CN101907662A - 一种单粒子效应探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单粒子效应探测装置，包括光耦传感器工作单元、SET幅度甄别单元额和SET计数单元；所述光耦传感器工作单元用于在待测辐射环境中获取SET信号，所述SET幅度甄别单元用于将光耦传感器工作单元获取的SET信号幅度与阈电压进行对比后甄别出不同的SET信号的幅度范围，所述SET计数单元用于统计处于各幅度区间的SET信号的出现次数。本发明还可以进一步包括数据映射单元。本发明能够实现对数个、十余个MeV.cm²/mg LET的值甚至该量级以下的辐射环境的测量；能够定量测量表征特定微电子器件单粒子效应的LET值；具有较宽的LET值定量测量范围；并且所使用的传感器体积和质量小，电路结构简单，利于探测装置器件的轻小型化和低功耗化。

Description

一种单粒子效应探测装置及方法

技术领域

本发明涉及空间辐射效应探测领域，具体地说，本发明涉及一种单粒子效应探测装置与方法。

背景技术

空间环境是危害航天器安全与可靠的重要因素。而空间辐射效应是诱发航天器异常或故障的突出环境效应。空间的高能带电粒子、磁层亚暴注入和极光沉降等离子体等辐射环境，易诱发总剂量效应、单粒子效应、表面和深层充电效应等一系列辐射效应，其中单粒子效应是诱发航天器异常或故障最多的辐射效应之一。在对数字集成电路的单粒子效应和防护技术深入研究的基础上，国际航天界发现多例航天器的异常和故障定位于光电器件和模拟器件的单粒子效应。相对于数字电路中的逻辑位状态的变化，发生在光电器件和模拟器件中的单粒子效应表现为这些器件中的敏感部位被单个粒子击中后，在器件的输出端产生异常的输出脉冲，称为单粒子瞬态脉冲(Single EventTransient，SET)效应。

随着半导体器件工艺的发展，其抵御单粒子效应的能力急剧下降，对航天器的威胁更加严重。随着半导体器件特征工艺尺寸达到深亚微米、超深亚微米，器件集成度更高、运算速度更快，表现出更加优异的电性能；但是，由于驱动器件单元工作所需的最小电荷大幅度减少，现代工艺器件不可避免地表现出对单粒子效应更加敏感。最近5年国际航天界的应用表明，当特征尺寸达到和低于0.35μm时，1M位以上的大规模集成电路表现出极其敏感的单粒子效应，甚至原来需要较高LET(LET全称是linear energy transfer，译为线性能量传输)阈值的单粒子锁定效应现在也较容易发生。而且，更小特征尺寸的半导体工艺技术仍在快速发展，未来航天器面临的单粒子效应威胁更加严峻。

针对单粒子效应对航天器的严重威胁，国内外航天界采取了多种应对措施，如多种方式的防护设计，以及通过在轨监测实施主动防护等。对单粒子效应的有效、准确探测，是在轨实施主动防护的重要前提，同时也是获取和研究不同的空间环境/空间天气扰动事件对人类航天活动影响规律的重要手段。国内外目前已经发展的单粒子效应探测技术主要有两类，第一类是直接采用对单粒子效应敏感的器件(主要是静态存储器SRAM)，在轨检测器件发生的单粒子效应(主要是单粒子翻转SEU)的频次；第二类是采用传统的高能带电粒子探测器(主要是半导体探测器)，有针对性地检测可能诱发单粒子效应的极高LET(very high linear energy transfer，缩写为VHLET)事件，推断可能导致的星用器件单粒子效应的程度。这两类单粒子效应探测技术一定程度上实现了对单粒子效应的探测，但均有较大的弊端。

1.以SRAM器件为传感器的单粒子效应探测技术

以SRAM器件为传感器的单粒子效应探测技术能够直接测量到了单粒子效应现象。该技术突出的不足是，测量结果只能反映所采用的传感器，即具有某固定LET阈值的SRAM器件的单粒子效应程度，较难准确推断具有其他LET阈值的器件的单粒子效应程度，因此测量结果具有较大的片面性。理论上，可以通过一定范围地改变传感器SRAM的偏置电压，使其具有不同的LET阈值；但是，这种探测思路实际实现比较困难；即使能够实现，也只能是分时测量。当然，可以通过设置多片具有不同LET阈值的SRAM器件进行测量，但是这种并行测量需要耗费更多的资源。

以SRAM器件为传感器的单粒子效应探测技术另一不足是，采用SRAM这样的数字集成电路作为单粒子效应传感器，需要构建***电路对其进行存储位的读、写、检测和统计，与实际应用的数据处理数字电路无本质的不同，相对较复杂，相应的探测器质量、体积、功耗等也相对较大。

2.以半导体探测器为传感器的单粒子效应探测技术

以半导体探测器为传感器的单粒子效应探测技术采用了粒子能量探测器，原则上能够实现多LET阈值粒子入射事件的探测。但是，由于空间应用可靠性的限制，所能采用的半导体探测器的有效厚度较厚，通常为400μm左右，这与当前微电子器件对单粒子效应敏感区域厚度最大为微米、十微米的量级相差甚远。由于有效探测厚度大，该技术对于能够诱发现代工艺器件单粒子效应的LET值为数个MeV.cm²/mg的重离子测量不准，甚至无法测量，这对于测量星上关键器件附件能够诱发单粒子效应的复杂粒子环境尤其不利。对于探测通过核反应产生的次级重离子形成的VHLET事件的质子单粒子效应来说，有效探测厚度极大的探测器测量到的VHLET谱分布与尺寸极小的微电子器件中实际发生的VHLET谱分布相差极大，因此利用这种探测结果难以正确地推测出微电子器件实际发生的质子单粒子效应程度。

另一方面，这种基于半导体探测器的探测技术采用的是传统的粒子能量测量技术，所需用到探测器的质量、体积、功耗等相对较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有两类单粒子效应探测技术的弊端，提出以光电耦合器件(简称光耦器件)为传感器的单粒子效应探测装置与方法，该探测装置与方法能够准确反映微电子器件发生的单粒子效应水平，具有较准确的LET测量能力，且电路实现简单、探测装置的质量、体积、功耗相对较小。

为解决上述技术问题，本发明提供的单粒子效应探测装置包括光耦传感器工作单元、SET幅度甄别单元和SET计数单元；所述光耦传感器工作单元用于在待测辐射环境中获取SET信号，所述SET幅度甄别单元用于将光耦传感器工作单元获取的SET信号幅度与阈电压进行对比后甄别出不同的SET信号所处的幅度区间，所述SET计数单元用于统计处于各幅度区间的SET信号的出现次数。

其中，所述单粒子效应探测装置还包括SET信号数据映射单元，所述SET信号数据映射单元用于根据所述SET幅度甄别单元所得出的SET信号的幅度区间，映射得出所述SET信号对应的LET值。

其中，所述光耦传感器工作单元包括光耦单元和幅度变换电路，所述光耦单元用于在待测辐射环境中形成原始SET，所述幅度变换电路用于对原始SET进行无失真地放大或衰减变换，输出幅值在0.8V～10V范围内的SET。

本发明还提供了一种利用上述单粒子效应探测装置进行单粒子效应探测的方法，包括以下步骤：

1)将所述单粒子效应探测装置的光电传感器工作单元置于待测辐射环境中，输出SET信号；

2)分析甄别SET信号的幅度范围，区分出对应于不同LET值范围的SET；

3)统计处于不同幅度区间的SET出现次数，得出相应的单粒子效应的出现次数。

其中，所述单粒子效应探测装置还包括SET信号数据映射单元，所述单粒子效应探测方法还包括步骤：

SET信号数据映射单元根据所述SET幅度甄别单元所得出的SET信号的幅度范围，以及预先测定的SET幅度与入射粒子LET值的对应关系，得出所述SET信号对应的LET值。

其中，所述步骤1)前，还包括步骤：

用已知的辐照源模拟宇宙空间辐射环境，测得所述单粒子效应探测装置得到的SET信号的脉冲幅度与所述LET值的对应关系。

其中，所述单粒子效应探测方法还包括步骤：

选择一个待测器件，根据所述光耦传感器工作单元和待测器件对不同LET值的单粒子效应的响应截面，以及步骤3)得出的对于所述光耦传感器工作单元的单粒子效应的出现次数，计算出不同LET值的辐射粒子对于所述待测器件的单粒子效应频次数。

与现有技术相比，本发明所能达到的技术效果包括：

一、能够定量表征微电子器件内部的单粒子效应水平。

二、能够实现对数个、十余个MeV.cm²/mg LET的值甚至该量级以下的辐射粒子的测量。

三、具有较宽的LET值定量测量范围。

四、所使用的传感器体积和质量小，电路结构简单，利于探测装置器件的轻小型化和低功耗化。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1为本发明实施例中的探测装置整体框架示意图；

图2为本发明实施例中的光耦传感器工作单元电路结构示意图；

图3为本发明实施例中的SET幅度甄别单元中的一个甄别器的电路结构示意图；

图4为本发明实施例中的SET幅度甄别原理示意图；

图5为光耦传感器单元输出的SET幅度与LET值的关系曲线示例图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

发生在光电器件和模拟器件中的单粒子效应表现为这些器件中的敏感部位被单个粒子击中后，在器件的输出端产生异常的输出脉冲，称为单粒子瞬态脉冲(Single Event Transient，SET)效应。利用这种单粒子瞬态脉冲效应，本发明提出了一种基于光电耦合器件(简称光耦)的单粒子瞬态脉冲(SET)的单粒子效应探测装置与方法。本实施例中，通过测量辐射环境中单个高能粒子轰击光耦器件产生的SET模拟信号，根据SET的幅度与入射粒子的LET值的相关性，对SET信号幅度分析及与相关粒子LET值对应，实现一定LET值范围内的单粒子效应的测量。

本实施例中，首先测量单个高能粒子轰击产生的单粒子瞬态脉冲(SET)模拟信号，分析出SET信号幅度，然后根据SET的幅度与入射粒子的LET值的相关性，将所述信号幅度与相关粒子的LET值进行映射，得到待测辐射环境的LET值，从而实现对发生在微电子器件内部的、具有一定LET值范围的单粒子效应的测量。具体的单粒子效应探测装置如下：

如图1所示，本实施例提供的基于光耦器件的SET的单粒子效应探测装置主要包括光耦传感器工作单元、SET幅度甄别单元和SET计数单元。

如图2所示，光耦传感器工作单元实现对触发器件SET效应的辐射粒子产生响应，主要包括光耦单元和幅度变换电路两部分。其中，所述光耦单元由光敏晶体管和内部放大成形电路1组成。所述光敏晶体管能够接受单个粒子的轰击，产生弱光电信号，所述内部放大成形电路1把弱光电信号转换成幅度较大的SET激励信号，所述SET激励信号经过幅度变换电路预处理后输出SET，送至所述SET幅度甄别单元。所述幅度变换电路主要是对SET进行无失真的信号放大或衰减变换，以保证脉冲幅值被调整至预先设定的范围内，本实施例所设定的幅值范围是0.8V～10V。

SET幅度甄别单元由多个甄别器组成。甄别器也就是脉冲幅度甄别器，其电路结构如图3所示。每个所述甄别器有一个阈电压，即甄别阈。当输入脉冲幅度大于甄别阈时，所述甄别器输出一个LET幅值判定信号；当输入脉冲幅度小于甄别阈时，则所述甄别器无信号输出。假设将LET的幅值划分为n+1个区间，则SET幅度甄别单元设置n+1个甄别器，分别对应于由低至高排序的阈电压VT₀、VT₁...VT_n，所对应的LET幅值判定信号分别为LET₀、LET₁...LET_n。则当SET被捕获时，根据n+1个甄别器所输出的LET幅值判定信号中编号最大的LET_i(i＝0、1...n)，即可得出当前所捕获的SET所处的幅值区间。SET信号甄别原理示意图如图4所示。本实施例的SET幅度甄别单元能够通过不同的甄别阈值区分不同的LET值范围内的单粒子事件。甄别器输出为数字信号，甄别处理后的信号被送入后级串接的n+1个SET计数单元。所述的第i个(i＝0、1...n)SET计数单元输出光耦传感器工作单元产生的LET值为LET_i(i＝0、1...n)的SET个数，实现对不同LET值范围内的单粒子事件进行统计计数。

本实施例中，可以进一步增加SET信号数据映射单元。SET信号数据映射单元用于根据预先测得的LET值与SET幅值的对应关系，将SET幅度甄别单元当前所测得的SET幅度范围映射为LET值，从而得出所测辐射环境当前的LET值。图5为光耦传感器单元输出的SET幅度与LET值的关系示例，实验测试结果表明SET幅度与入射粒子的LET值存在一定的相关性，根据这种SET特征与入射粒子的LET值的相关性，可以预先测出SET特征与入射粒子的LET值的一一对应关系。对于本实施例中的基于光耦器件的单粒子效应探测装置，所述LET值与SET幅值的对应关系可以使用地面已有的辐射源预先测试得出。

本发明还提供了相应的单粒子效应探测方法，包括以下步骤：

1)将所述单粒子效应探测装置的光电传感器工作单元置于待测辐射环境中，输出SET信号；

2)分析甄别单粒子瞬态脉冲信号的幅度范围，区分出对应于不同线性能量传输值范围的单粒子瞬态脉冲；

3)统计处于不同幅度区间的单粒子瞬态脉冲出现次数，得出相应的单粒子效应的出现次数。

进一步地，所述单粒子效应探测方法还可以包括步骤：

SET信号数据映射单元根据所述SET幅度甄别单元所得出的SET信号的幅度范围，以及预先测定的SET幅度与入射粒子LET值的对应关系，得出所述SET信号对应的LET值。

更进一步地，所述单粒子效应探测方法中，在所述步骤1)前，还可以包括步骤：

用已知的辐照源模拟宇宙空间辐射环境，测得所述单粒子效应探测装置得到的SET信号的脉冲幅度与所述LET值的对应关系。

更进一步地，所述单粒子效应探测方法还包括步骤：

选择一个待测器件，根据所述光耦传感器工作单元和待测器件对不同LET值的单粒子效应的响应截面，以及步骤3)得出的对于所述光耦传感器工作单元的单粒子效应的出现次数，计算出不同LET值的辐射粒子对于所述待测器件的单粒子效应频次数。

以下，对本发明提供的单粒子效应探测方法作更加深入地描述。所述单粒子效应探测方法主要包括以下步骤：

一、选用已知的具有不同LET值L的辐照粒子模拟宇宙空间辐射粒子，测得所述单粒子效应探测装置得到的SET信号的脉冲幅度与不同LET值L的对应关系，测得所述单粒子效应探测装置得到的SET的个数N₀与不同LET值L₀的模拟辐照粒子注量F₀的对应关系。其中，N₀/F₀即为所述探测单粒子效应探测装置对具体LET值L₀的辐照粒子单粒子效应响应截面σ_d(L₀)，也就是说得到所述探测单粒子效应探测装置的单粒子效应响应截面与不同LET值的对应关系。

二、将所述单粒子效应探测装置的光耦传感器置于待测的辐射环境中，光耦传感器工作单元实现对待测辐射环境的响应，输出SET信号。

在启动单粒子效应探测装置后，可以先对单粒子效应探测装置进行初步调试，确保光耦传感器工作单元能够支撑光耦单元中的光敏晶体管正常工作，使所述光敏晶体管能够接受单个高能粒子的轰击，形成原始的SET信号，经过幅度变换电路处理输出SET。

三、单粒子效应探测装置中的SET幅度甄别单元对辐射粒子触发的光耦传感器工作单元所输出的SET进行幅度甄别分析，实现对不同的LET值范围的SET进行区分，将甄别分析结果传输给SET信号数据映射单元进行映射得出触发SET的辐射粒子的具体LET值。

四、SET幅度甄别单元实现对不同的LET值范围的SET进行区分，SET计数单元实现对不同LET值范围内SET效应发生频次数进行统计计数，得到计数N₁。利用此统计计数，根据待测器件对不同LET值的单粒子效应的响应截面σ₂(对于本发明，响应截面σ₂为已知参量)，可以推测待测器件对此LET值辐射粒子的单粒子效应频次数N₂＝N₁×σ₂/σ_d。

本发明是利用光电耦合器件的SET效应开发的新型单粒子效应探测技术。同时是能够准确表征微电子器件单粒子效应、具有一定的LET值定量测量范围、轻小型化和低功耗化等多种优点的新型单粒子效应探测技术。

本发明较传统的基于静态存储器和大尺寸半导体探测器的单粒子效应探测技术具有如有如下技术优势：

●本发明探测到的是微电子器件水平的单粒子效应，探测结果能够用于准确推测其他器件发生单粒子效应的程度。

●利用光耦器件受单个粒子轰击产生的SET模拟输出信号进行单粒子效应探测，具有系列的优点：

1)利用SET模拟信号进行探测，避免了对SRAM这样的数字电路信号的复杂的处理设计；

2)光耦器件对输出的SET信号具有较好的内部放大和成形作用，后续电路实现更加简单；

3)SET的幅度与入射粒子的LET值有一定的相关性，通过对信号幅度的分析能够实现对一定LET值范围的单粒子效应进行测量，并且克服了大尺寸的半导体传感器对较小LET值粒子测量的盲区；

4)探测器质量、尺寸、功耗等较小。

本发明提出了基于光耦器件的SET对单粒子效应进行探测的技术方案，能够实现对低辐射环境的探测，本发明能够实现对数个到十余个MeV.cm²/mg甚至该量级以下的辐射粒子的测量。另外，本发明的探测器工作***的质量可以控制在0.5kg内，体积估算为100*70*70mm、功耗约1W，比常规的单粒子效应探测装置(质量数千克、体积约为150*150*150mm、功耗数瓦)的规格小，利于探测装置器件的轻小型化和低功耗化，特别适合于空间应用。

本发明是空间物理、空间环境领域重要的应用基础创新，能够广泛应用于空间物理和空间环境的探测和研究中，具有广阔的应用前景。另外，本发明特别适合应用于各种航天器搭载使用，为保障航天器安全运行提供准确的单粒子效应危害信息。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种单粒子效应探测装置，包括光耦传感器工作单元、单粒子瞬态脉冲幅度甄别单元和单粒子瞬态脉冲计数单元；所述光耦传感器工作单元用于在待测辐射环境中获取单粒子瞬态脉冲信号，所述单粒子瞬态脉冲幅度甄别单元用于将光耦传感器工作单元获取的单粒子瞬态脉冲信号幅度与阈电压进行对比后甄别出不同的单粒子瞬态脉冲信号所处的幅度区间，所述单粒子瞬态脉冲计数单元用于统计处于各幅度区间的单粒子瞬态脉冲信号的出现次数。

2.根据权利要求1所述的单粒子效应探测装置，其特征在于，所述单粒子效应探测装置还包括单粒子瞬态脉冲信号数据映射单元，所述单粒子瞬态脉冲信号数据映射单元用于根据所述单粒子瞬态脉冲幅度甄别单元所得出的单粒子瞬态脉冲信号的幅度区间，映射得出所述单粒子瞬态脉冲信号对应的线性能量传输值。

3.根据权利要求1所述的单粒子效应探测装置，其特征在于，所述光耦传感器工作单元包括光耦单元和幅度变换电路，所述光耦单元用于在待测辐射环境中形成原始单粒子瞬态脉冲，所述幅度变换电路用于对原始单粒子瞬态脉冲进行无失真地放大或衰减变换，输出幅值在0.8V～10V范围内的单粒子瞬态脉冲。

4.一种利用权利要求1所述的单粒子效应探测装置进行单粒子效应探测的方法，包括以下步骤：

1)将所述单粒子效应探测装置的光电传感器工作单元置于待测辐射环境中，输出单粒子瞬态脉冲信号；

2)分析甄别单粒子瞬态脉冲信号的幅度范围，区分出对应于不同线性能量传输值范围的单粒子瞬态脉冲；

3)统计处于不同幅度区间的单粒子瞬态脉冲出现次数，得出相应的单粒子效应的出现次数。

5.根据权利要求4所述的单粒子效应探测方法，其特征在于，所述单粒子效应探测装置还包括单粒子瞬态脉冲信号数据映射单元，所述单粒子效应探测方法还包括步骤：

单粒子瞬态脉冲信号数据映射单元根据所述单粒子瞬态脉冲幅度甄别单元所得出的单粒子瞬态脉冲信号的幅度范围，以及预先测定的单粒子瞬态脉冲幅度与入射粒子线性能量传输值的对应关系，得出所述单粒子瞬态脉冲信号对应的线性能量传输值。

6.根据权利要求5所述的单粒子效应探测方法，其特征在于，所述步骤1)前，还包括步骤：

用已知的辐照源模拟宇宙空间辐射环境，测得所述单粒子效应探测装置得到的单粒子瞬态脉冲信号的脉冲幅度与所述线性能量传输值的对应关系。

7.根据权利要求4所述的单粒子效应探测方法，其特征在于，还包括步骤：

选择一个待测器件，根据所述光耦传感器工作单元和待测器件对不同线性能量传输值的单粒子效应的响应截面，以及步骤3)得出的对于所述光耦传感器工作单元的单粒子效应的出现次数，计算出不同线性能量传输值的辐射粒子对于所述待测器件的单粒子效应频次数。

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