电离辐照诱发面阵电荷耦合器暗信号增大试验

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1、中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2014年8月第4期电离辐照诱发面阵电荷耦合器暗信号增大试验王祖军罗通顶杨少华刘敏波盛江坤(西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安710024)摘要针对电荷耦合器件(CCD)在空间轨道环境中应用时易受到辐射损伤的影响，对面阵CCD的电离辐照损伤效应问题进行了试验研究。首先，通过开展面阵CCD60Co-／射线电离辐照效应试验，在暗场条件下测试了面阵CCD辐照后输出信号随积分时间的变化，并拟合计算出暗信号斜率。然后，对比分析了不同偏置条件下辐照后暗信号

2、退化的试验规律；分析了不同偏置条件下辐照后暗信号的退火恢复情况；分析了不同积分时间、不同总剂量下的暗信号不均匀性的变化规律。最后，阐述了电离辐照损伤诱发面阵CCD暗信号增大的物理机制。结果表明：面阵CCD对电离辐照损伤很敏感，在进行航天器成像系统设计时，要充分考虑CCD受电离辐照损伤带来的影响。关键词面阵电荷耦合器件；电离辐照；暗信号；退火；空间轨道环境DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2014．04．011引言电荷耦合器件(CCD)是航天器成像系统中的核心元器件，星载OCD在空间轨道环境中应用时，会受到空间粒子或射线引起的

3、辐照损伤影响。在低地球轨道环境中，空间辐射总剂量在10_3～10-2kGy(Si)／年；在中高地球轨道环境中，空间辐射总剂量高达0．1～1．0kGy(Si)／年。辐照损伤会诱发CCD暗信号增大，严重时甚至出现CCD像元势阱被暗信号电荷充满，从而导致功能失效。辐照损伤诱发产生的暗信号对科学级成像CCD的影响尤为突出，特别是在空间天文学中应用的CCD需要有较长的曝光时间，以便能探测到宇宙空间中的微弱信号，而辐照损伤诱发产生的大量暗信号会导致整个空间探测任务失败。基于地面模拟辐照试验的研究结果对预估空间辐射环境中在轨工作的电子系统可靠性具有重要价值。国内

4、外开展线阵CCD的辐照损伤效应研究较多，相关文献已报道了开展线阵CCD质子[1]、中子[2]、电子[33和丫射线[4剞辐照的试验规律及损伤机理研究，但国内关于面阵CCD辐照效应试验研究的报道很少，仅少量开展了辐照试验[7]。与线阵CCD相比，面阵CCD结构更复杂，引起暗信号增大的因素更多。目前国内外关于辐照诱发面阵CCD暗信号增大及其退火规律的试验研究报道较少。面阵CCD的暗信号对电离辐照损伤特别敏感。鉴于索尼ICX285AL面阵CCD是国内在成像系统中应用广泛的一款商用科学级CCD芯片，其辐照效应试验研究的结果将对国内成像系统应用设计具有一定的参

5、考价值。本文通过开展索尼ICX285AL面阵CCD的60Co-／射线总剂量辐照效应试验，分析了电离辐照诱发面阵CCD暗信号增大的试验规律；阐述了电离损伤诱发面阵CCD暗信号增大的物理机制。国家自然科学基金(11305126、11235008)，国家重点试验室基金(SKLIPRl211)资助项目收稿日期：2013-12-24。收修改稿日期：2014-04—242014年8月中国空间科学技术2试验与测试方法面阵CCD电离辐照效应试验在抗辐射加固专用60Co了射线源上开展。60Co7射线源的光子能量为1．25MeV，源的不确定度为2．5％。辐照试验样品为

6、索尼ICX285AL商用科学级面阵CCD。辐照剂量率为0．1Oy(Si)／s，分别在总剂量为0．05、0．10、0．15、和0．20kOy(Si)时进行离线测试。通过辐照板提供给被辐照器件偏置电压，选择两种偏置状态对CCD进行总剂量辐照试验，即不加偏置电压状态和加15V偏置电压状态，其中A07。CCD加偏置辐照，A08。CCD不加偏置辐照，A07。和A08。CCD的生产批号均为132JEYK。辐照试验和退火测试方法参考国军标GJB548B微电子器件试验方法和程序及美军标MIL—STD-883H，采用方法1019．8、电离辐照试验程序。在无光照条件下

7、，CCD的输出信号会随积分时间线性增加。在规定条件下，通过改变器件的积分时间，测试对应积分时间下的输出信号，然后以积分时间为横坐标，输出信号为纵坐标，由测试数据给出散点图，并按最小二乘法拟合出一条直线，该直线的斜率K。即为器件单位时间的暗信号。测试暗信号按下列步骤进行：1)连接测试系统，给器件加上规定的电源电压，使器件处于正常工作状态；2)通过图像采集软件采集图像数据，开始测试参数；3)在无光照时，增大积分时间，对每次积分值采集F帧，计算所选积分像元区域内的输出信号(平均灰度值)，并把输出信号与积分时间绘入关系曲线上；4)按照最小二乘法计算输出信号

8、与积分时间的直线方程系数，得到直线的斜率K。；需要计算器件的暗信号电压V。时，可按公式(1)计算。vD—KDT(1)式中V