揚帆起航 創抗輻照應用技術新天地

隋麗

宇宙空間中高能帶電粒子與星載微電子集成芯片相互作用產生的單粒子效應、總劑量效應、位移損傷效應等，可使航天器發生在軌故障，縮短工作壽命，嚴重時甚至會造成災難性后果。隨著集成電路芯片性能的提高、特征尺寸的減小，使得發生單粒子效應所需要的臨界電荷顯著降低，芯片發生單粒子效應的敏感度較之過去明顯增強。統計資料表明：衛星在軌故障中，71%是由空間輻射效應引起的，其中單粒子效應引起的占55%。我國發射的航天器也曾發生因單粒子效應而出現異常、造成數據傳送中斷的事件，雖未造成災難性的后果，但卻因此丟失大量的科學實驗數據。

空間技術是衡量一個國家現代化水平和綜合國力的重要標志，而其中電子元器件技術發展水平是支撐整個空間應用的關鍵。“神舟系列”載人飛船的成功發射和順利返回以及“嫦娥探月工程”的連續成功，標志著我國已跨入世界航天大國行列。但是我國星用微電子產品的關鍵器件，尤其是微處理器等大規模及超大規模集成電路仍完全依賴進口。隨著國際形勢的變化、空間競爭的加劇，特別是我國載人飛船等的連續成功，更是引起美國為首的西方國家的重視，加強了對我國空間使用關鍵元器件的全面禁運，嚴重制約了我國航天工程等的發展。

為鞏固國防以及國民經濟建設，實現從航天大國到航天強國之間的跨越，國家對航天事業提出了更高的要求。今后將要發射越來越多的新型航天器用于各項空間科學實驗研究、國民經濟以及國防科技建設，研制多品種、高性能、高可靠、抗輻照加固集成電路芯片，開展抗輻照技術，并將相關技術方向的工藝裝備國產化研制、研究成果進行轉化和推廣應用，已成為其中的重大課題，對于航天科技的快速和健康穩定發展具有重要意義。涉及的技術包括：

地面模擬試驗技術研究：輻射場生成技術研究、輻射效應模擬試驗技術研究、輻照效應試驗理論模擬技術研究、輻照實驗新技術及產品開發。

輻射效應測試技術研究：輻射環境參數、材料結構參數對器件輻射效應的影響研究、輻射效應敏感參數在線及離線測試方法研究、復雜集成電路輻射效應的故障注入技術與故障分析技術。

加固性能評估技術：材料抗輻射加固評估技術、器件抗輻射加固評估技術、系統應用加固效果評估試驗技術。

加固技術機理研究：效應物理機制、加固技術驗證方法、加固技術方法研究、抗輻射加固機制研究、抗輻射加固方法試驗驗證。

抗輻照技術應用范圍廣泛，從航天航空至核能核電、民用交通、高性能計算機、生物醫學等高可靠行業都需要利用地面核設備進行抗輻射效應測試。

歐洲抗輻射相關的技術中心最早可以追溯到上世紀六十年代，歐洲太空局（ESA）類似于美國聯邦航空航天局（NASA）、俄羅斯聯邦航天局（RKA）。截止到2012年，ESA有20個會員國，ESA委員會負責機構的政策制定和相關管理工作。ESA致力于提供和推動歐洲各國空間研究和技術的合作。ESA下屬的歐洲空間研究和技術中心（ESTEC）主要負責抗輻射相關的管理和研究工作。ESTEC下屬的歐洲輻照裝置聯合體（ECIF）則主要負責輻射源和輻射實驗相關工作。

ECIF的歷史起源于1980年代，該系統利用了Cf-252和Am-241源，并開展了一些輻照試驗研究。ESTEC后來在1988年建成了Gamma beam 150C的Co-60源，該裝置一直沿用至今。源的初始強度是2040Ci，半衰期是5.3年，至今已經更換過幾次。目前ECIF與瑞士PIF、比利時HIF、芬蘭RADEF等3大輻射實驗終端簽約合作協議，統籌組織和執行ESA相關的抗輻射實驗。ECIF還研制了標準SEU監督器、技術示范單元（TMD）等具有國際影響力的輻射產品，為不同輻射源實驗對比、空間實測一地面實驗數據一致性研究提供了開創性的研究方法和技術手段。

ECIF的第一個主要試驗裝置是瑞士Villigen的Paul Scherrer研究院的質子輻照裝置（Proton Irradiation Facility，PIF）。該裝置于1992年與ESA簽署合作協議。PIF可以提供10-60MeV的低能質子束流和30-250MeV的高能質子束流。ECIF的第二個主要試驗裝置是比利時Universit é Catholique de Louvain （UCL）的重離子裝置（HIF）。該裝置于1996年成為ESA的合作實驗室。HIF的一個有意思的地方是可以提供含有2種離子雞尾酒似的束流——一個高LET雞尾酒和一個高剝離態雞尾酒離子。ECIF的第三個主要試驗裝置是芬蘭Jyvaskyla的輻射效應裝置Radiation Effects Facility （RADEF）。該裝置于2005年通過ECIF成為ESA簽約裝置。隨著集成度和封裝技術進步，現代先進半導體器件重離子試驗時需要通過背部進行輻照，因此通常要求離子具有大的射程。RADEF的特點就是離子能量高、射程長，能適應上述要求。

2005年起，ECIF開展了標準SEU監控系統研究，該系統主要用于校準不同加速器源的束流。系統采用了ATMEL公司的AT60142F SRAM，尺寸6.1mm×11.2mm。因為該系統在束流監控方面的優勢，該系統很快在世界范圍應用起來，成為輻照源一致性對比和校準的通用方法。

2008年起，ECIF開展了技術示范單位（TDM）研究，該研究涵蓋一系列輻射效應試驗，并致力于探索和分析地面、飛行數據的差異。TDM包括了4個不同的輻射效應試驗——標準SEU監控系統中的SEUs（4個SRAM器件）、單粒子鎖定（4個不同的SRAM器件）、飛行技術示范（in-flight technology demonstration）8Gbit FLASH存儲器、總劑量效應測量，雇用RADFET完成。

隨著綜合國力的提高，我國航天事業得到快速發展，“載人航天”“探月工程”等的連續成功，標志著我國已進入世界航天大國的行列。有必要建立與我國地位相適應的、國際領先的、完備的抗輻射應用技術體系，建立良好的機制和完善的設備設施，建立擁有我國自主知識產權的宇航工程服務平臺。器件抗輻照能力能否滿足型號工程要求，其判別標準只能是地面模擬試驗結果。由于技術敏感等原因，此類試驗不可能拿到國外去做，因此必須要依賴國內自身綜合地面模擬試驗條件。因此使用抗輻射加固器件，是確保我國核心綜合電子信息系統遂行既定任務和提高運行可靠性的關鍵。

中國原子能科學研究院具有加速器、反應堆和鈷源房，是國內輻照設施最為完善的、核學科門類最為齊全的綜合性研究院，并已在HI-13串列加速器和100MeV質子回旋加速器上開展了大量的以航天應用為背景的抗輻射地面模擬試驗工作，承擔了國內大部分單粒子效應輻照評估試驗任務，為提高我國航天抗輻射技術水平作出了重要的貢獻。航天五院是我國航天元器件抗輻射保證的承擔單位和責任單位，承擔了各類軍用和民用衛星、載人飛船、空間站用元器件可靠性與質量保證工作，承擔型號用關鍵器件抗輻射保證工作。裝發21所具有鈷源房和反應堆，開展了效應測試技術和效應機理研究工作，均取得了很好的效果。

國防科技工業局以習近平總書記提出的著力推進核心電子元器件等新興戰略安全領域軍民融合發展要求為指引，在2017年3月20日，批復設立了以中國原子能科學研究院為主依托單位、以航天五院和裝發21所為依托單位的先進制造類國防科技工業抗輻照應用技術創新中心（以下簡稱“抗輻照中心”）。中心依據國防科工局的要求，大力實施創新驅動發展戰略和軍民融合發展戰略，著力增強自主創新能力，著力提升創新體系效能，著力優化協同創新環境，努力把抗輻照應用技術創新中心打造成國家科技創新高地和高端創新人才高地。并將建設成為國內頂級、國際一流的空間抗輻照技術單位為目標，著眼于已有基礎.深入發掘未來材料及微電子器件抗輻照應用及相關技術前沿科學熱點。

自2017年11月18日成立以來，抗輻照中心致力于制度建設和創新，組建了理事會、專家委員會和執行機構三大組織機構。通過定期協商、信息共享、合作研究等方式破解了不同類型單位空間上的藩籬和阻礙，并注重跨行業交流，通過積極的聯系和合作，吸納了包括科研院所、大學、公司等類型法人成為中心有機的組成體，實現了產學研一體。在協同創新機制方面，中心以“謀方向、謀發展”為出發點，通過“出問題、出建議、出規劃”，統籌和促進各理事單位協商，凝聚共識，共建共享，做到開放共贏;圍繞創新和應用技術打造創新中心平臺，通過發展規劃、資源協同、創新孵化、技術開發、成果推介、學術交流和人才培養等多個方面，積極協作開展前沿技術研究以及后續的科技成果轉化，建立協同創新機制;致力于圍繞抗輻照行業的熱點以及技術的短板，整合抗輻射加固的一些單項的技術、方法、儀器和材料的需求，凝聚各單位實力，共同策劃創新型項目，爭取成立抗輻射加固芯片的產業聯盟。

抗輻照中心還注重協同創新，自籌經費面向國內外研究單位發布了具有行業引領作用的2018年創新基金指南，明確指出，創新基金的定位為：開展抗輻照應用技術的發展戰略研究，強化科技創新;針對新材料、新器件、新技術中出現的新現象、新機制等開展新原理、新方法研究，探索未來技術發展趨勢，激活原始創新能力;進行工藝裝備的國產化研制及應用示范，實現科技成果的轉化及應用。資助方向則緊緊圍繞抗輻照中心的四個研究方向，即地面模擬試驗技術、輻射效應測試技術、加固性能評估技術、效應物理機制及加固技術機理。這為培育優秀、創新的科研成果提供了良好的平臺。

此外，為促進科技創新和行業發展，為抗輻照應用技術領域的同仁們提供地面模擬試驗技術、輻射效應測試技術、加固性能評估技術、加固技術機理等方面的學習交流平臺，抗輻照中心還推出了抗輻照應用技術高級培訓班，邀請了國內外行業內知名專家授課，從行業的各個角度帶領學員們乘坐微電子器件的飛船，從微觀的原子核出發，遨游在宏觀的宇宙空間，給學員們帶來了學術的盛會和思想的盛宴，在極大程度上促進了我國抗輻照專業技術人員與國外同行之間的學術交流，對我國抗輻照應用技術深入發展、引領國際潮流具有重要的推進作用。

抗輻照中心將繼續致力于整合國內各單位優勢資源，通過解放思想、加強產學研用協同、創新運行管理機制，建立協同創新機制，實現合作共贏，打造抗輻照應用技術領域的國家科技創新和高端創新人才高地，形成軍民兼用、跨行業、跨學科的國防科技工業抗輻照應用技術協同創新平臺，成為國內領先、國際先進的抗輻照技術創新研發中心、技術交流及培訓專業平臺，推動抗輻照技術行業整體進步。我們期待著中國抗輻照應用技術美好的明天！