高能質子輻照導致電荷耦合器件性能退化研究

李 鈺， 文 林， 周 東， 李豫東， 郭 旗

(1. 北京理工大學 光電學院， 北京 100081； 2. 中國科學院 新疆理化技術研究所， 烏魯木齊 830011)

電荷耦合器件(charge-coupled devices, CCD)是一種高靈敏、低噪聲的光電成像器件，被廣泛應用于遙感、氣象及天文等空間光電衛星和光學載荷[1-8]。由于人造衛星所處的空間軌道存在地球輻射帶、太陽質子事件及銀河宇宙射線等輻射環境，輻射效應導致參數退化是影響CCD空間應用性能及可靠性的重要因素，尤其是地球輻射帶中高能質子導致的位移損傷效應[4,9-10]。地球輻射帶是圍繞地球的帶電粒子俘獲帶，由地磁場捕獲帶電粒子而形成，主要由高能質子和高能電子組成，其中，質子能量最高為500 MeV。質子輻照產生的位移損傷效應導致CCD暗電流和電荷轉移效率等參數退化，對CCD的成像性能產生嚴重影響[11]。因此，對于應用于空間環境中的CCD，必須開展輻射效應地面模擬試驗，評估CCD參數和成像性能在高能質子輻照下的退化情況。由于空間應用的CCD一般位于衛星殼體內，受衛星外殼屏蔽及光學載荷鏡頭等的影響，質子能譜分布發生變化。如對于某LEO軌道的地球輻射帶質子能譜分布情況進行粗略計算，當Al屏蔽球殼厚度為2.54 mm時，質子能譜分布的峰值能量約為30 MeV；當Al屏蔽球殼厚度為12.7 mm時，質子能譜分布的峰值能量約為60 MeV[12]。隨著屏蔽材料厚度增加，質子能譜分布的峰值能量變得更大。由于空間典型軌道環境中低能質子成分更豐富，因此，無屏蔽材料的電子元器件主要受空間低能質子位移損傷效應的影響，而有屏蔽材料的電子元器件受低能質子輻射的影響很小，受高能質子輻射的影響更為嚴重。……