一種單粒子效應探測裝置及方法

專利名稱：一種單粒子效應探測裝置及方法
技術領域：
本發明涉及空間輻射效應探測領域，具體地說，本發明涉及一種單粒子效應探測 裝置與方法。
背景技術：
空間環境是危害航天器安全與可靠的重要因素。而空間輻射效應是誘發航天器異 常或故障的突出環境效應。空間的高能帶電粒子、磁層亞暴注入和極光沉降等離子體等輻 射環境，易誘發總劑量效應、單粒子效應、表面和深層充電效應等一系列輻射效應，其中單 粒子效應是誘發航天器異常或故障最多的輻射效應之一。在對數字集成電路的單粒子效應 和防護技術深入研究的基礎上，國際航天界發現多例航天器的異常和故障定位于光電器件 和模擬器件的單粒子效應。相對于數字電路中的邏輯位狀態的變化，發生在光電器件和模 擬器件中的單粒子效應表現為這些器件中的敏感部位被單個粒子擊中后，在器件的輸出端 產生異常的輸出脈沖，稱為單粒子瞬態脈沖(Single EventTransient, SET)效應。隨著半導體器件工藝的發展，其抵御單粒子效應的能力急劇下降，對航天器的威 脅更加嚴重。隨著半導體器件特征工藝尺寸達到深亞微米、超深亞微米，器件集成度更高、 運算速度更快，表現出更加優異的電性能；但是，由于驅動器件單元工作所需的最小電荷大 幅度減少，現代工藝器件不可避免地表現出對單粒子效應更加敏感。最近5年國際航天界 的應用表明，當特征尺寸達到和低于0. 35 μ m時，IM位以上的大規模集成電路表現出極其 敏感的單粒子效應，甚至原來需要較高LET (LET全稱是linear energy transfer，譯為線性 能量傳輸)閾值的單粒子鎖定效應現在也較容易發生。而且，更小特征尺寸的半導體工藝 技術仍在快速發展，未來航天器面臨的單粒子效應威脅更加嚴峻。針對單粒子效應對航天器的嚴重威脅，國內外航天界采取了多種應對措施，如多 種方式的防護設計，以及通過在軌監測實施主動防護等。對單粒子效應的有效、準確探測， 是在軌實施主動防護的重要前提，同時也是獲取和研究不同的空間環境/空間天氣擾動事 件對人類航天活動影響規律的重要手段。國內外目前已經發展的單粒子效應探測技術主要 有兩類，第一類是直接采用對單粒子效應敏感的器件(主要是靜態存儲器SRAM)，在軌檢測 器件發生的單粒子效應(主要是單粒子翻轉SEU)的頻次；第二類是采用傳統的高能帶電粒 子探測器(主要是半導體探測器)，有針對性地檢測可能誘發單粒子效應的極高LET (very high linear energy transfer，縮寫為VHLET)事件，推斷可能導致的星用器件單粒子效應 的程度。這兩類單粒子效應探測技術一定程度上實現了對單粒子效應的探測，但均有較大 的弊端。1.以SRAM器件為傳感器的單粒子效應探測技術以SRAM器件為傳感器的單粒子效應探測技術能夠直接測量到了單粒子效應現 象。該技術突出的不足是，測量結果只能反映所采用的傳感器，即具有某固定LET閾值的 SRAM器件的單粒子效應程度，較難準確推斷具有其他LET閾值的器件的單粒子效應程度， 因此測量結果具有較大的片面性。理論上，可以通過一定范圍地改變傳感器SRAM的偏置電
3壓，使其具有不同的LET閾值；但是，這種探測思路實際實現比較困難；即使能夠實現，也只 能是分時測量。當然，可以通過設置多片具有不同LET閾值的SRAM器件進行測量，但是這 種并行測量需要耗費更多的資源。以SRAM器件為傳感器的單粒子效應探測技術另一不足是，采用SRAM這樣的數字 集成電路作為單粒子效應傳感器，需要構建外圍電路對其進行存儲位的讀、寫、檢測和統 計，與實際應用的數據處理數字電路無本質的不同，相對較復雜，相應的探測器質量、體積、 功耗等也相對較大。2.以半導體探測器為傳感器的單粒子效應探測技術以半導體探測器為傳感器的單粒子效應探測技術采用了粒子能量探測器，原則上 能夠實現多LET閾值粒子入射事件的探測。但是，由于空間應用可靠性的限制，所能采用 的半導體探測器的有效厚度較厚，通常為400 μ m左右，這與當前微電子器件對單粒子效應 敏感區域厚度最大為微米、十微米的量級相差甚遠。由于有效探測厚度大，該技術對于能夠 誘發現代工藝器件單粒子效應的LET值為數個MeV. cm2/mg的重離子測量不準，甚至無法測 量，這對于測量星上關鍵器件附件能夠誘發單粒子效應的復雜粒子環境尤其不利。對于探 測通過核反應產生的次級重離子形成的VHLET事件的質子單粒子效應來說，有效探測厚度 極大的探測器測量到的VHLET譜分布與尺寸極小的微電子器件中實際發生的VHLET譜分布 相差極大，因此利用這種探測結果難以正確地推測出微電子器件實際發生的質子單粒子效 應程度。另一方面，這種基于半導體探測器的探測技術采用的是傳統的粒子能量測量技 術，所需用到探測器的質量、體積、功耗等相對較大。

發明內容
本發明要解決的技術問題是克服現有兩類單粒子效應探測技術的弊端，提出以 光電耦合器件(簡稱光耦器件)為傳感器的單粒子效應探測裝置與方法，該探測裝置與方 法能夠準確反映微電子器件發生的單粒子效應水平，具有較準確的LET測量能力，且電路 實現簡單、探測裝置的質量、體積、功耗相對較小。為解決上述技術問題，本發明提供的單粒子效應探測裝置包括光耦傳感器工作單 元、SET幅度甄別單元和SET計數單元；所述光耦傳感器工作單元用于在待測輻射環境中獲 取SET信號，所述SET幅度甄別單元用于將光耦傳感器工作單元獲取的SET信號幅度與閾 電壓進行對比后甄別出不同的SET信號所處的幅度區間，所述SET計數單元用于統計處于 各幅度區間的SET信號的出現次數。其中，所述單粒子效應探測裝置還包括SET信號數據映射單元，所述SET信號數據 映射單元用于根據所述SET幅度甄別單元所得出的SET信號的幅度區間，映射得出所述SET 信號對應的LET值。其中，所述光耦傳感器工作單元包括光耦單元和幅度變換電路，所述光耦單元用 于在待測輻射環境中形成原始SET，所述幅度變換電路用于對原始SET進行無失真地放大 或衰減變換，輸出幅值在0. 8V IOV范圍內的SET。本發明還提供了一種利用上述單粒子效應探測裝置進行單粒子效應探測的方法， 包括以下步驟
1)將所述單粒子效應探測裝置的光電傳感器工作單元置于待測輻射環境中，輸出 SET信號；2)分析甄別SET信號的幅度范圍，區分出對應于不同LET值范圍的SET ；3)統計處于不同幅度區間的SET出現次數，得出相應的單粒子效應的出現次數。其中，所述單粒子效應探測裝置還包括SET信號數據映射單元，所述單粒子效應 探測方法還包括步驟SET信號數據映射單元根據所述SET幅度甄別單元所得出的SET信號的幅度范圍， 以及預先測定的SET幅度與入射粒子LET值的對應關系，得出所述SET信號對應的LET值。其中，所述步驟1)前，還包括步驟用已知的輻照源模擬宇宙空間輻射環境，測得所述單粒子效應探測裝置得到的 SET信號的脈沖幅度與所述LET值的對應關系。其中，所述單粒子效應探測方法還包括步驟選擇一個待測器件，根據所述光耦傳感器工作單元和待測器件對不同LET值的單 粒子效應的響應截面，以及步驟3)得出的對于所述光耦傳感器工作單元的單粒子效應的 出現次數，計算出不同LET值的輻射粒子對于所述待測器件的單粒子效應頻次數。與現有技術相比，本發明所能達到的技術效果包括一、能夠定量表征微電子器件內部的單粒子效應水平。二、能夠實現對數個、十余個MeV. cm2/mg LET的值甚至該量級以下的輻射粒子的測量。三、具有較寬的LET值定量測量范圍。四、所使用的傳感器體積和質量小，電路結構簡單，利于探測裝置器件的輕小型化 和低功耗化。


以下，結合附圖來詳細說明本發明的實施例，其中圖1為本發明實施例中的探測裝置整體框架示意圖；圖2為本發明實施例中的光耦傳感器工作單元電路結構示意圖；圖3為本發明實施例中的SET幅度甄別單元中的一個甄別器的電路結構示意圖；圖4為本發明實施例中的SET幅度甄別原理示意圖；圖5為光耦傳感器單元輸出的SET幅度與LET值的關系曲線示例圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述。發生在光電器件和模擬器件中的單粒子效應表現為這些器件中的敏感部位被單 個粒子擊中后，在器件的輸出端產生異常的輸出脈沖，稱為單粒子瞬態脈沖(Single Event Transient, SET)效應。利用這種單粒子瞬態脈沖效應，本發明提出了一種基于光電耦合器 件(簡稱光耦)的單粒子瞬態脈沖(SET)的單粒子效應探測裝置與方法。本實施例中，通 過測量輻射環境中單個高能粒子轟擊光耦器件產生的SET模擬信號，根據SET的幅度與入 射粒子的LET值的相關性，對SET信號幅度分析及與相關粒子LET值對應，實現一定LET值
5范圍內的單粒子效應的測量。本實施例中，首先測量單個高能粒子轟擊產生的單粒子瞬態脈沖(SET)模擬信 號，分析出SET信號幅度，然后根據SET的幅度與入射粒子的LET值的相關性，將所述信號 幅度與相關粒子的LET值進行映射，得到待測輻射環境的LET值，從而實現對發生在微電子 器件內部的、具有一定LET值范圍的單粒子效應的測量。具體的單粒子效應探測裝置如下如圖1所示，本實施例提供的基于光耦器件的SET的單粒子效應探測裝置主要包 括光耦傳感器工作單元、SET幅度甄別單元和SET計數單元。如圖2所示，光耦傳感器工作單元實現對觸發器件SET效應的輻射粒子產生響應， 主要包括光耦單元和幅度變換電路兩部分。其中，所述光耦單元由光敏晶體管和內部放大 成形電路1組成。所述光敏晶體管能夠接受單個粒子的轟擊，產生弱光電信號，所述內部放 大成形電路1把弱光電信號轉換成幅度較大的SET激勵信號，所述SET激勵信號經過幅度 變換電路預處理后輸出SET，送至所述SET幅度甄別單元。所述幅度變換電路主要是對SET 進行無失真的信號放大或衰減變換，以保證脈沖幅值被調整至預先設定的范圍內，本實施 例所設定的幅值范圍是0. 8V 10V。SET幅度甄別單元由多個甄別器組成。甄別器也就是脈沖幅度甄別器，其電路結構 如圖3所示。每個所述甄別器有一個閾電壓，即甄別閾。當輸入脈沖幅度大于甄別閾時，所 述甄別器輸出一個LET幅值判定信號；當輸入脈沖幅度小于甄別閾時，則所述甄別器無信 號輸出。假設將LET的幅值劃分為n+1個區間，則SET幅度甄別單元設置n+1個甄別器，分 別對應于由低至高排序的閾電壓VTp VT1. . . VTn，所對應的LET幅值判定信號分別為LET。、 LET1. . . LETn0則當SET被捕獲時，根據n+1個甄別器所輸出的LET幅值判定信號中編號最大 的LETiG = 0、1...n)，即可得出當前所捕獲的SET所處的幅值區間。SET信號甄別原理示 意圖如圖4所示。本實施例的SET幅度甄別單元能夠通過不同的甄別閾值區分不同的LET 值范圍內的單粒子事件。甄別器輸出為數字信號，甄別處理后的信號被送入后級串接的n+1 個SET計數單元。所述的第i個(i = 0、1. . . n) SET計數單元輸出光耦傳感器工作單元產 生的LET值為LETi (i = 0、1. . . η)的SET個數，實現對不同LET值范圍內的單粒子事件進 行統計計數。本實施例中，可以進一步增加SET信號數據映射單元。SET信號數據映射單元用 于根據預先測得的LET值與SET幅值的對應關系，將SET幅度甄別單元當前所測得的SET 幅度范圍映射為LET值，從而得出所測輻射環境當前的LET值。圖5為光耦傳感器單元輸 出的SET幅度與LET值的關系示例，實驗測試結果表明SET幅度與入射粒子的LET值存在 一定的相關性，根據這種SET特征與入射粒子的LET值的相關性，可以預先測出SET特征與 入射粒子的LET值的一一對應關系。對于本實施例中的基于光耦器件的單粒子效應探測裝 置，所述LET值與SET幅值的對應關系可以使用地面已有的輻射源預先測試得出。本發明還提供了相應的單粒子效應探測方法，包括以下步驟1)將所述單粒子效應探測裝置的光電傳感器工作單元置于待測輻射環境中，輸出 SET信號；2)分析甄別單粒子瞬態脈沖信號的幅度范圍，區分出對應于不同線性能量傳輸值 范圍的單粒子瞬態脈沖；3)統計處于不同幅度區間的單粒子瞬態脈沖出現次數，得出相應的單粒子效應的
6出現次數。進一步地，所述單粒子效應探測方法還可以包括步驟SET信號數據映射單元根據所述SET幅度甄別單元所得出的SET信號的幅度范圍， 以及預先測定的SET幅度與入射粒子LET值的對應關系，得出所述SET信號對應的LET值。更進一步地，所述單粒子效應探測方法中，在所述步驟1)前，還可以包括步驟用已知的輻照源模擬宇宙空間輻射環境，測得所述單粒子效應探測裝置得到的 SET信號的脈沖幅度與所述LET值的對應關系。更進一步地，所述單粒子效應探測方法還包括步驟選擇一個待測器件，根據所述光耦傳感器工作單元和待測器件對不同LET值的單 粒子效應的響應截面，以及步驟3)得出的對于所述光耦傳感器工作單元的單粒子效應的 出現次數，計算出不同LET值的輻射粒子對于所述待測器件的單粒子效應頻次數。以下，對本發明提供的單粒子效應探測方法作更加深入地描述。所述單粒子效應 探測方法主要包括以下步驟一、選用已知的具有不同LET值L的輻照粒子模擬宇宙空間輻射粒子，測得所述單 粒子效應探測裝置得到的SET信號的脈沖幅度與不同LET值L的對應關系，測得所述單粒 子效應探測裝置得到的SET的個數Ntl與不同LET值Ltl的模擬輻照粒子注量Fq的對應關系。 其中，NcZFtl即為所述探測單粒子效應探測裝置對具體LET值Ltl的輻照粒子單粒子效應響 應截面σ JLtl),也就是說得到所述探測單粒子效應探測裝置的單粒子效應響應截面與不同 LET值的對應關系。二、將所述單粒子效應探測裝置的光耦傳感器置于待測的輻射環境中，光耦傳感 器工作單元實現對待測輻射環境的響應，輸出SET信號。在啟動單粒子效應探測裝置后，可以先對單粒子效應探測裝置進行初步調試，確 保光耦傳感器工作單元能夠支撐光耦單元中的光敏晶體管正常工作，使所述光敏晶體管能 夠接受單個高能粒子的轟擊，形成原始的SET信號，經過幅度變換電路處理輸出SET。三、單粒子效應探測裝置中的SET幅度甄別單元對輻射粒子觸發的光耦傳感器工 作單元所輸出的SET進行幅度甄別分析，實現對不同的LET值范圍的SET進行區分，將甄別 分析結果傳輸給SET信號數據映射單元進行映射得出觸發SET的輻射粒子的具體LET值。四、SET幅度甄別單元實現對不同的LET值范圍的SET進行區分，SET計數單元實 現對不同LET值范圍內SET效應發生頻次數進行統計計數，得到計數K。利用此統計計數， 根據待測器件對不同LET值的單粒子效應的響應截面O2(對于本發明，響應截面O2為已 知參量)，可以推測待測器件對此LET值輻射粒子的單粒子效應頻次數N2 = N1X ο 2/ ο d。本發明是利用光電耦合器件的SET效應開發的新型單粒子效應探測技術。同時是 能夠準確表征微電子器件單粒子效應、具有一定的LET值定量測量范圍、輕小型化和低功 耗化等多種優點的新型單粒子效應探測技術。本發明較傳統的基于靜態存儲器和大尺寸半導體探測器的單粒子效應探測技術 具有如有如下技術優勢 本發明探測到的是微電子器件水平的單粒子效應，探測結果能夠用于準確推測 其他器件發生單粒子效應的程度。 利用光耦器件受單個粒子轟擊產生的SET模擬輸出信號進行單粒子效應探測，具有系列的優點1)利用SET模擬信號進行探測，避免了對SRAM這樣的數字電路信號的復雜的處理 設計；2)光耦器件對輸出的SET信號具有較好的內部放大和成形作用，后續電路實現更 加簡單；3) SET的幅度與入射粒子的LET值有一定的相關性，通過對信號幅度的分析能夠 實現對一定LET值范圍的單粒子效應進行測量，并且克服了大尺寸的半導體傳感器對較小 LET值粒子測量的盲區；4)探測器質量、尺寸、功耗等較小。本發明提出了基于光耦器件的SET對單粒子效應進行探測的技術方案，能夠實 現對低輻射環境的探測，本發明能夠實現對數個到十余個MeV. cm7mg甚至該量級以下 的輻射粒子的測量。另外，本發明的探測器工作系統的質量可以控制在0.5kg內，體積 估算為100*70*70mm、功耗約1W，比常規的單粒子效應探測裝置(質量數千克、體積約為 150*150*150mm、功耗數瓦)的規格小，利于探測裝置器件的輕小型化和低功耗化，特別適 合于空間應用。本發明是空間物理、空間環境領域重要的應用基礎創新，能夠廣泛應用于空間物 理和空間環境的探測和研究中，具有廣闊的應用前景。另外，本發明特別適合應用于各種航 天器搭載使用，為保障航天器安全運行提供準確的單粒子效應危害信息。最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。盡管參 照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方 案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明 的權利要求范圍當中。
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權利要求
一種單粒子效應探測裝置，包括光耦傳感器工作單元、單粒子瞬態脈沖幅度甄別單元和單粒子瞬態脈沖計數單元；所述光耦傳感器工作單元用于在待測輻射環境中獲取單粒子瞬態脈沖信號，所述單粒子瞬態脈沖幅度甄別單元用于將光耦傳感器工作單元獲取的單粒子瞬態脈沖信號幅度與閾電壓進行對比后甄別出不同的單粒子瞬態脈沖信號所處的幅度區間，所述單粒子瞬態脈沖計數單元用于統計處于各幅度區間的單粒子瞬態脈沖信號的出現次數。
2.根據權利要求1所述的單粒子效應探測裝置，其特征在于，所述單粒子效應探測裝 置還包括單粒子瞬態脈沖信號數據映射單元，所述單粒子瞬態脈沖信號數據映射單元用于 根據所述單粒子瞬態脈沖幅度甄別單元所得出的單粒子瞬態脈沖信號的幅度區間，映射得 出所述單粒子瞬態脈沖信號對應的線性能量傳輸值。
3.根據權利要求1所述的單粒子效應探測裝置，其特征在于，所述光耦傳感器工作單 元包括光耦單元和幅度變換電路，所述光耦單元用于在待測輻射環境中形成原始單粒子瞬 態脈沖，所述幅度變換電路用于對原始單粒子瞬態脈沖進行無失真地放大或衰減變換，輸 出幅值在0. 8V IOV范圍內的單粒子瞬態脈沖。
4.一種利用權利要求1所述的單粒子效應探測裝置進行單粒子效應探測的方法，包括 以下步驟1)將所述單粒子效應探測裝置的光電傳感器工作單元置于待測輻射環境中，輸出單粒 子瞬態脈沖信號；2)分析甄別單粒子瞬態脈沖信號的幅度范圍，區分出對應于不同線性能量傳輸值范圍 的單粒子瞬態脈沖；3)統計處于不同幅度區間的單粒子瞬態脈沖出現次數，得出相應的單粒子效應的出現 次數。
5.根據權利要求4所述的單粒子效應探測方法，其特征在于，所述單粒子效應探測裝 置還包括單粒子瞬態脈沖信號數據映射單元，所述單粒子效應探測方法還包括步驟單粒子瞬態脈沖信號數據映射單元根據所述單粒子瞬態脈沖幅度甄別單元所得出的 單粒子瞬態脈沖信號的幅度范圍，以及預先測定的單粒子瞬態脈沖幅度與入射粒子線性能 量傳輸值的對應關系，得出所述單粒子瞬態脈沖信號對應的線性能量傳輸值。
6.根據權利要求5所述的單粒子效應探測方法，其特征在于，所述步驟1)前，還包括步驟用已知的輻照源模擬宇宙空間輻射環境，測得所述單粒子效應探測裝置得到的單粒子 瞬態脈沖信號的脈沖幅度與所述線性能量傳輸值的對應關系。
7.根據權利要求4所述的單粒子效應探測方法，其特征在于，還包括步驟選擇一個待測器件，根據所述光耦傳感器工作單元和待測器件對不同線性能量傳輸值 的單粒子效應的響應截面，以及步驟3)得出的對于所述光耦傳感器工作單元的單粒子效 應的出現次數，計算出不同線性能量傳輸值的輻射粒子對于所述待測器件的單粒子效應頻 次數。
全文摘要
本發明提供一種單粒子效應探測裝置，包括光耦傳感器工作單元、SET幅度甄別單元額和SET計數單元；所述光耦傳感器工作單元用于在待測輻射環境中獲取SET信號，所述SET幅度甄別單元用于將光耦傳感器工作單元獲取的SET信號幅度與閾電壓進行對比后甄別出不同的SET信號的幅度范圍，所述SET計數單元用于統計處于各幅度區間的SET信號的出現次數。本發明還可以進一步包括數據映射單元。本發明能夠實現對數個、十余個MeV.cm2/mg LET的值甚至該量級以下的輻射環境的測量；能夠定量測量表征特定微電子器件單粒子效應的LET值；具有較寬的LET值定量測量范圍；并且所使用的傳感器體積和質量小，電路結構簡單，利于探測裝置器件的輕小型化和低功耗化。
文檔編號G01R31/00GK101907662SQ20091008651
公開日2010年12月8日 申請日期2009年6月4日 優先權日2009年6月4日
發明者安廣鵬, 封國強, 張振龍, 韓建偉, 馬英起 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心