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电荷耦合器件质子辐照损伤实验及数值模拟研究

作　者: 王祖军
导　师: 刘以农
学　校: 清华大学
专　业: 核科学与技术
关键词: 电荷耦合器件质子辐照位移损伤电离损伤数值模拟
分类号: TN386.5
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

电荷耦合器件（CCD）作为航天器成像系统中的核心元器件，遭受空间质子辐照损伤的问题备受关注，国内相关研究开展的较少，论文根据我国CCD辐射效应研究现状和存在的空白与不足，在国内率先开展了CCD不同能量质子辐照损伤实验，以及质子辐照损伤效应的数值模拟研究。结合辐照实验和数值模拟深入分析了CCD的辐照损伤机理。论文还开展了不同粒子辐照CCD损伤的异同性研究，以及CCD辐照损伤的预估方法研究。本论文的主要研究工作如下：开展了CCD不同能量质子辐照损伤的实验研究，分析了CCD质子辐照损伤规律。比较了不同能量质子辐照CCD导致敏感参数的退化程度以及导致功能失效时的累积辐照注量。通过粒子输运模拟计算，分析了CCD不同能量质子辐照损伤差异的原因。探索研究了低能质子与高能质子位移损伤的等效性，从而为拓展到空间辐射环境中宽广能谱范围内质子对CCD辐照损伤的预估提供了理论依据。开展了CCD质子辐照损伤效应的数值模拟方法研究，建立了线阵CCD的器件物理模型，设计了三相时序脉冲驱动电路模型，实现了CCD信号电荷的形成以及动态转移过程的数值模拟。建立了CCD质子辐照损伤效应模型，实现了CCD质子辐照损伤效应的数值模拟。从入射粒子在靶材料中的相互作用机制，能量沉积和诱发器件敏感参数的退化等方面分别比较了质子与中子、电子、和γ射线辐照CCD造成损伤的异同性。通过对比CCD质子、中子和γ辐照实验结果，确定了电荷转移效率是CCD质子位移损伤的辐照敏感参数。开展了CCD辐照损伤的预估方法研究，介绍了NIEL法、解析法、辐射输运法、稳态缺陷法等预估方法。提出了预估CCD辐照损伤效应的数值模拟法，该方法不仅能得到CCD辐照前后敏感参数的退化规律，而且有助于清晰的了解辐照损伤机理。通过本论文的研究，验证了CCD质子辐照实验方案和数值模拟方法，弄清了CCD质子辐照损伤机理，为CCD抗质子辐照加固和损伤效应预估技术研究提供了理论基础和实验技术支持。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-22
  1.1 课题研究的目的和意义  10-11
  1.2 国内外 CCD 辐照效应的研究状况  11-21
    1.2.1 辐照诱导 CCD 敏感参数的退化  11-17
    1.2.2 CCD 抗辐照加固技术研究进展  17-19
    1.2.3 CCD 辐照效应研究的发展趋势  19-21
  1.3 论文研究内容及主要工作  21-22
第2章 CCD 的结构、原理和辐照效应  22-36
  2.1 CCD 的基本结构和工作原理  22-29
    2.1.1 CCD 的基本结构  22-25
    2.1.2 CCD 的工作原理  25-29
  2.2 CCD 的辐照损伤效应  29-35
    2.2.1 CCD 的电离辐照效应  29-32
    2.2.2 CCD 的位移辐照效应  32-35
  2.3 本章小结  35-36
第3章 CCD 质子辐照损伤实验与分析  36-82
  3.1 CCD 质子辐照损伤实验  36-44
    3.1.1 质子辐照实验方法  36-37
    3.1.2 被辐照器件及其测试系统  37-44
  3.2 电荷转移效率的实验测试与退化机理分析  44-57
    3.2.1 电荷转移效率的测试方法  44-46
    3.2.2 电荷转移效率的实验测试结果与分析  46-56
    3.2.3 电荷转移效率的退化机理分析  56-57
  3.3 暗信号电压、暗信号不均匀性和暗信号尖峰的测试  57-69
    3.3.1 暗信号电压的实验结果与分析  58-63
    3.3.2 暗信号增大的机理分析  63-66
    3.3.3 暗信号不均匀性的实验测试结果与分析  66-68
    3.3.4 暗信号尖峰实验结果与分析  68-69
  3.4 哑元输出电压的实验测试与退化机理分析  69-74
    3.4.1 哑元输出电压的实验测试结果与分析  69-74
    3.4.2 哑元输出电压退化的损伤机理分析  74
  3.5 光响应不均匀性的实验测试与退化机理分析  74-77
  3.6 噪声、动态范围和信噪比的实验测试与分析  77-81
  3.7 本章小结  81-82
第4章 CCD 不同能量质子辐照损伤的比较  82-100
  4.1 质子的粒子输运理论计算方法  82-86
    4.1.1 核阻止或弹性能量损失  82-84
    4.1.2 电子阻止或非弹能量损失  84-86
  4.2 不同能量质子辐照 CCD 的粒子输运理论计算  86-90
  4.3 低能质子辐照 CCD 实验结果的比较与分析  90-95
    4.3.1 电荷转移效率退化的比较与分析  90-92
    4.3.2 暗信号电压退化的比较与分析  92-94
    4.3.3 哑元输出电位退化的比较与分析  94-95
  4.4 高能质子辐照 CCD 实验结果的比较与分析  95-98
  4.5 不同能量质子辐照损伤的等效性分析  98-99
  4.6 本章小结  99-100
第5章 CCD 质子辐照损伤效应的数值模拟  100-127
  5.1 CCD 器件建模  100-104
    5.1.1 器件结构和参数模型  100-102
    5.1.2 驱动电路设计  102-104
    5.1.3 器件物理模型  104
  5.2 CCD 信号电荷动态转移过程的数值模拟  104-110
    5.2.1 信号电荷包形成的数值模拟  105-106
    5.2.2 信号电荷包动态转移过程的数值模拟  106-107
    5.2.3 信号形成和转移过程中电子浓度分布的数值模拟  107-109
    5.2.4 信号形成和转移过程中势阱分布的数值模拟  109-110
  5.3 CCD 器件参数的数值模拟  110-114
    5.3.1 电荷转移效率的数值模拟  110-113
    5.3.2 暗信号的数值模拟  113-114
  5.4 CCD 质子辐照效应的数值模拟  114-126
    5.4.1 CCD 质子辐照效应建模  114-116
    5.4.2 CCD 质子位移辐照损伤效应的数值模拟  116-123
    5.4.3 CCD 质子电离辐照损伤效应的数值模拟  123-126
  5.5 本章小结  126-127
第6章质子与中子、电子和γ辐照 CCD 损伤的异同性  127-139
  6.1 质子与中子辐照 CCD 损伤的异同性  127-134
    6.1.1 质子与中子辐照损伤作用机制的异同性  127-130
    6.1.2 质子与中子辐照损伤对 CCD 敏感参数退化的异同性  130-134
  6.2 质子与电子辐照 CCD 损伤的异同性  134-135
  6.3 质子与γ射线辐照 CCD 损伤的异同性  135-138
  6.4 本章小结  138-139
第7章 CCD 辐照损伤的预估方法  139-153
  7.1 NIEL 法  139-141
  7.2 解析法  141-144
  7.3 辐射输运法  144-147
  7.4 稳态缺陷法  147-149
  7.5 数值模拟法  149-152
  7.6 本章小结  152-153
第8章结论与展望  153-155
参考文献  155-160
致谢  160-162
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  162-163

电荷耦合器件质子辐照损伤实验及数值模拟研究

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