批量塑闪单元条测试技术的研究

寻找暗物质粒子是目前最有影响力的前沿课题之一,广泛受到世界各国重视。我国启动了暗物质粒子探测卫星(Dark Matter Particles Explorer,DAMPE)先导专项,致力研究这一科学问题。暗物质粒子探测卫星有效载荷由塑闪阵列探测器(Plastic Scintillator Detector Array,PSD)、硅阵列探测器、BGO(Bi2O3-Ge O2)量能器以及中子探测器组成,用于探测5 Ge V-10 Te V高能电子、γ及重离子能谱。中国科学院近代物理研究所承担了塑闪阵列探测器的研制工作,塑闪阵列探测器由82根塑闪单元模块采用横竖交叉结构组成,主要协助BGO量能器区分γ事件和电子事件,并作为硅阵列探测器的备份,探测Z=1-20的重离子事件。由于塑闪单元条模块存在较大的差异,所以搭建了一套具有较高测试效率的塑闪单元条批量测试平台,并对塑闪单元条进行宇宙线测试,得到其基本性能参数,如光衰减曲线、光衰减长度、相对光产额、能量分辨率以及探测效率。这为后续筛选出一致性较好并能满足功能需求的82根单元条提供了依据。     

基于差频检测技术的高速AD单粒子翻转评估方法研究

本文基于差频检测的原理,提出一种在高频动态输入模式下,对高速高精度模数转换器(AD)的抗单粒子翻转效应进行评估的测试方法,并以一款8位3 GSPS高速AD为测试对象,设计开发了一套高速AD单粒子翻转效应测试系统,对目标器件进行了重离子试验。通过对试验结果的图像和错误数据进行分析,评估参试器件的抗辐照性能参数,为抗辐照高速高精度AD的加固设计提供数据支撑。     

中子单粒子效应数据获取系统设计与实现

单粒子效应是一种威胁航天器安全的空间环境效应,为了航天事业的发展,对该效应进行模拟实验尤为重要,中国散裂中子源(CSNS)建设的大气中子辐照谱仪(ANIS)为该实验提供了先进的中子单粒子效应测试与科研平台。基于Qt开发了中子单粒子效应测试系统的数据获取系统软件,应用于ANIS谱仪,通过该软件能够实现对测试系统的配置和监测、数据存储和显示等。通过在实验室和ANIS谱仪的实验结果表明,该数据获取系统软件稳定可靠,可以满足ANIS谱仪单粒子效应测试需求。     

一种基于抗辐照体系架构的单粒子效应等效评估拟合算法

针对国内加速器辐照实验无法充分满足航天器单粒子抗辐照设计验证需求的问题,本文提出了一种单粒子效应抗辐照等效评估拟合算法模型。该算法模型基于抗辐照体系架构,构建可靠性贡献度耦合因子,获取单粒子效应下系统功能中断截面随粒子线性能量转移(LET)值变化的等效耦合关系,从而降低对辐照实验条件依赖,为航天器抗辐照设计验证提供更多基准数据。最终通过实验数据分析比对,该算法模型可用于辐照实验数据的评估拟合,提升了航天器系统抗辐照设计可靠性评估效率。     

一种新型高抗辐照可配置SOI器件技术

本文介绍了一种新型的高抗辐照可配置SOI(configurable-SOI, CSOI)器件技术。CSOI器件在制备完成后,可以通过改变配置层电压,实现对总剂量辐照引起的性能退化进行补偿、对单粒子引起寄生晶体管放大进行抑制,从而提升器件的抗辐照性能。基于CSOI工艺,研制出了高抗辐照4kb SRAM验证芯片。辐照实验证实,该芯片的抗总剂量水平达到6 Mrad(Si)、单粒子翻转阈值大于118 (MeV·cm²)/mg,达到国际先进水平,有望应用于深空探测、核应急等极端领域。     

核反应影响半导体器件单粒子翻转的Geant4仿真

利用MC工具Geant4研究核反应对于半导体器件单粒子翻转效应(SEU)的影响,构建了研究的一般方法。辐照过程中电学与核反应物理过程的作用决定器件中敏感单元产生的淀积电荷量的分布,核反应的物理过程对于沉积较高电荷量的贡献很大。此外,利用Geant4分析静态随机存储器(SRAM)敏感单元上的后段互连材料钨对于单粒子翻转的反应截面的影响,并进行了模拟仿真。模拟结果表明,钨层的存在会加重存储器件的单粒子翻转效应。     

一种Flash型FPGA单粒子效应测试方法设计及验证

随着现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)在现代航天领域的广泛应用,FPGA的单粒子效应(Single Event Effect,SEE)逐渐成为人们的研究热点。选择Microsemi公司Flash型FPGA分布范围最广的可编程逻辑资源VersaTile和对单粒子效应敏感的嵌入式RAM单元RAM Block作为单粒子效应的主要测试对象,提出了两种不同的单粒子效应测试方法;然后,使用仿真工具ModelSim对提出的两种电路的可行性进行了仿真验证;最后,基于自主研发的实验测试平台,在兰州重离子加速器(Heavy Ion Research Facility in Lanzhou,HIRFL)上使用86Kr束进行了束流辐照实验,实验结果表明,测试方法合理有效。     

微处理器中子单粒子效应测试系统设计与试验研究

为开展微处理器的空间大气中子单粒子效应研究,以一款TI公司65 nm CMOS工艺的微处理器为研究对象,研制了一套微处理器中子单粒子效应测试系统。该测试系统可实现对被测微处理器的单粒子翻转、单粒子功能中断和单粒子闩锁效应的实时监测。利用加速器中子源,对该微处理器开展14 MeV中子辐照试验。试验结果表明,中子注量累积达3?5×1011 cm-2时,该器件未发生单粒子锁定效应。但总线通信、模数转换等功能模块发生了多次单粒子功能中断,其中集成总线通信接口模块为最敏感单位,试验获得的器件中子单粒子效应截面为6?6×10-11 cm2。     

空间单粒子效应加速器模拟试验技术及应用

空间环境中存在大量的高能粒子，单个高能粒子穿过航天器壳体轰击到电子器件，引发器件逻辑状态翻转、功能异常等单粒子效应，进而影响航天器的可靠运行和任务达成。基于地面加速器辐照试验模拟空间单粒子效应是评估电子器件在空间应用时发生单粒子错误风险的重要手段，只有其抗单粒子效应的指标符合宇航应用要求的器件才能在航天器中使用。航天器面临的空间辐射粒子主要是重离子和质子，它们诱发的单粒子效应也最为显著。开展宇航器件单粒子效应地面模拟试验主要依托重离子加速器和质子加速器，为满足单粒子试验需求，需要研发大面积束流扩束及均匀化、高精度束流快速诊断等技术，以及满足大批量试验任务需求的高效试验终端，重点介绍中国原子能科学研究院的基于加速器的重离子单粒子效应模拟试验技术、质子单粒子效应模拟试验技术和用于器件辐射损伤敏感区识别的重离子微束技术，以及上述技术在宇航器件单粒子效应风险评估中的应用。     

典型VDMOSFET单粒子效应及电离总剂量效应研究

利用252Cf源和60Coγ射线源对典型VDMOSFET进行单粒子效应和电离总剂量效应模拟试验,给出典型VDMOSFET的单粒子烧毁(SEB)、单粒子栅穿(SEGR)效应测量结果以及不同偏置条件下漏源击穿电压随辐照剂量的变化情况。结果表明,VDMOSFET对SEB和SEGR效应以及VDMOSFET漏源击穿电压对电离总剂量效应比较敏感,空间应用时需重点考虑VDMOSFET的抗SEB和SEGR能力;考核VDMOSFET的抗电离总剂量效应能力时对阈值电压和击穿电压等敏感参数应重点关注。     

基于差频检测技术的高速AD单粒子翻转评估方法研究

本文基于差频检测的原理,提出一种在高频动态输入模式下,对高速高精度模数转换器（AD）的抗单粒子翻转效应进行评估的测试方法,并以一款8位3 GSPS高速AD为测试对象,设计开发了一套高速AD单粒子翻转效应测试系统,对目标器件进行了重离子试验。通过对试验结果的图像和错误数据进行分析,评估参试器件的抗辐照性能参数,为抗辐照高速高精度AD的加固设计提供数据支撑。     

暗物质粒子探测卫星BGO量能器地面自动化测试软件

锗酸铋(Bismuth Germanate,BGO)量能器是我国即将发射的暗物质粒子探测卫星的关键分系统之一。在为期数年的工程研制过程中,需开展大量测试工作,包括初样鉴定件、正样飞行件共计40块前端电子学板的性能测试,初、正样共计约1 600个光电倍增管的LED光源刻度测试,以及初、正样单机各长达数月的多项地面环境模拟试验。针对以上测试和试验过程中的自动化数据采集和指令参数配置等需求,设计开发完成了一个基于Lab Windows/CVI开发平台和虚拟仪器技术的自动化测试系统,并投入实际应用,减轻了实验人员的工作强度,提高了测试效率,为暗物质粒子探测卫星BGO量能器的研制和工程生产的顺利进行提供了保障。     

欧空局单粒子监督器在北京HI-13串列加速器上的单粒子效应校核实验

为检验北京HI-13串列加速器单粒子效应(SEE)实验能力与数据测量的可靠性,利用束流参数校核系统——欧空局单粒子监督器进行了单粒子效应校核实验。实验使用C、F、Cl、Cu 4种离子辐照单粒子监督器,通过改变入射角度获得了有效LET值在1.8~67.4 MeV·cm~2·mg~(-1)之间的单粒子翻转(SEU)截面数据。实验结果与比利时HIF、芬兰RADEF装置上测得的截面数据一致性较好,证实了北京HI-13串列加速器单粒子效应实验束流参数测量的准确性及截面数据测试的可靠性。     

脉宽调制器单粒子效应测试系统研制

本文在分析脉宽调制器(PWM)单粒子效应主要失效模式的基础上,研制了具备频率异常测试、占空比异常测试和参考电压测试功能的PWM单粒子效应测试系统,并在中国原子能科学研究院HI-13串列加速器上开展了单粒子效应试验。试验结果表明:单粒子效应会导致PWM输出信号的脉冲丢失和占空比改变,脉冲丢失时间和占空比改变的持续时间有时可达数ms;UC1825AJ型PWM的单粒子效应LET阈值约为4.4MeV·cm2·mg-1,UC1845AJ型PWM的抗单粒子性能受工艺批次的影响较大。     

一种抗单粒子翻转容错异步收发器电路设计

为了改善星载粒子探测装置异步收发器的抗单粒子翻转性能,提出了一种基于Actel Flash FPGA的解决异步收发器抗单粒子翻转和传输过程中检错和纠错问题的高可靠设计方案。基于Actel公司的Pro ASIC Plus系列APA600 FPGA,采用汉明码(Hamming Code)和三模冗余(Triple Modular Redundancy,TMR)法相结合的方式对异步收发器进行容错设计,实现了一种新型的抗单粒子翻转电路。对于发送器模块,首先数据处理单元把发送的数据送到编码器中完成汉明码编码,之后将编码完成的数据分别发送给多数表决器中来表决得到数据送入串行发送器中,最后将并串转换的数据发送出去。对于接收器模块,通过串行接收器对接收数据进行串并转换,并将转换后的并行数据送入解码器,解码器对接收到码字进行译码,得到最终的信息数据。对设计进行误差注入仿真测试,结果表明所设计的容错异步串行收发器能够有效地容错,可以非常方便地应用到航空航天等辐射环境中,实现高可靠的系统设计。     

重离子单粒子效应实验研究

在HI—l3串列加速器上建立了对微电子器件进行单粒子效应模拟实验的辐照和检测技术。利用该Q3D磁谱仪获得种类和能量单一、强度分布均匀且足够弱的重离子辐照源，利用散射室内的半导体探测器和焦面上的位置灵敏半导体探测器监测辐照离子。用该装置和技术测量了在8个传能线密度(LET)值的重离子辐照下引起的几个存储器器件的单粒子翻转（SEI）截面o(L)。从测得的o(L)——LET曲线，结合空间重离子和质子辐照环境模型以及离子与微电子器件相互作用模型计算，预言了器件在空间的单粒子翻转率。     

空间单粒子翻转甄别与定位系统原理样机的设计及试验

单粒子翻转（SEU）是影响空间电子设备可靠性的重要因素,本文提出了一种SEU甄别与定位技术方法,研制了原理样机。硅探测器与辐照敏感器件在垂直方向相互临近安装,粒子入射到硅探测器的位置区域与目标辐照器件单粒子翻转的物理位置相对应。采用波形数字化技术实现了多道粒子甄别与能量信号测量,通过数据回读比较法实现了SRAM器件翻转逻辑定位检测。根据实验室测试和单粒子辐照试验结果,可探测高能粒子的LET≥6?06×10-3 MeV·cm2/mg,入射粒子的位置分辨率优于5 mm,最大计数率≥10 000 s-1,SRAM器件的SEU巡检周期时间分辨率为13?76 ms。通过掌握大容量SRAM型器件的SEU甄别与定位及其辐射环境感知能力,有助于提升空间电子设备的在轨工作性能。     

用于Micromegas的电子学读出系统初步设计

Micromegas由于具有高计数率、良好的空间分辨能力、很好的抗辐照性能和简单的结构,被广泛应用于粒子物理实验,它是未来探测器的一个发展方向。论文介绍了用于Micromegas探测器的一种电子学读出系统,其中包括系统总体结构、前端ASIC前放电路设计、后端读出电子学硬件设计和FPGA中的固件设计,给出了现有条件下对此系统的初步测试结果。     

DAMPE-PSD读出电子学研制

暗物质粒子探测卫星(dark matter particle explorer, DAMPE)是我国空间科学卫星系列的首发星,用于找出可能的暗物质粒子信号。塑料闪烁体阵列探测器(plastic scintillator detector, PSD)分系统作为卫星有效载荷的主体部件之一,参与承担高能粒子电荷测量和电子/γ射线鉴别任务。PSD由82根塑料闪烁体条和164个光电倍增管（photomultiplier tube, PMT)组成,有328个输出通道,每根塑料闪烁体条的动态范围为2×103,需配备1套完备的读出电子学系统。该电子学系统由4块前端电子学（front-end electronics, FEE）板构成,共具有360个信号处理通道,总功耗6 W。电路主要包括电荷测量电路、模拟调理电路、模数变换电路、刻度电路、环境监测电路、FPGA电路、电源管理电路以及接口电路等,其主要功能是基于32路模拟信号将PMT的电荷信号输入VA160 ASIC芯片,考虑了抗辐照加固、温度设计等一系列关键问题,以确保在严酷的太空中具有长期的可靠性。测试结果表明,该FEE系统工作稳定、性能良好,具有较好的技术指标,每个电子学通道实现了0～12.5 pC的动态范围,通道的随机噪声水平好于2 fC,积分非线性好于0.6%。FEE能适应恶劣的空间环境,具有很高的可靠性。FEE配合PSD样机还分别于2014年和2015年在欧洲核子中心（CERN）的PS和SPS终端成功完成了2次束流试验,验证了PSD的探测能力完全满足任务书中提出的功能和指标要求,能很好实现实际科学任务需求。     

HI-13串列加速器上弱束流监测技术研究

宇宙空间中的单个高能带电粒子与星载微电子器件相互作用产生的单粒子效应可使航天器发生在轨故障，效应严重时，甚至有可能对航天器造成灾难性的后果。因此，微电子器件在应用于航天器之前，必须进行基于加速器束流的地面模拟试验，结合预定轨道的辐射环境，对器件的单粒子效应特性进行评估，只有抗单粒子加固性能符合要求的器件才能使用。