西安200 MeV質子應用裝置200 MeV質子輻照CCD的實驗結果與分析

王祖軍，薛院院，王 迪，焦仟麗，劉臥龍，楊 業，趙銘彤，王忠明，陳 偉

(1. 強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，西安710024；2. 西北核技術研究所，西安710024；3. 湘潭大學 材料科學與工程學院，湘潭411105)

電荷耦合器件(charge coupled device，CCD)是一種利用光電效應產生信號電荷、通過MOS結構的電容陣列耦合實現信號電荷的存儲和轉移、通過器件的輸出結構輸出電信號實現光電信號轉換的器件。因為CCD具有體積小、重量輕、功耗低、量子效率高、動態范圍大和分辨率高等優良性能，可為監視、探測、遙感等應用提供高清晰度和高分辨率的實時圖像信號，所以CCD廣泛應用于成像和探測系統中。然而，當CCD應用于空間輻射環境或核輻射環境中時，由于受輻照損傷的影響，CCD及相關系統性能將會出現退化，嚴重時，甚至會出現功能失效現象。CCD的輻照損傷效應主要包括電離總劑量效應、位移效應及單粒子效應[1-4]。

在空間輻射環境中，CCD的輻照損傷主要由空間質子引起，CCD的質子輻照損傷效應一直是CCD輻照效應研究的熱點問題之一。鑒于空間質子的能譜分布范圍較廣，在工程應用中開展電子元器件的質子輻照效應評估及比較不同能量質子誘發的位移損傷時，常用非電離能量損失(nonionizing energy loss, NIEL)的概念，并用10 MeV質子等效注量進行位移損傷等效[1,5-6]。由于受加速器質子源條件的限制，我國用于電子元器件質子輻照效應實驗的質子能量大多在10 MeV以下[7-10]。如，于慶奎等開展了TDI型CCD的10 MeV質子輻照實驗研究[7]；王祖軍等開展了線陣CCD的2，5，10 MeV質子輻照實驗研究，分析了質子輻照線陣CCD誘發性能退化的實驗規律和損傷機理[8-9]；文林等開展了64×64像元面陣CCD的3 MeV和10 MeV質子輻照實驗研究，分析了質子輻照面陣CCD誘發位移損傷引起光譜響應的退化規律[10]。在CCD質子輻照效應研究方面，盡管國內外均開展了大量的輻照實驗，但中、高能質子輻照CCD的研究報道相對較少，特別是質子能量高于200 MeV的CCD輻照實驗結果鮮有報道。此外，在CCD高能質子輻照損傷效應的仿真模擬及高能質子輻照誘發CCD微觀缺陷測試等方面，國內外的研究報道也相對較少，這些研究需要有大量的CCD高能質子輻照實驗數據作為支撐。由于200 MeV質子的穿透能力強，當開展CCD成像系統的空間輻射損傷效應考核時，200 MeV質子能穿透CCD成像系統的屏蔽防護層、光學鏡頭及芯片封裝層等結構，所以，200 MeV質子可用于CCD成像載荷系統在空間輻射環境中遭受高能質子輻照損傷的地面模擬。

由于通過NIEL建立電子元器件不同能量質子位移損傷等效關系及校驗等效系數時，均需要有一定數量的不同能量質子輻照實驗數據作為參考，近年來，王祖軍等在中國原子能科學研究院回旋質子加速器上開展了1 024×1 024像元面陣CCD的30, 60, 90, 100 MeV質子輻照實驗研究，初步得到了CCD不同能量質子輻照損傷的實驗規律[11]。2020年6月，西安200 MeV質子應用裝置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility, XiPAF)的質子束流能量達到200 MeV，這是我國適于開展輻照效應實驗的加速器質子束流能量首次達到200 MeV，為開展電子元器件高能質子輻照實驗提供了輻照模擬源條件。本文主要介紹在XiPAF上首次開展的200 MeV質子輻照CCD的實驗結果，并對CCD的暗信號、暗電流密度、隨機噪聲、暗信號不均勻性、暗信號尖峰及其分布等暗場特性參數和飽和輸出、動態范圍、電荷轉移效率等明場特性參數退化的實驗規律和損傷機理進行深入分析。

1實驗條件與樣品

CCD的質子輻照實驗在XiPAF上開展。本次實驗的質子能量為200 MeV，質子輻照注量率約為4.0×106cm-2·s-1，質子輻照注量為1×1010cm-2。輻照過程中，CCD處于管腳懸空狀態。輻照及測試在室溫(約25 ℃)下進行。圖1為在XiPAF上開展CCD質子輻照實驗的現場圖。CCD輻射敏感參數測試在基于國際標準EMVA1288[12]的光電成像器件輻射效應測試平臺上進行，測試系統如圖2所示[13]。輻照前后分別進行了CCD輻射敏感參數測試，輻照后還進行了常溫退火測試，退火時間分別為24 h和168 h。

(b)Setup of the high energy proton beam irradiation圖1西安200 MeV質子應用裝置質子輻照CCD的實驗現場圖Fig.1Experimental setup for the CCD irradiatedby 200 MeV protons at XiPAF

(a)CCD radiation parameter test system

(b)CCD measurement setup in dark box圖2CCD輻射敏感參數測試系統[13]Fig.2CCD radiation parameter test system[13]

輻照樣品為索尼公司生產的面陣CCD，型號為ICX285AL。該CCD是一種新型高分辨率科學級CCD圖像傳感器，采用了逐行掃描輸出技術，像元尺寸為6.45 μm×6.45 μm，全分辨率為1 392×1 040，具有100%填充效率，輸出最高幀頻可達60 s-1，且具有暗信號低、分辨率高和抗暈等優良特性，在我國成像系統中應用廣泛。

2實驗結果與分析

2.1暗場特性參數

CCD，CMOS圖像傳感器及紅外焦平面等光電成像器件輻照損傷的典型特征是輻照誘發暗場特性參數的退化。CCD在既無光注入又無其他方式注入信號電荷的情況下輸出的信號稱為CCD的暗信號。在基于國際標準EMVA1288的光電成像器件輻射效應測試平臺上測試的暗信號，為暗場圖像的灰度值(Gd)。通常，CCD受到質子輻照損傷后，暗場特性參數將發生退化。圖3給出了200 MeV質子輻照前后CCD像元陣列中暗信號的分布情況。

(a)Before irradiation

(b)After irradiation(Фp=1×1010 cm-2)圖3200 MeV質子輻照前后CCD像元陣列中暗信號的分布情況Fig.3The dark signal distributions of CCD array pixelsbefore and after 200 MeV proton irradiation at XiPAF

由圖3可見，輻照前，CCD像元陣列中沒有出現暗信號尖峰，而200 MeV質子輻照后，CCD像元陣列中出現大量的暗信號尖峰。輻照誘發CCD產生的暗信號尖峰是指因輻照損傷在CCD的單個像元中沉積了大量能量，從而導致該像元的暗信號幅值增大，超過平均暗信號幅值3倍以上，在圖像上呈現白斑或亮點。根據CCD的60Co γ射線輻照和中子輻照實驗結果可以推斷，圖3(b)中的暗信號尖峰主要是質子位移損傷誘發產生的。這是因為γ射線輻照CCD主要產生電離總劑量損傷效應[8,14-15]，位移損傷效應很小，幾乎可忽略，γ射線輻照CCD后幾乎沒有暗信號尖峰產生。中子輻照CCD主要產生位移損傷效應[8,16-17]，電離總劑量損傷效應很小，幾乎可以忽略，中子輻照CCD后會誘發大量的暗信號尖峰產生。輻照損傷誘發產生CCD暗信號尖峰是CCD位移損傷的特征現象，也是區別CCD電離損傷和位移損傷的典型特征。從圖3(b)還可看出，200 MeV質子輻照后，CCD像元陣列中暗信號增大主要是以暗信號尖峰形式呈現的，像元陣列中暗信號增大程度的差異非常大，即暗信號不均勻性(DSNU)很大；而γ射線輻照誘發CCD的暗信號增大主要是以各像元陣列中暗信號均勻增大為主，各像元暗信號增大程度的差異較小。本文實驗結果表明，CCD受200 MeV質子輻照后，暗信號、暗信號尖峰、DSNU等暗場特性參數均出現顯著退化。

圖4給出了200 MeV質子輻照前后，CCD的像元數隨像元陣列中暗信號幅值的分布。

圖4200 MeV質子輻照前后CCD的像元數隨像元陣列中暗信號幅值的分布Fig.4The distributions of the count of pixel vs. the darksignal in the CCD array pixels before and after200 MeV proton irradiation at XiPAF

由圖4可見，輻照前，暗信號的幅值很小，200 MeV質子的輻照注量為1×1010cm-2時，暗信號的幅值顯著增大。輻照后， CCD的像元數隨像元陣列中暗信號幅值的分布曲線存在明顯的拖尾，拖尾部分表征了CCD像元陣列中含有暗信號尖峰的像元數。質子輻照CCD誘發的暗信號在退火24 h和168 h后，均出現一定程度的減小，但仍然遠高于輻照前的暗信號，這表明CCD的質子輻照損傷是破壞性損傷。圖5給出了200 MeV質子輻照前后，CCD像元陣列中不同暗信號幅值對應的像元數統計分布情況。由圖5可見，與輻照前相比，200 MeV質子輻照后，CCD像元陣列中不同暗信號幅值對應的像元數顯著增大，退火后不同暗信號幅值對應的像元數略有減小。

圖5200 MeV質子輻照前后CCD像元陣列中不同暗信號幅值對應的像元數統計分布Fig.5The statistic distribution of the count of pixel vs.the dark signal in the CCD array pixels before andafter 200 MeV proton irradiation

在無光照條件下，CCD的平均暗信號會隨積分時間線性增加。參考國際標準EMVA1288，暗電流的計算公式為[12]

Qd=Qd0+Idti

(1)

其中，Id為暗電流；ti為積分時間；Qd0為積分時間為0及無光照條件下的平均暗信號；Qd為積分時間為ti及在無光照條件下的平均暗信號。本文的平均暗信號為暗場圖像的平均灰度值(Gd,ave)。

質子輻照CCD誘發的電離損傷會導致CCD表面暗信號增大，質子輻照CCD誘發的位移損傷會導致CCD體暗信號增大。圖6給出了200 MeV質子輻照前后，CCD像元陣列中平均暗信號隨積分時間的變化關系。由圖6可見，200 MeV質子輻照注量為1×1010cm-2時，CCD像元陣列中的平均暗信號比輻照前顯著增大，且隨積分時間增大而線性增大，符合式(1)關系。輻照后的退火測試結果表明，質子輻照后的平均暗信號在積分時間較大時，退火效果更加明顯。圖7為200 MeV質子輻照CCD誘發的暗電流密度增大及輻照后的退火測試曲線。由圖7可見，200 MeV質子輻照注量為1×1010cm-2時，CCD像元陣列中的暗電流密度比輻照前顯著增大。輻照后的退火測試結果表明，CCD的暗電流密度出現一定程度的恢復，但并沒有恢復到輻照前的水平。

圖6200 MeV質子輻照前后CCD的平均暗信號隨積分時間的變化關系Fig.6The mean dark signal of the CCD array pixels vs. integration time before and after 200 MeV proton irradiation

圖7200 MeV質子輻照CCD誘發的暗電流密度增大及輻照后的退火測試曲線Fig.7200 MeV proton irradiaton induced the darkcurrent density increase and the annealing test curve after irradiation

質子輻照CCD誘發的位移損傷會導致CCD的DSNU增大。DSNU為暗場圖像各像元中灰度值的不均勻性(GDSNU)。圖8為200 MeV質子輻照CCD誘發的DSNU增大及輻照后的退火測試曲線。由圖8可見，200 MeV質子輻照注量為1×1010cm-2時，CCD像元陣列中的DSNU比輻照前顯著增大。質子輻照誘發CCD的DSNU增大，主要源于CCD的不同像元中暗信號的差異。由圖3(a)可見，輻照前，不同像元中暗信號幅值的差異很小；輻照后，由于暗信號尖峰的產生，導致CCD的不同像元中暗信號幅值的差異很大。退火后，CCD像元陣列中暗信號幅值出現一定程度的減小，這主要是由于質子輻照誘發的體缺陷在退火過程中經過一系列的動態演化過程后，一部分晶格中因輻照引起移位的原子重新回到輻照前的晶格位置，從而減少了體缺陷密度。

(a) XiPAF

CCD的隨機噪聲是指在無光照條件下，CCD像元陣列中各有效像元輸出信號的標準偏差。本文中隨機噪聲為暗場圖像中各像元輸出灰度值的標準偏差(σn,dark)。圖9為200 MeV質子輻照CCD誘發的隨機噪聲增大及輻照后的退火測試曲線。由圖9可見，CCD的隨機噪聲在輻照后顯著增大，這是由于質子輻照后，CCD各有效像元陣列中的輸出信號明顯增大，且由于質子誘發產生暗信號尖峰導致各有效像元中輸出信號的差異也很大，從而導致隨機噪聲增大。輻照后的退火過程中，隨機噪聲出現一定程度的減小，但遠未恢復到輻照前的水平。

圖9200 MeV質子輻照CCD誘發的隨機噪聲增大及輻照后的退火測試曲線Fig.9200 MeV proton irradiaton induced the random noise increase and the annealingtest curve after irradiation

2.2明場特性參數

CCD受到質子輻照損傷后，不僅暗場特性參數發生了顯著退化，而且明場特性參數也出現了一定程度的退化。CCD處于飽和曝光量時的輸出稱為飽和輸出。飽和輸出是CCD可以產生的最大輸出信號。本文測試的飽和輸出為光照條件下輸出圖像的最大灰度值(Gs)。當CCD達到飽和輸出時，盡管入射光強增加，但輸出信號并不增加。圖10為200 MeV質子輻照CCD誘發的飽和輸出減小及輻照后的退火測試曲線。由圖10可見，200 MeV質子輻照后，CCD的飽和輸出略有減小，這是由于質子輻照后，CCD的輸出電路單元受到輻照損傷的影響導致輸出增益下降。實驗測試結果表明，輻照前該CCD的輸出增益為5.40，輻照后降為5.33。與輻照前相比，飽和輸出在200 MeV質子輻照注量為1×1010cm-2時略有減小，在輻照后的退火測試中略有恢復。

圖10200 MeV質子輻照CCD誘發的飽和輸出減小及輻照后的退火測試曲線Fig.10200 MeV proton irradiaton induced the satuation output decrease and the annealingtest curve after irradiation

CCD的動態范圍(DR)是指飽和曝光量時的輸出信號與暗場環境下隨機噪聲的比值。DR可以表征CCD輸出信號隨輸入曝光量線性變化的范圍。參考國際標準EMVA1288，DR的計算公式為[12]

(2)

其中，RDR為動態范圍；Qs為飽和輸出信號；σn,dark為暗場環境下的隨機噪聲。

質子輻照損傷會誘發CCD的DR減小，從而影響CCD的成像質量。圖11為200 MeV質子輻照CCD誘發的DR減小及輻照后的退火測試曲線。由圖11可見，200 MeV質子輻照后，CCD的DR出現明顯減小，這是由于質子輻照后CCD的飽和輸出減小，而暗場環境下的隨機噪聲增大。退火后，DR出現較小幅度的增大，這是因為飽和輸出和暗場環境下的隨機噪聲退火恢復程度均很小。

圖11200 MeV質子輻照CCD誘發的DR減小及輻照后的退火測試曲線Fig.11200 MeV proton irradiaton inducedthe dynamic range decrease and the annealingtest curve after irradiation

質子輻照還會導致CCD的電荷轉移效率(charge transition efficiency, CTE)降低。CCD的信號電荷從一個勢阱轉移到相鄰一個勢阱時，信號電荷存在一定的損失，轉移后的信號電荷與轉移前的信號電荷之比稱為CTE，記為ηCTE。輻照前CCD的CTE通常為99.99%～99.999 9%。為更好地比較輻照前后CTE的變化，通常使用電荷轉移損失率(charge transition in-efficiency, CTI)進行比較。CTI記為ηCTI，ηCTI=1-ηCTE。本次實驗中采用擴展像素邊界響應(EPER)法測量輻照前后CCD的ηCTI。結果表明，在飽和光照條件下，輻照前測試的ηCTI為(4.75±0.04)×10-5，在注量為1×1010cm-2的200 MeV質子輻照后，ηCTI為(6.06±0.02)×10-5。在半飽和光照條件下，輻照前測試的ηCTI為(7.88±0.11)×10-5，在注量為1×1010cm-2的200 MeV質子輻照后，ηCTI為(11.64±0.03)×10-5。質子輻照CCD誘發CTE降低(CTI增大)主要源于信號電荷在CCD的轉移溝道中被質子輻照誘發的體缺陷俘獲部分信號電荷，導致信號電荷轉移損失[18]。

3結論

本文通過在XiPAF上首次開展200 MeV質子輻照CCD實驗，得到了200 MeV質子輻照誘發CCD性能退化的實驗規律。結果表明，當質子輻照注量為1×1010cm-2時，CCD的暗信號、暗電流、DSNU、隨機噪聲、暗信號尖峰及其分布等暗場特性參數退化顯著，退火后暗場特性參數出現明顯恢復，但遠未恢復到輻照前的水平；與暗場特性參數相比，CCD的飽和輸出、動態范圍、CTE(或CTI)等明場特性參數的退化程度相對較小，退火后略有恢復。本文的實驗結果為開展CCD不同能量質子位移損傷等效及空間輻射損傷效應預估，提供了高能質子輻照實驗數據參考。

下一步工作擬在XiPAF上系統開展不同能量質子對不同類型和結構的光電成像器件的輻照實驗，質子能量范圍將涵蓋10，30，60，80，100，150，200 MeV，為光電成像器件及相關系統的不同能量質子位移損傷等效研究積累基礎實驗數據，并深入研究其效應規律和損傷機理。