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【ADI 工程师博客】细说辐射效应(连载1)

ternence 在 2018-6-15 建立的討論區

作者:Jonathan HarrisADI公司产品应用工程师

 

我在ADI公司从事高速ADC支持工作有很多年,但近两年已转移到航天产品部门。当我就本月要撰写的主题展开头脑风暴时,我想到何不将我工作过的两个领域结合起来,谈谈关于高速ADC的几种辐射效应。深入探讨辐射如何影响高速ADC的某些细节之前,我们首先必须对一般的辐射效应有所了解。这将是一个包括多部分的系列,分若干篇博客介绍,我们将研究存在哪些类型的效应,然后看看其中几个效应如何具体影响高速ADC

 

当一台设备被置于恶劣的太空环境时,可以预料辐射会导致不同类型的不良行为。这就是为什么我们使用德克萨斯州农工大学回旋加速器以及美国和世界各地的其他类似设施的原因。这些设施使我们能够在将设备放入卫星等应用环境之前,将设备暴露在辐射中以测量其性能。与可以更换故障设备的地面应用不同,设备送入太空之后,无法轻松进行更换。至少,在太空中更换设备会是一个成本巨大的冒险举措。

 

我想,很多人可能回想起哈勃望远镜的早期问题。我相信,那些事情对所有参与者来说都是痛苦的回忆。虽然它的问题不是太空辐射,而是设计缺陷,但发射之后的维修仍然是一个难题。通过在地球上对设备进行辐射测试,我们有信心确保设备可以在恶劣的太空辐射环境中正常运行。知道为什么要进行辐射测试之后,我们来看看可能遇到的不同辐射效应。

 

一般可观察到两种类型的效应,即累积效应和单粒子效应(SEE)。累积效应发生在较长时间内,设备反复暴露于辐射之下,性能开始以某种方式发生转变。受累积效应影响,设备复位或断电后重启不会使设备返回到标称工作状态。这些累积效应导致设备性能出现半永久性到永久性的变化。我使用半永久性这个说法的原因是,这种情况下辐射引起的效应不会因为设备复位或断电后重启而消除,但可能随着时间推移或暴露于高温而退火消失。这里我不打算详细讨论退火过程。就本篇博客而言,我们假设累积效应保留在设备中。

辐射效应——累积效应和单粒子效应

 

累积效应主要分为两类:总电离辐射剂量(TID)和位移损伤。TID效应通常发生在设备使用寿命中的很长一段时间内。当测试TID效应时,设备暴露于辐射下直至达到一定的剂量。剂量决定所执行的TID测试类型。分为两种类型:低剂量率(LDR)和高剂量率(HDR)。一般来说,小于或等于30mrad/s的辐射量被认为是LDR50300 rad/s范围内的辐射量被认为是HDR30 kRad100 kRad的总电离辐射剂量是相当常见的。目的是让设备暴露于大量辐射下,以测量其在太空应用中的使用寿命。

 

通常会在辐射暴露之前对设备进行测试以建立基线性能。然后将其暴露于特定剂量率的辐射(LDRHDR)下并持续一段时间,以达到所需的总电离辐射剂量。暴露于辐射之后,对设备重新测试以确定其性能的任何变化。在辐射暴露期间,设备将被调整到正常工作模式,以模拟设备在太空应用中的工作条件。

累积效应——TID和位移损伤

 

位移损伤是指辐射离子撞击设备,并因此使组成设备的材料中的原子发生位移。这种位移可能导致晶格空位或填隙。这些原子随后可能重组或形成稳定的缺陷。就本博客系列而言,我们将重点关注TID效应,而较少关注位移损伤。要了解位移损伤的复杂细节,涉及到相当多的物理知识,这超出了本博客的范围。

 

有许多期刊论文和技术文章详细介绍了TID和位移损伤。我们的目标是对这些累积效应做一个概要介绍,并对TID给予较多的关注。这将使我们能够理解这些累积效应,明白它们如何影响半导体集成电路,特别是在涉及高速ADC时。在下一篇中,我们将讨论由辐射引起的单粒子效应(SEE)敬请期待~

結果