專利名稱：一種單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間輻射效應(yīng)探測(cè)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種單粒子效應(yīng)探測(cè) 裝置與方法。
背景技術(shù)：
空間環(huán)境是危害航天器安全與可靠的重要因素。而空間輻射效應(yīng)是誘發(fā)航天器異 常或故障的突出環(huán)境效應(yīng)?？臻g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(huán)境，易誘發(fā)總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)、表面和深層充電效應(yīng)等一系列輻射效應(yīng)，其中單 粒子效應(yīng)是誘發(fā)航天器異?；蚬收献疃嗟妮椛湫?yīng)之一。在對(duì)數(shù)字集成電路的單粒子效應(yīng) 和防護(hù)技術(shù)深入研究的基礎(chǔ)上，國(guó)際航天界發(fā)現(xiàn)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(yīng)。相對(duì)于數(shù)字電路中的邏輯位狀態(tài)的變化，發(fā)生在光電器件和模 擬器件中的單粒子效應(yīng)表現(xiàn)為這些器件中的敏感部位被單個(gè)粒子擊中后，在器件的輸出端 產(chǎn)生異常的輸出脈沖，稱為單粒子瞬態(tài)脈沖(Single EventTransient, SET)效應(yīng)。隨著半導(dǎo)體器件工藝的發(fā)展，其抵御單粒子效應(yīng)的能力急劇下降，對(duì)航天器的威 脅更加嚴(yán)重。隨著半導(dǎo)體器件特征工藝尺寸達(dá)到深亞微米、超深亞微米，器件集成度更高、 運(yùn)算速度更快，表現(xiàn)出更加優(yōu)異的電性能；但是，由于驅(qū)動(dòng)器件單元工作所需的最小電荷大 幅度減少，現(xiàn)代工藝器件不可避免地表現(xiàn)出對(duì)單粒子效應(yīng)更加敏感。最近5年國(guó)際航天界 的應(yīng)用表明，當(dāng)特征尺寸達(dá)到和低于0. 35 μ m時(shí)，IM位以上的大規(guī)模集成電路表現(xiàn)出極其 敏感的單粒子效應(yīng)，甚至原來(lái)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(yīng)現(xiàn)在也較容易發(fā)生。而且，更小特征尺寸的半導(dǎo)體工藝 技術(shù)仍在快速發(fā)展，未來(lái)航天器面臨的單粒子效應(yīng)威脅更加嚴(yán)峻。針對(duì)單粒子效應(yīng)對(duì)航天器的嚴(yán)重威脅，國(guó)內(nèi)外航天界采取了多種應(yīng)對(duì)措施，如多 種方式的防護(hù)設(shè)計(jì)，以及通過(guò)在軌監(jiān)測(cè)實(shí)施主動(dòng)防護(hù)等。對(duì)單粒子效應(yīng)的有效、準(zhǔn)確探測(cè)， 是在軌實(shí)施主動(dòng)防護(hù)的重要前提，同時(shí)也是獲取和研究不同的空間環(huán)境/空間天氣擾動(dòng)事 件對(duì)人類航天活動(dòng)影響規(guī)律的重要手段。國(guó)內(nèi)外目前已經(jīng)發(fā)展的單粒子效應(yīng)探測(cè)技術(shù)主要 有兩類，第一類是直接采用對(duì)單粒子效應(yīng)敏感的器件(主要是靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM)，在軌檢測(cè) 器件發(fā)生的單粒子效應(yīng)(主要是單粒子翻轉(zhuǎn)SEU)的頻次；第二類是采用傳統(tǒng)的高能帶電粒 子探測(cè)器(主要是半導(dǎo)體探測(cè)器)，有針對(duì)性地檢測(cè)可能誘發(fā)單粒子效應(yīng)的極高LET (very high linear energy transfer，縮寫(xiě)為VHLET)事件，推斷可能導(dǎo)致的星用器件單粒子效應(yīng) 的程度。這兩類單粒子效應(yīng)探測(cè)技術(shù)一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)單粒子效應(yīng)的探測(cè)，但均有較大 的弊端。1.以SRAM器件為傳感器的單粒子效應(yīng)探測(cè)技術(shù)以SRAM器件為傳感器的單粒子效應(yīng)探測(cè)技術(shù)能夠直接測(cè)量到了單粒子效應(yīng)現(xiàn) 象。該技術(shù)突出的不足是，測(cè)量結(jié)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(yīng)程度，較難準(zhǔn)確推斷具有其他LET閾值的器件的單粒子效應(yīng)程度， 因此測(cè)量結(jié)果具有較大的片面性。理論上，可以通過(guò)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(cè)思路實(shí)際實(shí)現(xiàn)比較困難；即使能夠?qū)崿F(xiàn)，也只 能是分時(shí)測(cè)量。當(dāng)然，可以通過(guò)設(shè)置多片具有不同LET閾值的SRAM器件進(jìn)行測(cè)量，但是這 種并行測(cè)量需要耗費(fèi)更多的資源。以SRAM器件為傳感器的單粒子效應(yīng)探測(cè)技術(shù)另一不足是，采用SRAM這樣的數(shù)字 集成電路作為單粒子效應(yīng)傳感器，需要構(gòu)建外圍電路對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)位的讀、寫(xiě)、檢測(cè)和統(tǒng) 計(jì)，與實(shí)際應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理數(shù)字電路無(wú)本質(zhì)的不同，相對(duì)較復(fù)雜，相應(yīng)的探測(cè)器質(zhì)量、體積、 功耗等也相對(duì)較大。2.以半導(dǎo)體探測(cè)器為傳感器的單粒子效應(yīng)探測(cè)技術(shù)以半導(dǎo)體探測(cè)器為傳感器的單粒子效應(yīng)探測(cè)技術(shù)采用了粒子能量探測(cè)器，原則上 能夠?qū)崿F(xiàn)多LET閾值粒子入射事件的探測(cè)。但是，由于空間應(yīng)用可靠性的限制，所能采用 的半導(dǎo)體探測(cè)器的有效厚度較厚，通常為400 μ m左右，這與當(dāng)前微電子器件對(duì)單粒子效應(yīng) 敏感區(qū)域厚度最大為微米、十微米的量級(jí)相差甚遠(yuǎn)。由于有效探測(cè)厚度大，該技術(shù)對(duì)于能夠 誘發(fā)現(xiàn)代工藝器件單粒子效應(yīng)的LET值為數(shù)個(gè)MeV. cm2/mg的重離子測(cè)量不準(zhǔn)，甚至無(wú)法測(cè) 量，這對(duì)于測(cè)量星上關(guān)鍵器件附件能夠誘發(fā)單粒子效應(yīng)的復(fù)雜粒子環(huán)境尤其不利。對(duì)于探 測(cè)通過(guò)核反應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)重離子形成的VHLET事件的質(zhì)子單粒子效應(yīng)來(lái)說(shuō)，有效探測(cè)厚度 極大的探測(cè)器測(cè)量到的VHLET譜分布與尺寸極小的微電子器件中實(shí)際發(fā)生的VHLET譜分布 相差極大，因此利用這種探測(cè)結(jié)果難以正確地推測(cè)出微電子器件實(shí)際發(fā)生的質(zhì)子單粒子效 應(yīng)程度。另一方面，這種基于半導(dǎo)體探測(cè)器的探測(cè)技術(shù)采用的是傳統(tǒng)的粒子能量測(cè)量技 術(shù)，所需用到探測(cè)器的質(zhì)量、體積、功耗等相對(duì)較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有兩類單粒子效應(yīng)探測(cè)技術(shù)的弊端，提出以 光電耦合器件(簡(jiǎn)稱光耦器件)為傳感器的單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置與方法，該探測(cè)裝置與方 法能夠準(zhǔn)確反映微電子器件發(fā)生的單粒子效應(yīng)水平，具有較準(zhǔn)確的LET測(cè)量能力，且電路 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、探測(cè)裝置的質(zhì)量、體積、功耗相對(duì)較小。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置包括光耦傳感器工作單 元、SET幅度甄別單元和SET計(jì)數(shù)單元；所述光耦傳感器工作單元用于在待測(cè)輻射環(huán)境中獲 取SET信號(hào)，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(hào)幅度與閾 電壓進(jìn)行對(duì)比后甄別出不同的SET信號(hào)所處的幅度區(qū)間，所述SET計(jì)數(shù)單元用于統(tǒng)計(jì)處于 各幅度區(qū)間的SET信號(hào)的出現(xiàn)次數(shù)。其中，所述單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置還包括SET信號(hào)數(shù)據(jù)映射單元，所述SET信號(hào)數(shù)據(jù) 映射單元用于根據(jù)所述SET幅度甄別單元所得出的SET信號(hào)的幅度區(qū)間，映射得出所述SET 信號(hào)對(duì)應(yīng)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(cè)輻射環(huán)境中形成原始SET，所述幅度變換電路用于對(duì)原始SET進(jìn)行無(wú)失真地放大 或衰減變換，輸出幅值在0. 8V IOV范圍內(nèi)的SET。本發(fā)明還提供了一種利用上述單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置進(jìn)行單粒子效應(yīng)探測(cè)的方法， 包括以下步驟
1)將所述單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置的光電傳感器工作單元置于待測(cè)輻射環(huán)境中，輸出 SET信號(hào)；2)分析甄別SET信號(hào)的幅度范圍，區(qū)分出對(duì)應(yīng)于不同LET值范圍的SET ；3)統(tǒng)計(jì)處于不同幅度區(qū)間的SET出現(xiàn)次數(shù)，得出相應(yīng)的單粒子效應(yīng)的出現(xiàn)次數(shù)。其中，所述單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置還包括SET信號(hào)數(shù)據(jù)映射單元，所述單粒子效應(yīng) 探測(cè)方法還包括步驟SET信號(hào)數(shù)據(jù)映射單元根據(jù)所述SET幅度甄別單元所得出的SET信號(hào)的幅度范圍， 以及預(yù)先測(cè)定的SET幅度與入射粒子LET值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出所述SET信號(hào)對(duì)應(yīng)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(huán)境，測(cè)得所述單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置得到的 SET信號(hào)的脈沖幅度與所述LET值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中，所述單粒子效應(yīng)探測(cè)方法還包括步驟選擇一個(gè)待測(cè)器件，根據(jù)所述光耦傳感器工作單元和待測(cè)器件對(duì)不同LET值的單 粒子效應(yīng)的響應(yīng)截面，以及步驟3)得出的對(duì)于所述光耦傳感器工作單元的單粒子效應(yīng)的 出現(xiàn)次數(shù)，計(jì)算出不同LET值的輻射粒子對(duì)于所述待測(cè)器件的單粒子效應(yīng)頻次數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所能達(dá)到的技術(shù)效果包括一、能夠定量表征微電子器件內(nèi)部的單粒子效應(yīng)水平。二、能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)個(gè)、十余個(gè)MeV. cm2/mg LET的值甚至該量級(jí)以下的輻射粒子的測(cè)量。三、具有較寬的LET值定量測(cè)量范圍。四、所使用的傳感器體積和質(zhì)量小，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利于探測(cè)裝置器件的輕小型化 和低功耗化。


以下，結(jié)合附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的探測(cè)裝置整體框架示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的光耦傳感器工作單元電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的SET幅度甄別單元中的一個(gè)甄別器的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)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(guān)系曲線示例圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。發(fā)生在光電器件和模擬器件中的單粒子效應(yīng)表現(xiàn)為這些器件中的敏感部位被單 個(gè)粒子擊中后，在器件的輸出端產(chǎn)生異常的輸出脈沖，稱為單粒子瞬態(tài)脈沖(Single Event Transient, SET)效應(yīng)。利用這種單粒子瞬態(tài)脈沖效應(yīng)，本發(fā)明提出了一種基于光電耦合器 件(簡(jiǎn)稱光耦)的單粒子瞬態(tài)脈沖(SET)的單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置與方法。本實(shí)施例中，通 過(guò)測(cè)量輻射環(huán)境中單個(gè)高能粒子轟擊光耦器件產(chǎn)生的SET模擬信號(hào)，根據(jù)SET的幅度與入 射粒子的LET值的相關(guān)性，對(duì)SET信號(hào)幅度分析及與相關(guān)粒子LET值對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)一定LET值
5范圍內(nèi)的單粒子效應(yīng)的測(cè)量。本實(shí)施例中，首先測(cè)量單個(gè)高能粒子轟擊產(chǎn)生的單粒子瞬態(tài)脈沖(SET)模擬信 號(hào)，分析出SET信號(hào)幅度，然后根據(jù)SET的幅度與入射粒子的LET值的相關(guān)性，將所述信號(hào) 幅度與相關(guān)粒子的LET值進(jìn)行映射，得到待測(cè)輻射環(huán)境的LET值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)生在微電子 器件內(nèi)部的、具有一定LET值范圍的單粒子效應(yīng)的測(cè)量。具體的單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置如下如圖1所示，本實(shí)施例提供的基于光耦器件的SET的單粒子效應(yīng)探測(cè)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(jì)數(shù)單元。如圖2所示，光耦傳感器工作單元實(shí)現(xiàn)對(duì)觸發(fā)器件SET效應(yīng)的輻射粒子產(chǎn)生響應(yīng)， 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(nèi)部放大 成形電路1組成。所述光敏晶體管能夠接受單個(gè)粒子的轟擊，產(chǎn)生弱光電信號(hào)，所述內(nèi)部放 大成形電路1把弱光電信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅度較大的SET激勵(lì)信號(hào)，所述SET激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)幅度 變換電路預(yù)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(duì)SET 進(jìn)行無(wú)失真的信號(hào)放大或衰減變換，以保證脈沖幅值被調(diào)整至預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)，本實(shí)施 例所設(shè)定的幅值范圍是0. 8V 10V。SET幅度甄別單元由多個(gè)甄別器組成。甄別器也就是脈沖幅度甄別器，其電路結(jié)構(gòu) 如圖3所示。每個(gè)所述甄別器有一個(gè)閾電壓，即甄別閾。當(dāng)輸入脈沖幅度大于甄別閾時(shí)，所 述甄別器輸出一個(gè)LET幅值判定信號(hào)；當(dāng)輸入脈沖幅度小于甄別閾時(shí)，則所述甄別器無(wú)信 號(hào)輸出。假設(shè)將LET的幅值劃分為n+1個(gè)區(qū)間，則SET幅度甄別單元設(shè)置n+1個(gè)甄別器，分 別對(duì)應(yīng)于由低至高排序的閾電壓VTp VT1. . . VTn，所對(duì)應(yīng)的LET幅值判定信號(hào)分別為L(zhǎng)ET。、 LET1. . . LETn0則當(dāng)SET被捕獲時(shí)，根據(jù)n+1個(gè)甄別器所輸出的LET幅值判定信號(hào)中編號(hào)最大 的LETiG = 0、1...n)，即可得出當(dāng)前所捕獲的SET所處的幅值區(qū)間。SET信號(hào)甄別原理示 意圖如圖4所示。本實(shí)施例的SET幅度甄別單元能夠通過(guò)不同的甄別閾值區(qū)分不同的LET 值范圍內(nèi)的單粒子事件。甄別器輸出為數(shù)字信號(hào)，甄別處理后的信號(hào)被送入后級(jí)串接的n+1 個(gè)SET計(jì)數(shù)單元。所述的第i個(gè)(i = 0、1. . . n) SET計(jì)數(shù)單元輸出光耦傳感器工作單元產(chǎn) 生的LET值為L(zhǎng)ETi (i = 0、1. . . η)的SET個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同LET值范圍內(nèi)的單粒子事件進(jìn) 行統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)。本實(shí)施例中，可以進(jìn)一步增加SET信號(hào)數(shù)據(jù)映射單元。SET信號(hào)數(shù)據(jù)映射單元用 于根據(jù)預(yù)先測(cè)得的LET值與SET幅值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將SET幅度甄別單元當(dāng)前所測(cè)得的SET 幅度范圍映射為L(zhǎng)ET值，從而得出所測(cè)輻射環(huán)境當(dāng)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(guān)系示例，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明SET幅度與入射粒子的LET值存在 一定的相關(guān)性，根據(jù)這種SET特征與入射粒子的LET值的相關(guān)性，可以預(yù)先測(cè)出SET特征與 入射粒子的LET值的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于本實(shí)施例中的基于光耦器件的單粒子效應(yīng)探測(cè)裝 置，所述LET值與SET幅值的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以使用地面已有的輻射源預(yù)先測(cè)試得出。本發(fā)明還提供了相應(yīng)的單粒子效應(yīng)探測(cè)方法，包括以下步驟1)將所述單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置的光電傳感器工作單元置于待測(cè)輻射環(huán)境中，輸出 SET信號(hào)；2)分析甄別單粒子瞬態(tài)脈沖信號(hào)的幅度范圍，區(qū)分出對(duì)應(yīng)于不同線性能量傳輸值 范圍的單粒子瞬態(tài)脈沖；3)統(tǒng)計(jì)處于不同幅度區(qū)間的單粒子瞬態(tài)脈沖出現(xiàn)次數(shù)，得出相應(yīng)的單粒子效應(yīng)的
6出現(xiàn)次數(shù)。進(jìn)一步地，所述單粒子效應(yīng)探測(cè)方法還可以包括步驟SET信號(hào)數(shù)據(jù)映射單元根據(jù)所述SET幅度甄別單元所得出的SET信號(hào)的幅度范圍， 以及預(yù)先測(cè)定的SET幅度與入射粒子LET值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出所述SET信號(hào)對(duì)應(yīng)的LET值。更進(jìn)一步地，所述單粒子效應(yīng)探測(cè)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(huán)境，測(cè)得所述單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置得到的 SET信號(hào)的脈沖幅度與所述LET值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。更進(jìn)一步地，所述單粒子效應(yīng)探測(cè)方法還包括步驟選擇一個(gè)待測(cè)器件，根據(jù)所述光耦傳感器工作單元和待測(cè)器件對(duì)不同LET值的單 粒子效應(yīng)的響應(yīng)截面，以及步驟3)得出的對(duì)于所述光耦傳感器工作單元的單粒子效應(yīng)的 出現(xiàn)次數(shù)，計(jì)算出不同LET值的輻射粒子對(duì)于所述待測(cè)器件的單粒子效應(yīng)頻次數(shù)。以下，對(duì)本發(fā)明提供的單粒子效應(yīng)探測(cè)方法作更加深入地描述。所述單粒子效應(yīng) 探測(cè)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(cè)得所述單 粒子效應(yīng)探測(cè)裝置得到的SET信號(hào)的脈沖幅度與不同LET值L的對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)得所述單粒 子效應(yīng)探測(cè)裝置得到的SET的個(gè)數(shù)Ntl與不同LET值Ltl的模擬輻照粒子注量Fq的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 其中，NcZFtl即為所述探測(cè)單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置對(duì)具體LET值Ltl的輻照粒子單粒子效應(yīng)響 應(yīng)截面σ JLtl),也就是說(shuō)得到所述探測(cè)單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置的單粒子效應(yīng)響應(yīng)截面與不同 LET值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。二、將所述單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置的光耦傳感器置于待測(cè)的輻射環(huán)境中，光耦傳感 器工作單元實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)輻射環(huán)境的響應(yīng)，輸出SET信號(hào)。在啟動(dòng)單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置后，可以先對(duì)單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置進(jìn)行初步調(diào)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(gè)高能粒子的轟擊，形成原始的SET信號(hào)，經(jīng)過(guò)幅度變換電路處理輸出SET。三、單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置中的SET幅度甄別單元對(duì)輻射粒子觸發(fā)的光耦傳感器工 作單元所輸出的SET進(jìn)行幅度甄別分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的LET值范圍的SET進(jìn)行區(qū)分，將甄別 分析結(jié)果傳輸給SET信號(hào)數(shù)據(jù)映射單元進(jìn)行映射得出觸發(fā)SET的輻射粒子的具體LET值。四、SET幅度甄別單元實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的LET值范圍的SET進(jìn)行區(qū)分，SET計(jì)數(shù)單元實(shí) 現(xiàn)對(duì)不同LET值范圍內(nèi)SET效應(yīng)發(fā)生頻次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，得到計(jì)數(shù)K。利用此統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)， 根據(jù)待測(cè)器件對(duì)不同LET值的單粒子效應(yīng)的響應(yīng)截面O2(對(duì)于本發(fā)明，響應(yīng)截面O2為已 知參量)，可以推測(cè)待測(cè)器件對(duì)此LET值輻射粒子的單粒子效應(yīng)頻次數(shù)N2 = N1X ο 2/ ο d。本發(fā)明是利用光電耦合器件的SET效應(yīng)開(kāi)發(fā)的新型單粒子效應(yīng)探測(cè)技術(shù)。同時(shí)是 能夠準(zhǔn)確表征微電子器件單粒子效應(yīng)、具有一定的LET值定量測(cè)量范圍、輕小型化和低功 耗化等多種優(yōu)點(diǎn)的新型單粒子效應(yīng)探測(cè)技術(shù)。本發(fā)明較傳統(tǒng)的基于靜態(tài)存儲(chǔ)器和大尺寸半導(dǎo)體探測(cè)器的單粒子效應(yīng)探測(cè)技術(shù) 具有如有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì) 本發(fā)明探測(cè)到的是微電子器件水平的單粒子效應(yīng)，探測(cè)結(jié)果能夠用于準(zhǔn)確推測(cè) 其他器件發(fā)生單粒子效應(yīng)的程度。 利用光耦器件受單個(gè)粒子轟擊產(chǎn)生的SET模擬輸出信號(hào)進(jìn)行單粒子效應(yīng)探測(cè)，具有系列的優(yōu)點(diǎn)1)利用SET模擬信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，避免了對(duì)SRAM這樣的數(shù)字電路信號(hào)的復(fù)雜的處理 設(shè)計(jì)；2)光耦器件對(duì)輸出的SET信號(hào)具有較好的內(nèi)部放大和成形作用，后續(xù)電路實(shí)現(xiàn)更 加簡(jiǎn)單；3) SET的幅度與入射粒子的LET值有一定的相關(guān)性，通過(guò)對(duì)信號(hào)幅度的分析能夠 實(shí)現(xiàn)對(duì)一定LET值范圍的單粒子效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，并且克服了大尺寸的半導(dǎo)體傳感器對(duì)較小 LET值粒子測(cè)量的盲區(qū)；4)探測(cè)器質(zhì)量、尺寸、功耗等較小。本發(fā)明提出了基于光耦器件的SET對(duì)單粒子效應(yīng)進(jìn)行探測(cè)的技術(shù)方案，能夠?qū)?現(xiàn)對(duì)低輻射環(huán)境的探測(cè)，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)個(gè)到十余個(gè)MeV. cm7mg甚至該量級(jí)以下 的輻射粒子的測(cè)量。另外，本發(fā)明的探測(cè)器工作系統(tǒng)的質(zhì)量可以控制在0.5kg內(nèi)，體積 估算為100*70*70mm、功耗約1W，比常規(guī)的單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置(質(zhì)量數(shù)千克、體積約為 150*150*150mm、功耗數(shù)瓦)的規(guī)格小，利于探測(cè)裝置器件的輕小型化和低功耗化，特別適 合于空間應(yīng)用。本發(fā)明是空間物理、空間環(huán)境領(lǐng)域重要的應(yīng)用基礎(chǔ)創(chuàng)新，能夠廣泛應(yīng)用于空間物 理和空間環(huán)境的探測(cè)和研究中，具有廣闊的應(yīng)用前景。另外，本發(fā)明特別適合應(yīng)用于各種航 天器搭載使用，為保障航天器安全運(yùn)行提供準(zhǔn)確的單粒子效應(yīng)危害信息。最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參 照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方 案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明 的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
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權(quán)利要求
一種單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置，包括光耦傳感器工作單元、單粒子瞬態(tài)脈沖幅度甄別單元和單粒子瞬態(tài)脈沖計(jì)數(shù)單元；所述光耦傳感器工作單元用于在待測(cè)輻射環(huán)境中獲取單粒子瞬態(tài)脈沖信號(hào)，所述單粒子瞬態(tài)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(tài)脈沖信號(hào)幅度與閾電壓進(jìn)行對(duì)比后甄別出不同的單粒子瞬態(tài)脈沖信號(hào)所處的幅度區(qū)間，所述單粒子瞬態(tài)脈沖計(jì)數(shù)單元用于統(tǒng)計(jì)處于各幅度區(qū)間的單粒子瞬態(tài)脈沖信號(hào)的出現(xiàn)次數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置，其特征在于，所述單粒子效應(yīng)探測(cè)裝 置還包括單粒子瞬態(tài)脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)映射單元，所述單粒子瞬態(tài)脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)映射單元用于 根據(jù)所述單粒子瞬態(tài)脈沖幅度甄別單元所得出的單粒子瞬態(tài)脈沖信號(hào)的幅度區(qū)間，映射得 出所述單粒子瞬態(tài)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的線性能量傳輸值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單粒子效應(yīng)探測(cè)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(cè)輻射環(huán)境中形成原始單粒子瞬 態(tài)脈沖，所述幅度變換電路用于對(duì)原始單粒子瞬態(tài)脈沖進(jìn)行無(wú)失真地放大或衰減變換，輸 出幅值在0. 8V IOV范圍內(nèi)的單粒子瞬態(tài)脈沖。
4.一種利用權(quán)利要求1所述的單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置進(jìn)行單粒子效應(yīng)探測(cè)的方法，包括 以下步驟1)將所述單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置的光電傳感器工作單元置于待測(cè)輻射環(huán)境中，輸出單粒 子瞬態(tài)脈沖信號(hào)；2)分析甄別單粒子瞬態(tài)脈沖信號(hào)的幅度范圍，區(qū)分出對(duì)應(yīng)于不同線性能量傳輸值范圍 的單粒子瞬態(tài)脈沖；3)統(tǒng)計(jì)處于不同幅度區(qū)間的單粒子瞬態(tài)脈沖出現(xiàn)次數(shù)，得出相應(yīng)的單粒子效應(yīng)的出現(xiàn) 次數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單粒子效應(yīng)探測(cè)方法，其特征在于，所述單粒子效應(yīng)探測(cè)裝 置還包括單粒子瞬態(tài)脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)映射單元，所述單粒子效應(yīng)探測(cè)方法還包括步驟單粒子瞬態(tài)脈沖信號(hào)數(shù)據(jù)映射單元根據(jù)所述單粒子瞬態(tài)脈沖幅度甄別單元所得出的 單粒子瞬態(tài)脈沖信號(hào)的幅度范圍，以及預(yù)先測(cè)定的單粒子瞬態(tài)脈沖幅度與入射粒子線性能 量傳輸值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出所述單粒子瞬態(tài)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的線性能量傳輸值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單粒子效應(yīng)探測(cè)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(huán)境，測(cè)得所述單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置得到的單粒子 瞬態(tài)脈沖信號(hào)的脈沖幅度與所述線性能量傳輸值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單粒子效應(yīng)探測(cè)方法，其特征在于，還包括步驟選擇一個(gè)待測(cè)器件，根據(jù)所述光耦傳感器工作單元和待測(cè)器件對(duì)不同線性能量傳輸值 的單粒子效應(yīng)的響應(yīng)截面，以及步驟3)得出的對(duì)于所述光耦傳感器工作單元的單粒子效 應(yīng)的出現(xiàn)次數(shù)，計(jì)算出不同線性能量傳輸值的輻射粒子對(duì)于所述待測(cè)器件的單粒子效應(yīng)頻 次數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種單粒子效應(yīng)探測(cè)裝置，包括光耦傳感器工作單元、SET幅度甄別單元額和SET計(jì)數(shù)單元；所述光耦傳感器工作單元用于在待測(cè)輻射環(huán)境中獲取SET信號(hào)，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(hào)幅度與閾電壓進(jìn)行對(duì)比后甄別出不同的SET信號(hào)的幅度范圍，所述SET計(jì)數(shù)單元用于統(tǒng)計(jì)處于各幅度區(qū)間的SET信號(hào)的出現(xiàn)次數(shù)。本發(fā)明還可以進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)映射單元。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)個(gè)、十余個(gè)MeV.cm2/mg LET的值甚至該量級(jí)以下的輻射環(huán)境的測(cè)量；能夠定量測(cè)量表征特定微電子器件單粒子效應(yīng)的LET值；具有較寬的LET值定量測(cè)量范圍；并且所使用的傳感器體積和質(zhì)量小，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利于探測(cè)裝置器件的輕小型化和低功耗化。
文檔編號(hào)G01R31/00GK101907662SQ20091008651
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2009年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月4日
發(fā)明者安廣鵬, 封國(guó)強(qiáng), 張振龍, 韓建偉, 馬英起 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心