高能质子辐照导致电荷耦合器件性能退化研究

李 钰， 文 林， 周 东， 李豫东， 郭 旗

(1. 北京理工大学 光电学院， 北京 100081； 2. 中国科学院 新疆理化技术研究所， 乌鲁木齐 830011)

电荷耦合器件(charge-coupled devices, CCD)是一种高灵敏、低噪声的光电成像器件，被广泛应用于遥感、气象及天文等空间光电卫星和光学载荷[1-8]。由于人造卫星所处的空间轨道存在地球辐射带、太阳质子事件及银河宇宙射线等辐射环境，辐射效应导致参数退化是影响CCD空间应用性能及可靠性的重要因素，尤其是地球辐射带中高能质子导致的位移损伤效应[4,9-10]。地球辐射带是围绕地球的带电粒子俘获带，由地磁场捕获带电粒子而形成，主要由高能质子和高能电子组成，其中，质子能量最高为500 MeV。质子辐照产生的位移损伤效应导致CCD暗电流和电荷转移效率等参数退化，对CCD的成像性能产生严重影响[11]。因此，对于应用于空间环境中的CCD，必须开展辐射效应地面模拟试验，评估CCD参数和成像性能在高能质子辐照下的退化情况。由于空间应用的CCD一般位于卫星壳体内，受卫星外壳屏蔽及光学载荷镜头等的影响，质子能谱分布发生变化。如对于某LEO轨道的地球辐射带质子能谱分布情况进行粗略计算，当Al屏蔽球壳厚度为2.54 mm时，质子能谱分布的峰值能量约为30 MeV；当Al屏蔽球壳厚度为12.7 mm时，质子能谱分布的峰值能量约为60 MeV[12]。随着屏蔽材料厚度增加，质子能谱分布的峰值能量变得更大。由于空间典型轨道环境中低能质子成分更丰富，因此，无屏蔽材料的电子元器件主要受空间低能质子位移损伤效应的影响，而有屏蔽材料的电子元器件受低能质子辐射的影响很小，受高能质子辐射的影响更为严重。经卫星外壳屏蔽后，质子能谱分布的峰值能量约为60 MeV。对宽能谱范围质子辐射导致的位移损伤效应进行准确预测，可通过对宽能谱范围内每个能量的质子进行位移损伤效应试验来实现。然而，在地面模拟试验中，受质子加速器装置能量可调范围和机时等的限制，考虑成本和时间等因素，质子位移损伤效应评估只能选某一个或几个能量的质子进行辐照试验，然后普遍采用非电离能损(non-ionizing energy loss, NIEL)等效方法对测试结果进行内插和外推以获得完整的损伤谱[13]。

然而，使用NIEL等效方法仍然存在一些问题，如高能质子入射导致复杂位移损伤缺陷产生的情况及可见光成像器件CCD的热像素问题[14-18]。受质子加速器装置质子能量可调范围的限制，能量高于60 MeV的质子辐照导致CCD位移损伤效应的报道较少。本文基于西安200 MeV质子应用装置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility, XiPAF)的质子辐照条件，开展了能量高于60 MeV的质子辐照试验，获得了高能质子辐照导致CCD性能退化的典型结果，提出了高能质子辐照试验中需重点考察CCD的热像素退化情况。

1 辐照试验

试验样品为一款2K×1K像素的行间转移面阵CCD器件，在XiPAF上完成60 MeV和100 MeV质子辐照试验，辐照期间CCD所有管脚短接并接地，电偏置状态为零偏置，试验样品编号和质子辐照条件列于表1。

表1 质子辐照试验条件Tab.1 Irradiation test conditions

分别在质子辐照前和辐照后对CCD进行参数测试，主要测试的参数为暗电流、电荷转移效率、饱和输出电压和热像素，测试系统原理图及实物图分别如图1和图2所示。

图1 CCD参数测试装置原理图Fig.1 Schematic diagram of CCD parameter test equipment

图2 CCD参数测试现场装置实物图Fig.2 CCD parameter test equipment

除因光照产生的电子外，可见光成像器件CCD会因热激发产生电子-空穴对，即无光照时，CCD内也会因热激发产生电子，即暗电流。暗电流是指在无光照条件下，CCD的输出信号随积分时间线性增加。暗电流的测试主要是测试CCD输出信号与曝光时间的变化关系。在规定条件下，通过改变CCD的积分时间，测试对应积分时间下的输出信号，然后以积分时间为横坐标，输出信号为纵坐标，由测试数据给出散点图，并按最小二乘法，拟合出一条直线，该直线的斜率为CCD单位时间的暗信号，即暗电流。

CCD正常工作时，电荷包在势阱之间顺序转移。电荷包经像元转移后存在电荷损失，电荷包电量会减小，损失的电荷则成为后序尾像元中的延迟电荷。CCD两个相邻转移栅极之间有效信号电荷转移的效率称为电荷转移效率。由于电荷转移过程中损失的电荷成为后序尾像元中的延迟电荷，因此，可采用延迟的电荷(第1个拖尾像元或1组像元)来导出CCD的电荷转移效率。即在均匀光照条件下，光信号均匀地注入CCD，产生一个均匀的图像。将图像读出后，使用额外的时钟周期将损失的电荷产生的拖尾像元或通过扫描像素信号读出，并除以传输次数和光场下像素中的信号，则得到电荷转移损失率ε，电荷转移效率η可表示为

η=1-ε

(1)

CCD的光响应输出信号是曝光量和曝光时间的线性函数。因此，在一定的辐照强度下，增加积分时间可改变入射曝光量。在一定的辐照强度下，可见光图像传感器输出信号的最大值为饱和输出信号，用电压值表示即称为饱和输出电压。在一定的光照条件下，通过改变积分时间，测出对应曝光量下的输出信号，然后以曝光量为横坐标，输出信号为纵坐标，由测试数据给出散点图，并按最小二乘法，分别对线性区及饱和区拟合出2条直线，2条直线的交点的纵坐标即为器件的饱和输出信号，转换为电压值即为饱和输出电压。

热像素是CCD的暗信号尖峰。在CCD工作过程中，由于存在热激发，在没有光注入的情况下，CCD依然会出现信号电荷，这种信号称为暗信号，辐射产生的缺陷在CCD像元内分布不均匀导致暗信号分布出现尖峰，即热像素。N个像素的平均暗信号可表示为

(2)

其中，μd为N个像素的平均暗信号；μd,i为第i个像素的暗信号。在暗场条件下，CCD某些像素的暗信号μd,i高于像素的平均暗信号μd一定倍数R，则认为此像素为热像素。由此可以得到N个像素内的热像素数目NH为

(3)

其中，

(4)

在实际测试中，一般使用R=1.5作为判定热像素的条件。

2 试验结果与分析

质子辐照试验采用质子的能量为60 MeV和100 MeV，由于辐照试验现场测试条件的限制，辐照偏置状态仅选用零偏，即器件所有管脚短接后接地，辐照试验中CCD器件开帽，确保质子能量和注量不会因为封装材料的阻挡发生歧离。试验中，CCD的位移损伤效应敏感参数暗电流和电荷转移效率均出现退化，对位移损伤效应不敏感的饱和输出电压没有明显变化。辐照注量为5×1010cm-2时，60 ，100 MeV质子辐照前后CCD的暗电流退化情况分别如图3和图4所示。由图3可见，辐照前CCD的暗电流为10.15 mV·s-1，辐照后暗电流增加到258.51 mV·s-1。由图4可见，辐照前CCD的暗电流为8.65 mV·s-1，辐照后暗电流增加到24.59 mV·s-1。

图3 辐照注量为5×1010 cm-2时， 60 MeV质子辐照前后CCD的暗电流退化情况Fig.3 The dark current degradation ofCCD before and after 60 MeV proton irradiation withirradiation dose of 5×1010 cm-2

图4 辐照注量为5×1010 cm-2时，100 MeV质子辐照前后CCD的暗电流退化情况Fig.4 The dark current degradation ofCCD before and after 100 MeV proton irradiation withirradiation dose of 5×1010 cm-2

只对位移损伤效应敏感的参数电荷转移效率的退化情况为：60 MeV质子辐照前为0.999 850，辐照后退化为0.999 768；100 MeV质子辐照前为0.999 867，辐照后变为0.999 869。100 MeV质子辐照后，电荷转移效率没有产生明显的变化。表2所列为不同能量质子辐照下电荷转移效率的变化情况。

表2 不同能量质子辐照下电荷转移效率退化情况Tab.2 Degradation of charge transfer efficiency(CTE) underproton irradiation of different energies

将其他所有能量的质子辐照试验结果中电荷转移效率的变化量及电荷转移效率随NIEL的退化率进行同一尺度下的计算和比较，可见，电荷转移效率随NIEL的退化率基本保持不变，表明在衡量电荷转移效率退化情况时，CCD的位移损伤效应可以在NIEL尺度下进行归一化的统计和预测。

辐照注量为5×1010cm-2时，60,100 MeV质子辐照前后CCD的饱和输出电压退化情况如图5和图6所示。由图5和图6可见，60,100 MeV质子辐照前后没有观察到饱和输出电压的明显退化。以前研究发现，饱和输出电压是电离总剂量效应的敏感参数，对位移损伤不敏感[19]。图5和图6所示结果表明，辐照注量为5×1010cm-2时，60,100MeV质子导致的辐射损伤以位移损伤为主。

图5 辐照注量为5×1010 cm-2时， 60 MeV质子辐照前后CCD的饱和输出电压退化情况Fig.5 The saturation output voltage degradation ofCCD before and after 60 MeV proton irradiation withirradiation dose of 5×1010 cm-2

图6 辐照注量为5×1010 cm-2时， 100 MeV质子辐照前后CCD的饱和输出电压退化情况Fig.6 The saturation output voltage degradation ofCCD before and after 100 MeV proton irradiation withirradiation dose of 5×1010 p·cm-2

以上研究发现，CCD的质子辐照试验参数退化率随质子能量的变化在NIEL尺度下保持一致，即若采用NIEL尺度对不同能量的质子辐照产生的位移损伤剂量进行归一化，则器件参数的退化情况不依赖于质子能量，仅与总的NIEL的大小有关。

必须注意的是，以上参数均是器件的宏观参数，损伤程度依赖于质子在器件内沉积的总能量。但对于CCD和CMOS图像传感器等光电成像器件，还有一种微观参数，热像素，其退化程度与质子在器件材料中能量沉积的个体差异有关，因此仅凭借NIEL的大小不足以评估器件的位移损伤效应。热像素的质子辐射效应现象首先从图像传感器像素阵列的3维图中发现，图7和图8分别为辐照注量为5×1010cm-2时，60，100 MeV质子辐照前后CCD像素阵列暗场下输出信号的3D图。其中，有尖刺的一半图像为辐照后的像素。由图7和图8可见，辐照后，像素中出现大量的尖刺，称为暗信号尖峰，即热像素。尖刺的数目和灰度值水平分布没有一定的规律，依赖于每个像素内质子能量沉积的随机分布，与NIEL没有对应关系。

图7 辐照注量为5×1010 cm-2时， 60 MeV质子辐照前后CCD像素阵列暗场下输出信号的3D图Fig.7 3D image of the output signal of the CCD pixel arraywithout illumination before and after 60 MeV proton irradiation with fluence of 5×1010 cm-2

图8 辐照注量为5×1010 cm-2时， 100 MeV质子辐照前后CCD像素阵列暗场下输出信号的3D图Fig.8 3D image of the output signal of the CCD pixel arraywithout illumination before and after 100 MeV proton irradiation with fluence of 5×1010 cm-2

辐照注量为5×1010cm-2时，60，100 MeV质子辐照前后CCD像素阵列暗场下的热像素分布如图9和图10所示。其中，亮点为热像素，没有亮点的部分为辐照前的图像。由图9和图10可见，尽管是不同能量的质子辐照导致的现象，但进行比较，由于热像素分布不均匀，当截取的区域不同时，热像素的统计结果显著不同。因此，对于热像素这样表征图像传感器像素间微观差异的参数，不能采用NIEL尺度进行评估，而应针对具体器件类型，采用指定的质子能量，并选择与应用有关的特性参数进行辐照试验评估。

图9 辐照注量为5×1010 cm-2时，60 MeV质子辐照前后CCD像素阵列暗场下的热像素分布Fig.9 Hot pixels distribution of CCD pixel array withoutillumination before and after 60 MeV proton irradiation with fluence of 5×1010 cm-2

图10 辐照注量为5×1010 cm-2时，100 MeV质子辐照前后CCD像素阵列暗场下的热像素分布Fig.10 Hot pixels distribution of CCD pixel array withoutillumination before and after 100 MeV proton irradiation with fluence of 5×1010 cm-2

3 小结

CCD是目前空间光电卫星及光学载荷上广泛采用的一种高灵敏、低噪声的光电成像器件，高能质子导致的位移损伤效应是CCD空间应用面临的主要威胁。为保障空间应用的可靠性，必须基于具体轨道环境的质子能谱分布情况，进行CCD位移损伤效应地面模拟试验评估。然而，地面模拟试验条件及敏感参数还需进行深入研究。本文针对空间环境中高能质子辐射导致CCD性能退化评估的问题，通过开展能量高于60 MeV的质子辐照试验，考察了CCD的重要性能参数暗电流和电荷转移效率受质子辐照的退化情况及质子辐照后CCD的热像素产生情况。研究发现：高能质子辐照导致CCD性能退化的敏感参数包括暗电流、电荷转移效率和热像素，饱和输出电压对质子辐照不敏感；辐照注量为5×1010cm-2，60 MeV和100 MeV的质子辐照后，暗电流和电荷转移效率出现了一定程度的退化，然而，更加显著的退化表现为产生了大量的热像素。通过采用NIEL等效分析发现：60 ，100 MeV质子辐照导致暗电流和电荷转移效率的退化可通过NIEL进行等效，辐照注量相同的情况下，质子能量越低，其在CCD内产生的位移损伤剂量越大，暗电流和电荷转移效率退化越严重；而热像素产生则不能等效，辐照注量相同的情况下，60 MeV质子导致的热像素没有显著地多于100 MeV质子，另一方面，质子辐照后图像中热像素的分布不均匀，图像不同区域内热像素的数量明显不同。因此，在进行高能质子辐照导致CCD性能退化评估时，需重点考察热像素产生情况，且需针对实际应用的辐射环境，采用合适的质子能量进行更具针对性的辐照试验。

致谢

感谢西北核技术研究所王忠明给予的指导和帮助。