文摘

评价退化的COTS线性电荷耦合装置(CCD)电离总剂量(TID)辐射损伤引起的。进行了在辐射实验60有限公司γ射线源。DALSA参数的线性CCD测量的CCD测试系统作为EMVA1288标准前后辐射。暗电流的信号不均匀性(DSNU),照片响应不均匀性(PRNU),饱和输出,充分能力(FWC),量子效率(QE),和响应率与本署进行了分析。的行为测试CCD辐射后显示出卓越的退化。CCD的退化机制引起的TID损伤进行了讨论。

1。介绍

电荷耦合装置(CCD)已广泛应用于成像、信号处理、和串行的记忆,特别是粒子探测和空间应用(1,2]。ccd在空间环境中很容易受到空间辐射损伤。一般来说,两种类型的CCD辐射损伤被称为电离和位移损伤(3]。60有限公司γ射线辐射电离损伤主要原因。电离损伤可以导致氧化物陷阱和界面陷阱提高ccd。这种损伤可能引起明显的退化CCD参数如暗电流的增加,黑暗的信号不均匀性(DSNU),和照片响应不均匀性(PRNU)和减少饱和输出,充分能力(FWC),量子效率(QE),响应率。暗电流的增加引起的辐射诱发的减少有效信号和成像质量。当暗电流(黑信号)充满了潜在的井,CCD将故障。DSNU和PRNU的增加引起的辐射诱发像素输出的尺度的增加,降低了成像均匀性。减少引起的饱和输出和FWC辐射诱发的减少成像质量等动态范围(博士)和信噪比(信噪比)。量化宽松政策和响应率的减少引起的辐射诱发的photon-sensitivity CCD的减少。这些参数是众所周知的CCD辐射敏感参数。这些参数的退化会严重影响CCD的性能。

西蒙等人提出了暗电流密度和阈值改变硬化ccd与累积剂量和退火时间(4]。霍普金森调查方法可以抑制ccd暗电流的增加引起的电离总剂量(TID) [5]。王等人研究了饱和输出信号电压的退化造成的阵列ccd TID辐射损伤(6]。然而,更少的论文强调TID-induced退化的量化宽松政策,响应率,PRNU, FWC ccd。DALSA是线性ccd近年来被广泛用于空间应用。一些论文重点对这种类型的CCD辐射的影响。退化的评价在DALSA线性ccd电离总剂量(TID)引起的损伤对卫星设计师很重要。

研究报告在此探讨了实验对DALSA TID辐射影响的线性ccd。参数的退化引起的TID损害进行评估。暗电流、DSNU PRNU,饱和输出和FWC TID 30.0 rad的函数(Si) / s。量化宽松和响应率作为波长的函数前后20千拉德(Si)辐射也提出了。退化的机制,详细分析了CCD TID损伤引起的。

2。实验的细节

进行了在辐射实验60有限公司γ射线源。CCD与所有针停飞期间无偏60有限公司γ辐射测试和rad 30.0 (Si) / s。CCD测量的TID 5、10、15、20千拉德(Si)。CCD参数测试后30分钟内每个辐射步骤。输出视频信号与光照和黑暗条件下进行了测试。参数测量之前和之后在CCD辐射测试设备。实验装置的CCD TID辐射测试如图1。


图1
实验设置一个CCD TID辐射测试。

实验中使用的示例是DALSA IL-P3-B线性CCD。的高分辨率线阵CCD包括2048像素和展品。14×14像素大小μ米2。IL-P3-B线性CCD的数据率40 MHz。框图DALSA IL-P3-B的线性CCD如图2(7]。


图2
框图DALSA IL-P3-B的线阵CCD (7]。

3所示。结果与讨论

3.1。暗电流的增加

暗电流是当前测量入射光子的缺席,这是表达e / s /像素或nA /厘米2。在CCD暗电流是当前不产生光电效应。1288年欧洲机器视觉协会(EMVA1288)标准,给出了暗电流(8] 在哪里 暗电流, 电子的平均数量是没有光的曝光时间为零,然后呢 电子的平均数量没有光。

TID和位移辐射诱导暗电流的增加。众所周知,在CCD暗电流的增加主要是由TID辐射损伤引起的,因此我们将聚焦于TID辐射诱导的暗电流增加。

有几个暗电流源等热生成,表面生成、隧道和碰撞电离。暗电流的增加的主要来源是热产生的空间电荷区(SCR)和热生成表面状态在Si和SiO所致2接口TID辐射引起的。

电离辐射产生了新的硅栅氧化层和体积之间的界面状态。能级以来新成立的州是在带隙中,他们的存在通常会导致暗电流生成增加(9]。暗电流与TID图所示3。当TID低于10克拉(Si),稍微暗电流增加。然而,当TID高于10克拉(Si),暗电流增加显著。原因是电离辐射损伤更加严重,TID的积累。电离辐射导致界面状态增加导致暗电流的增加产生率。


图3
暗电流与TID rad 30.0 (Si) / s。

电离损伤导致氧化物陷阱密度的增加和界面陷阱的ccd。陷阱的生成电子空穴对的一代将会增加,这就增加了暗电流(6]。创建陷阱将增加的宽度可控硅通过改变Si / SiO的潜力2接口,这将引起暗电流的增加。Shockley-Read-Hall理论,生成率, ,表示为5] 在哪里 和 代表电子和空穴的俘获截面, 是热速度, 代表了陷阱浓度。

枯竭的表面 和 ,

暗电流, ,表示为

3.2。增加DSNU PRNU

CCD读出图像包括一系列像素输出和从像素到像素。没有噪音的尺度是使输出信号变化。可能只非均质分布随机,所以最好名字这种效果不均匀性(5]。从本质上讲,有两种基本的不均匀性。首先,黑暗中在不同的像素信号是不同的。这种效应被称为DSNU。第二,敏感性的变化叫做PRNU。DSNU和PRNU CCD将退化的TID损伤。

DSNU代表均方根偏差的有效像素输出的成像面积在黑暗的环境中。作为DSNU EMVA1288标准,是由(8] 在哪里 和 是图像的行和列的数量, 和 数组的行和列索引, 是黑暗的信号意味着什么 像素在黑暗所有捕获的图像, 黑暗黑暗意味着信号的捕获图像,然后呢 是所有捕获的黑暗空间方差的图像。

图4显示了DSNU TID增加而增大。当TID高于10克拉(Si), DSNU增加显著。这是因为TID损害更加严重,TID的积累。TID辐射诱发增加不仅在黑暗中而且在DSNU信号。DSNU是因为黑暗信号波动引起的ccd像素内的数量波动一代州。波动TID增加而增大。当TID低于10克拉(Si),代州的数量很小,DSNU有限的影响。


图4
DSNU兑TID rad 30.0 (Si) / s。

PRNU是照片的敏感性反应的不均匀性。PRNU被定义为一个相对于均值标准差。PRNU给照片响应不均匀性的空间标准差%的意思。作为PRNU EMVA1288标准,是由(8] 在哪里 和 是图像的行和列的数量, 和 数组的行和列索引, 的意思是 50%饱和度图像像素, 饱和度图像的均值50%,然后呢 的空间差异50%饱和度图像。

图5显示了PRNU TID增加而增大。PRNU增加是由氧化引起的陷阱和界面陷阱TID辐射引起的。这些陷阱可以在势阱捕获信号电荷,然后释放它们,这就增加了信号波动的ccd像素内。波动TID增加而增加,因此增加TID PRNU也增加。


图5
PRNU兑TID rad 30.0 (Si) / s。
3.3。减少饱和输出和FWC

饱和输出的最大输出信号与所有像素发光饱和。饱和输出的函数TID rad 30.0 (Si) / s如图6。从图6,你会发现饱和输出随TID增加而减小。当TID高于10克拉(Si),饱和输出明显减少。饱和输出的退化是由于潜在的井的深度和成像区域减少移位寄存器地区TID引起的损害。


图6
饱和输出与TID rad 30.0 (Si) / s。

我们已经了解到,TID损害引起的阈值电压转变CCD读出移位寄存器,如图2。阈值电压变化导致势阱深度的降低。所以饱和输出填充的潜能也减少。

计算FWC饱和输出(DN)除以转换因子(DN / e−)。FWC与TID rad 30.0 (Si) / s如图7。从图7,你会发现FWC随TID增加而减小。这是由于减少饱和输出和转换因子的增加。实验结果表明,TID辐射后的转换因子增加一点。


图7
充分的能力和TID rad 30.0 (Si) / s。
3.4。量化宽松和反应性降低

量化宽松政策和光谱响应率代表CCD如何回应的光子。TID损伤将导致减少量化宽松和CCD光谱响应率。量化宽松是一个量化参数,反映了图像传感器的photon-sensitivity作为波长的函数(即。光子撞击的能量)。它是由10] 在哪里 收集到的视频信号电荷, 注入了光子的数量, 代表波长。

量化宽松政策的损失主要是由于两个局限性。第一个是撞击损失代表光子撞击过程中损失。它包括损失的光学系统和光电二极管上的吸收和反射的结构(例如,金属和电介质层)。换句话说,代表失踪的光子碰撞损失,不让它表面的光敏地区。其次,photon-generated航母不是百分之一百有效的收集,从而引入了量化宽松政策减少(10]。

量化宽松政策与波长前后20克拉(Si)辐射rad 30.0 (Si) / s如图8。量化宽松政策后显著降低20千拉德(Si)辐射。photon-generated运营商在耗尽区可以收集没有任何损失,因为内建电场的存在。然而,航空公司以外产生势垒区可能重组前耗尽区扩散。TID损伤引起的阈值电压变化导致深耗尽区减少,因此收集photon-generated运营商减少。TID损伤引起的陷阱密度的增加导致撞击photon-generated运营商的损失。因此,量化宽松政策后显著降低20克拉(Si)辐射。


图8
量化宽松和波长前后20千拉德(Si)辐射。

反应性也用来描述photon-sensitivity CCD。光电流的比率是光学输入功率和由(10] 在哪里 光电流, 是光输入功率。

响应率与波长前后20千拉德(Si)辐射rad 30.0 (Si) / s如图9。响应率也显著减少后20千拉德(Si)辐射。从(8),我们可以得出结论,反应性退化机制类似于量化宽松政策。


图9
响应率与波长前后20千拉德(Si)辐射。

4所示。结论

DALSA CCD上的辐射效应为30.0 rad (Si) / s进行调查。的行为测试CCD后显示出卓越的退化60有限公司γ射线辐射。暗电流的增加而增加TID,由于陷阱密度的增加引起的TID损伤。DSNU PRNU TID增高而增强,这是由于增加的电荷信号波动(黑暗和光照环境)在CCD像素TID引起的损害。当TID高于10克拉(Si),暗电流,DSNU, PRNU增加显著。这意味着在辐射环境中使用的CCD TID高于10克拉(Si)应该考虑性能的严重恶化。

饱和输出和FWC TID减少而增加,这主要是由于减少势阱深度的CCD TID损伤引起的。当TID高于10克拉(Si),饱和输出和FWC明显减少。QE和增加TID响应率降低,这是由于深耗尽区减少,撞击损失photon-generated母舰TID引起的损害。当TID 20千拉德(Si),量化宽松和响应率显著降低,导致CCD的photon-sensitivity的显著减少。

为了研究剂量率对ccd的影响,更多的辐射实验和退火测试ccd将在实验室进行比较退化在同样的电离总剂量为0.03,0.3和3.0 rad (Si) / s。将提供更详细的实验结果。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由美国国家科学基金会支持的中国(授予号。11305126,11235008)和中国国家重点实验室的基础(批准号SKLIPR1211)。