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航 天 器 环 境 工 程 第 30卷第 6期
596 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 2013年 12月
空间 CCD 图像传感器辐射损伤评估方法
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:1673-1379201306-0596-06
0 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
CCDcharge-coupled device 图像传感器是卫
响,以便在设计中采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
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、
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 地面模拟试
子空穴对在移位周期内读取形成噪声干扰,也会严
验, 般 根据卫 星轨道 辐射 环境特 点以及 卫星在
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, Co
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
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,
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,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: gaoxin510163.com。
第 6 期 高 欣 等:航 空间天 CCD器 环图 像传感器辐射境 工 程 损伤 评估方法 第 30 卷第 65期 97
596 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 2013年 12月
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 12
倍、1倍和 2 倍的辐照参数。
空间 CCD 图像传感器辐射损伤评估方法
1.3 能量的选择
高 欣 ,杨生胜 ,冯展祖 1 ,张 Co γ 雷射线 。 Co γ 射线不带电, 平均能量
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;
为 1.25 MeV,能量基本以电离碰撞形式传递给物
3. 兰州空间技术物理研究所:兰州 730000
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
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
装层,可以忽略它们的屏蔽作用。
射屏蔽计算,对空间用 CCD图像传感器电离辐射损伤与位移损伤效应开展评估方法研究,为 CCD抗辐射加固
2电子和质子。根据器件情况选择合适能量
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。
的电子和质子进行辐照试验,如果能量较低,带电
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:1673-1379201306-0596-06
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
0 引言 小 用 地面电子或增大 辐射源 来模质子 拟器件在,在 轨可计算辐射损伤 能受到 的辐 射损剂量
伤 ,从 而评估 空间 辐射环境 对器 件性能 造成 的影
的时候就会出现较大误差。 因此, 辐照试验前, 应
CCDcharge-coupled device 图像传感器是卫
响,以便在设计中采取适当的抗辐射加固措施。 电
去除 CCD 器件的玻璃窗口,以减小对入射粒子的
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
图 1 CCD器件辐射效应地面模拟试验方法流程 衰减。考虑到 CCD器件敏感层深度距表面大约几
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
十 μm,建议电子的能量大于 1 MeV,质子的能量
陆地观测卫 radiat星、 ion ef天文 fect 观 on 测 CC卫星、 D devices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
大于 5 MeV。如果不需要获得精确的剂量数据,