西安200 MeV质子应用装置200 MeV质子辐照CCD的实验结果与分析

王祖军，薛院院，王 迪，焦仟丽，刘卧龙，杨 业，赵铭彤，王忠明，陈 伟

(1. 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安710024；2. 西北核技术研究所，西安710024；3. 湘潭大学 材料科学与工程学院，湘潭411105)

电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)是一种利用光电效应产生信号电荷、通过MOS结构的电容阵列耦合实现信号电荷的存储和转移、通过器件的输出结构输出电信号实现光电信号转换的器件。因为CCD具有体积小、重量轻、功耗低、量子效率高、动态范围大和分辨率高等优良性能，可为监视、探测、遥感等应用提供高清晰度和高分辨率的实时图像信号，所以CCD广泛应用于成像和探测系统中。然而，当CCD应用于空间辐射环境或核辐射环境中时，由于受辐照损伤的影响，CCD及相关系统性能将会出现退化，严重时，甚至会出现功能失效现象。CCD的辐照损伤效应主要包括电离总剂量效应、位移效应及单粒子效应[1-4]。

在空间辐射环境中，CCD的辐照损伤主要由空间质子引起，CCD的质子辐照损伤效应一直是CCD辐照效应研究的热点问题之一。鉴于空间质子的能谱分布范围较广，在工程应用中开展电子元器件的质子辐照效应评估及比较不同能量质子诱发的位移损伤时，常用非电离能量损失(nonionizing energy loss, NIEL)的概念，并用10 MeV质子等效注量进行位移损伤等效[1,5-6]。由于受加速器质子源条件的限制，我国用于电子元器件质子辐照效应实验的质子能量大多在10 MeV以下[7-10]。如，于庆奎等开展了TDI型CCD的10 MeV质子辐照实验研究[7]；王祖军等开展了线阵CCD的2，5，10 MeV质子辐照实验研究，分析了质子辐照线阵CCD诱发性能退化的实验规律和损伤机理[8-9]；文林等开展了64×64像元面阵CCD的3 MeV和10 MeV质子辐照实验研究，分析了质子辐照面阵CCD诱发位移损伤引起光谱响应的退化规律[10]。在CCD质子辐照效应研究方面，尽管国内外均开展了大量的辐照实验，但中、高能质子辐照CCD的研究报道相对较少，特别是质子能量高于200 MeV的CCD辐照实验结果鲜有报道。此外，在CCD高能质子辐照损伤效应的仿真模拟及高能质子辐照诱发CCD微观缺陷测试等方面，国内外的研究报道也相对较少，这些研究需要有大量的CCD高能质子辐照实验数据作为支撑。由于200 MeV质子的穿透能力强，当开展CCD成像系统的空间辐射损伤效应考核时，200 MeV质子能穿透CCD成像系统的屏蔽防护层、光学镜头及芯片封装层等结构，所以，200 MeV质子可用于CCD成像载荷系统在空间辐射环境中遭受高能质子辐照损伤的地面模拟。

由于通过NIEL建立电子元器件不同能量质子位移损伤等效关系及校验等效系数时，均需要有一定数量的不同能量质子辐照实验数据作为参考，近年来，王祖军等在中国原子能科学研究院回旋质子加速器上开展了1 024×1 024像元面阵CCD的30, 60, 90, 100 MeV质子辐照实验研究，初步得到了CCD不同能量质子辐照损伤的实验规律[11]。2020年6月，西安200 MeV质子应用装置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility, XiPAF)的质子束流能量达到200 MeV，这是我国适于开展辐照效应实验的加速器质子束流能量首次达到200 MeV，为开展电子元器件高能质子辐照实验提供了辐照模拟源条件。本文主要介绍在XiPAF上首次开展的200 MeV质子辐照CCD的实验结果，并对CCD的暗信号、暗电流密度、随机噪声、暗信号不均匀性、暗信号尖峰及其分布等暗场特性参数和饱和输出、动态范围、电荷转移效率等明场特性参数退化的实验规律和损伤机理进行深入分析。

1实验条件与样品

CCD的质子辐照实验在XiPAF上开展。本次实验的质子能量为200 MeV，质子辐照注量率约为4.0×106cm-2·s-1，质子辐照注量为1×1010cm-2。辐照过程中，CCD处于管脚悬空状态。辐照及测试在室温(约25 ℃)下进行。图1为在XiPAF上开展CCD质子辐照实验的现场图。CCD辐射敏感参数测试在基于国际标准EMVA1288[12]的光电成像器件辐射效应测试平台上进行，测试系统如图2所示[13]。辐照前后分别进行了CCD辐射敏感参数测试，辐照后还进行了常温退火测试，退火时间分别为24 h和168 h。

(b)Setup of the high energy proton beam irradiation图1西安200 MeV质子应用装置质子辐照CCD的实验现场图Fig.1Experimental setup for the CCD irradiatedby 200 MeV protons at XiPAF

(a)CCD radiation parameter test system

(b)CCD measurement setup in dark box图2CCD辐射敏感参数测试系统[13]Fig.2CCD radiation parameter test system[13]

辐照样品为索尼公司生产的面阵CCD，型号为ICX285AL。该CCD是一种新型高分辨率科学级CCD图像传感器，采用了逐行扫描输出技术，像元尺寸为6.45 μm×6.45 μm，全分辨率为1 392×1 040，具有100%填充效率，输出最高帧频可达60 s-1，且具有暗信号低、分辨率高和抗晕等优良特性，在我国成像系统中应用广泛。

2实验结果与分析

2.1暗场特性参数

CCD，CMOS图像传感器及红外焦平面等光电成像器件辐照损伤的典型特征是辐照诱发暗场特性参数的退化。CCD在既无光注入又无其他方式注入信号电荷的情况下输出的信号称为CCD的暗信号。在基于国际标准EMVA1288的光电成像器件辐射效应测试平台上测试的暗信号，为暗场图像的灰度值(Gd)。通常，CCD受到质子辐照损伤后，暗场特性参数将发生退化。图3给出了200 MeV质子辐照前后CCD像元阵列中暗信号的分布情况。

(a)Before irradiation

(b)After irradiation(Фp=1×1010 cm-2)图3200 MeV质子辐照前后CCD像元阵列中暗信号的分布情况Fig.3The dark signal distributions of CCD array pixelsbefore and after 200 MeV proton irradiation at XiPAF

由图3可见，辐照前，CCD像元阵列中没有出现暗信号尖峰，而200 MeV质子辐照后，CCD像元阵列中出现大量的暗信号尖峰。辐照诱发CCD产生的暗信号尖峰是指因辐照损伤在CCD的单个像元中沉积了大量能量，从而导致该像元的暗信号幅值增大，超过平均暗信号幅值3倍以上，在图像上呈现白斑或亮点。根据CCD的60Co γ射线辐照和中子辐照实验结果可以推断，图3(b)中的暗信号尖峰主要是质子位移损伤诱发产生的。这是因为γ射线辐照CCD主要产生电离总剂量损伤效应[8,14-15]，位移损伤效应很小，几乎可忽略，γ射线辐照CCD后几乎没有暗信号尖峰产生。中子辐照CCD主要产生位移损伤效应[8,16-17]，电离总剂量损伤效应很小，几乎可以忽略，中子辐照CCD后会诱发大量的暗信号尖峰产生。辐照损伤诱发产生CCD暗信号尖峰是CCD位移损伤的特征现象，也是区别CCD电离损伤和位移损伤的典型特征。从图3(b)还可看出，200 MeV质子辐照后，CCD像元阵列中暗信号增大主要是以暗信号尖峰形式呈现的，像元阵列中暗信号增大程度的差异非常大，即暗信号不均匀性(DSNU)很大；而γ射线辐照诱发CCD的暗信号增大主要是以各像元阵列中暗信号均匀增大为主，各像元暗信号增大程度的差异较小。本文实验结果表明，CCD受200 MeV质子辐照后，暗信号、暗信号尖峰、DSNU等暗场特性参数均出现显著退化。

图4给出了200 MeV质子辐照前后，CCD的像元数随像元阵列中暗信号幅值的分布。

图4200 MeV质子辐照前后CCD的像元数随像元阵列中暗信号幅值的分布Fig.4The distributions of the count of pixel vs. the darksignal in the CCD array pixels before and after200 MeV proton irradiation at XiPAF

由图4可见，辐照前，暗信号的幅值很小，200 MeV质子的辐照注量为1×1010cm-2时，暗信号的幅值显著增大。辐照后， CCD的像元数随像元阵列中暗信号幅值的分布曲线存在明显的拖尾，拖尾部分表征了CCD像元阵列中含有暗信号尖峰的像元数。质子辐照CCD诱发的暗信号在退火24 h和168 h后，均出现一定程度的减小，但仍然远高于辐照前的暗信号，这表明CCD的质子辐照损伤是破坏性损伤。图5给出了200 MeV质子辐照前后，CCD像元阵列中不同暗信号幅值对应的像元数统计分布情况。由图5可见，与辐照前相比，200 MeV质子辐照后，CCD像元阵列中不同暗信号幅值对应的像元数显著增大，退火后不同暗信号幅值对应的像元数略有减小。

图5200 MeV质子辐照前后CCD像元阵列中不同暗信号幅值对应的像元数统计分布Fig.5The statistic distribution of the count of pixel vs.the dark signal in the CCD array pixels before andafter 200 MeV proton irradiation

在无光照条件下，CCD的平均暗信号会随积分时间线性增加。参考国际标准EMVA1288，暗电流的计算公式为[12]

Qd=Qd0+Idti

(1)

其中，Id为暗电流；ti为积分时间；Qd0为积分时间为0及无光照条件下的平均暗信号；Qd为积分时间为ti及在无光照条件下的平均暗信号。本文的平均暗信号为暗场图像的平均灰度值(Gd,ave)。

质子辐照CCD诱发的电离损伤会导致CCD表面暗信号增大，质子辐照CCD诱发的位移损伤会导致CCD体暗信号增大。图6给出了200 MeV质子辐照前后，CCD像元阵列中平均暗信号随积分时间的变化关系。由图6可见，200 MeV质子辐照注量为1×1010cm-2时，CCD像元阵列中的平均暗信号比辐照前显著增大，且随积分时间增大而线性增大，符合式(1)关系。辐照后的退火测试结果表明，质子辐照后的平均暗信号在积分时间较大时，退火效果更加明显。图7为200 MeV质子辐照CCD诱发的暗电流密度增大及辐照后的退火测试曲线。由图7可见，200 MeV质子辐照注量为1×1010cm-2时，CCD像元阵列中的暗电流密度比辐照前显著增大。辐照后的退火测试结果表明，CCD的暗电流密度出现一定程度的恢复，但并没有恢复到辐照前的水平。

图6200 MeV质子辐照前后CCD的平均暗信号随积分时间的变化关系Fig.6The mean dark signal of the CCD array pixels vs. integration time before and after 200 MeV proton irradiation

图7200 MeV质子辐照CCD诱发的暗电流密度增大及辐照后的退火测试曲线Fig.7200 MeV proton irradiaton induced the darkcurrent density increase and the annealing test curve after irradiation

质子辐照CCD诱发的位移损伤会导致CCD的DSNU增大。DSNU为暗场图像各像元中灰度值的不均匀性(GDSNU)。图8为200 MeV质子辐照CCD诱发的DSNU增大及辐照后的退火测试曲线。由图8可见，200 MeV质子辐照注量为1×1010cm-2时，CCD像元阵列中的DSNU比辐照前显著增大。质子辐照诱发CCD的DSNU增大，主要源于CCD的不同像元中暗信号的差异。由图3(a)可见，辐照前，不同像元中暗信号幅值的差异很小；辐照后，由于暗信号尖峰的产生，导致CCD的不同像元中暗信号幅值的差异很大。退火后，CCD像元阵列中暗信号幅值出现一定程度的减小，这主要是由于质子辐照诱发的体缺陷在退火过程中经过一系列的动态演化过程后，一部分晶格中因辐照引起移位的原子重新回到辐照前的晶格位置，从而减少了体缺陷密度。

(a) XiPAF

CCD的随机噪声是指在无光照条件下，CCD像元阵列中各有效像元输出信号的标准偏差。本文中随机噪声为暗场图像中各像元输出灰度值的标准偏差(σn,dark)。图9为200 MeV质子辐照CCD诱发的随机噪声增大及辐照后的退火测试曲线。由图9可见，CCD的随机噪声在辐照后显著增大，这是由于质子辐照后，CCD各有效像元阵列中的输出信号明显增大，且由于质子诱发产生暗信号尖峰导致各有效像元中输出信号的差异也很大，从而导致随机噪声增大。辐照后的退火过程中，随机噪声出现一定程度的减小，但远未恢复到辐照前的水平。

图9200 MeV质子辐照CCD诱发的随机噪声增大及辐照后的退火测试曲线Fig.9200 MeV proton irradiaton induced the random noise increase and the annealingtest curve after irradiation

2.2明场特性参数

CCD受到质子辐照损伤后，不仅暗场特性参数发生了显著退化，而且明场特性参数也出现了一定程度的退化。CCD处于饱和曝光量时的输出称为饱和输出。饱和输出是CCD可以产生的最大输出信号。本文测试的饱和输出为光照条件下输出图像的最大灰度值(Gs)。当CCD达到饱和输出时，尽管入射光强增加，但输出信号并不增加。图10为200 MeV质子辐照CCD诱发的饱和输出减小及辐照后的退火测试曲线。由图10可见，200 MeV质子辐照后，CCD的饱和输出略有减小，这是由于质子辐照后，CCD的输出电路单元受到辐照损伤的影响导致输出增益下降。实验测试结果表明，辐照前该CCD的输出增益为5.40，辐照后降为5.33。与辐照前相比，饱和输出在200 MeV质子辐照注量为1×1010cm-2时略有减小，在辐照后的退火测试中略有恢复。

图10200 MeV质子辐照CCD诱发的饱和输出减小及辐照后的退火测试曲线Fig.10200 MeV proton irradiaton induced the satuation output decrease and the annealingtest curve after irradiation

CCD的动态范围(DR)是指饱和曝光量时的输出信号与暗场环境下随机噪声的比值。DR可以表征CCD输出信号随输入曝光量线性变化的范围。参考国际标准EMVA1288，DR的计算公式为[12]

(2)

其中，RDR为动态范围；Qs为饱和输出信号；σn,dark为暗场环境下的随机噪声。

质子辐照损伤会诱发CCD的DR减小，从而影响CCD的成像质量。图11为200 MeV质子辐照CCD诱发的DR减小及辐照后的退火测试曲线。由图11可见，200 MeV质子辐照后，CCD的DR出现明显减小，这是由于质子辐照后CCD的饱和输出减小，而暗场环境下的随机噪声增大。退火后，DR出现较小幅度的增大，这是因为饱和输出和暗场环境下的随机噪声退火恢复程度均很小。

图11200 MeV质子辐照CCD诱发的DR减小及辐照后的退火测试曲线Fig.11200 MeV proton irradiaton inducedthe dynamic range decrease and the annealingtest curve after irradiation

质子辐照还会导致CCD的电荷转移效率(charge transition efficiency, CTE)降低。CCD的信号电荷从一个势阱转移到相邻一个势阱时，信号电荷存在一定的损失，转移后的信号电荷与转移前的信号电荷之比称为CTE，记为ηCTE。辐照前CCD的CTE通常为99.99%～99.999 9%。为更好地比较辐照前后CTE的变化，通常使用电荷转移损失率(charge transition in-efficiency, CTI)进行比较。CTI记为ηCTI，ηCTI=1-ηCTE。本次实验中采用扩展像素边界响应(EPER)法测量辐照前后CCD的ηCTI。结果表明，在饱和光照条件下，辐照前测试的ηCTI为(4.75±0.04)×10-5，在注量为1×1010cm-2的200 MeV质子辐照后，ηCTI为(6.06±0.02)×10-5。在半饱和光照条件下，辐照前测试的ηCTI为(7.88±0.11)×10-5，在注量为1×1010cm-2的200 MeV质子辐照后，ηCTI为(11.64±0.03)×10-5。质子辐照CCD诱发CTE降低(CTI增大)主要源于信号电荷在CCD的转移沟道中被质子辐照诱发的体缺陷俘获部分信号电荷，导致信号电荷转移损失[18]。

3结论

本文通过在XiPAF上首次开展200 MeV质子辐照CCD实验，得到了200 MeV质子辐照诱发CCD性能退化的实验规律。结果表明，当质子辐照注量为1×1010cm-2时，CCD的暗信号、暗电流、DSNU、随机噪声、暗信号尖峰及其分布等暗场特性参数退化显著，退火后暗场特性参数出现明显恢复，但远未恢复到辐照前的水平；与暗场特性参数相比，CCD的饱和输出、动态范围、CTE(或CTI)等明场特性参数的退化程度相对较小，退火后略有恢复。本文的实验结果为开展CCD不同能量质子位移损伤等效及空间辐射损伤效应预估，提供了高能质子辐照实验数据参考。

下一步工作拟在XiPAF上系统开展不同能量质子对不同类型和结构的光电成像器件的辐照实验，质子能量范围将涵盖10，30，60，80，100，150，200 MeV，为光电成像器件及相关系统的不同能量质子位移损伤等效研究积累基础实验数据，并深入研究其效应规律和损伤机理。