荷耦合器件（CCD）；空间辐射环境；辐射效应；电离总剂量；位移损伤剂量；辐射屏蔽中图分类号：TN402;TN406文献标志码：A文章编号：1673-1379(2013)06-0596-06DOI：10.3969/j.issn.1673-1379.2013.06.0060引言用地面辐射源来模拟器件在轨可能受到的辐射损伤，从而评估空间辐射环境对器件性能造成的影CCD（charge-coupleddevice）图像传感器是卫响，以便在设计中采

3、取适当的抗辐射加固措施。电星和飞船中成像仪的核心元器件，应用在包括地球离与位移损伤效应都属于累积辐射效应，其对器件资源卫星、通信卫星、气象卫星、海洋观测卫星、的影响可以通过辐射屏蔽的方法减小或消除；而高陆地观测卫星、天文观测卫星、导航卫星、侦察卫能粒子瞬态效应属于随机事件，其影响不能通过屏星、预警卫星及微型卫星在内的各类卫星上。然而蔽消除，但是可通过器件工艺改进或图像算法处理CCD器件容易受到空间辐射的威胁，辐射损伤会有效降低或消除。诱发CCD敏感参数的退化，出现CCD电荷转移效本文针对低地球轨道电离与位移辐射损伤效率降低、暗电流密度增大、平带电压和阈值电压漂应

4、对CCD成像器件影响的特点，综合考虑卫星轨移等现象，影响器件的正常工作，严重时将导致器[1-6]道辐射环境、成像系统辐射屏蔽结构、地面辐射源件失效。国内外开展了大量的CCD器件辐射效等因素，开展CCD器件累积辐射效应地面模拟评应研究，结果表明：CCD受辐射后主要表现出电估方法研究，为空间辐射环境下CCD器件性能评离损伤和位移损伤2种辐射损伤效应，其中电荷转估与预测提供参考与借鉴。移效率和体暗电流对位移损伤敏感；表面暗电流、[7-14]平带电压和阈值电压对电离损伤敏感。此外，1模拟试验方法瞬态效应即带电粒子在器件敏感层电离形成的电CCD电离和位移辐射损伤效应地面模

5、拟试子空穴对在移位周期内读取形成噪声干扰，也会严验，一般根据卫星轨道辐射环境特点以及卫星在[6]重影响CCD器件对弱光信号的探测。可以通过轨寿命指标，利用电子加速器、质子加速器，60Co器件冗余设计、工艺改进、降额使用等措施来提高γ射线源、中子辐射源等辐照设备，采用加速试验[15-17]CCD的抗辐射能力。当选择的CCD器件达不的方式，对CCD器件进行辐照，对比辐照前后器到抗辐射技术指标要求时，则需要进行屏蔽加固，件性能的变化情况，获得器件抗辐射性能指标，一般根据CCD相机结构，采用金属外壳对相机为器件在轨性能预测与加固措施提供参考数据。CCD器件及相关光路/电

6、路进行辐射屏蔽。CCD器件辐射效应地面模拟试验方法流程如图1星用CCD成像器件在应用之前，一般需要利所示。————————————收稿日期：2013-05-29；修回日期：2013-11-07基金项目：“十二五”装备预先研究项目（编号：51311040301）作者简介：高欣（1972—），男，博士学位，高级工程师，从事航天器空间辐射效应及其防护技术研究。E-mail:gaoxin510@163.com。第6期高欣等：空间CCD图像传感器辐射损伤评估方法597地面辐照最大剂量/等效注量应该达到2倍的辐照余量，并且至少涵盖卫星在轨可能接受剂量的1/2倍、1倍和2倍的

7、辐照参数。1.3能量的选择60601）Coγ射线。Coγ射线不带电，平均能量为1.25MeV，能量基本以电离碰撞形式传递给物质，具有较强的穿透能力。因此对于航天器的材料或电子产品数毫米厚的铝质机箱及集成电路的封装层，可以忽略它们的屏蔽作用。2）电子和质子。根据器件情况选择合适能量的电子和质子进行辐照试验，如果能量较低，带电粒子很难穿透器件的整个敏感层，即使穿透，能量也会大大衰减，而粒子非电离能损随能量减小或减小（电子）或增大（质子），在计算辐射损伤剂量的时候就会出现较大误差。因此，辐照试验前，应去除CCD器件的玻璃窗口，以减小对入射粒子的图1CCD器件辐射效应地

8、面模拟试验方法流程衰减。