可编程器件的瞬时电离辐射效应及加固技术研究

概述了国内外瞬时电离辐射效应的研究历程。针对空间电子学系统常用的两种类型可编程器件(32位微控制器和反熔丝FPGA),分别研制了辐照试验长线动态测试系统,在"强光一号"脉冲加速器上开展了γ瞬时电离辐照试验。试验数据表明:32位微控制器的瞬时电离辐射效应表现为复位重启和闭锁,闭锁阈值为6×107Gy/Si.s,反熔丝FPGA的瞬时电离辐射效应表现为瞬时扰动和复位重启,二者的工作电流都随着剂量率的增加而升高。分析了两种可编程器件的瞬时电离辐射损伤机理,提出了一种"瞬时回避+数据备份与恢复"的抗瞬时电离辐射的电路设计加固方法。     

SRAM型FPGA瞬时电离辐射功能错误实验研究

定性分析了SRAM型FPGA瞬时电离辐射功能错误,认为功能错误阈值与敏感配置位数无关。设计了两种敏感配置位数相差悬殊的由查找表和D触发器构成的移位寄存器链,在“强光一号”加速器上开展了FPGA瞬时电离辐射效应实验研究,对比了各功能输出在不同剂量率下的功能错误情况,结果未发现敏感配置位数对功能错误阈值有任何影响,验证了定性分析结论。     

SRAM型FPGA总剂量效应实验研究

为了探索SRAM型FPGA器件的总剂量效应测试方法及效应敏感参数,以XC2S100为实验样品,设计了两种配置电路,利用~(60)Co γ辐照装置进行了总剂量效应辐照实验.通过对实验结果的分析,给出了SRAM型FPGA器件配置存储器及块存储器的测试流程,并指出功耗电流是表征效应的最敏感参数.这些结果对建立SRAM型FPGA的考核方法及测试方法打下了坚实的基础.     

宽剂量率范围的集成电路瞬时电离辐射效应模拟方法研究

借助于计算机开展器件和电路辐射效应的数值模拟,已成为抗辐射加固电路设计、制造和辐射性能预测、评估的重要环节。文章深入研究了国际上先进的光电流模型,提出了一种适用于较宽剂量率范围的集成电路瞬时电离辐射效应模拟方法。针对一种CMOS电压反馈型运算放大器,建立了器件和整体电路的瞬时电离辐射效应SPICE模型,采用MATLAB和HSPICE相结合的方法计算了电路在多种约束条件下(电路设计参数、辐射条件等)的瞬时电离辐射响应(瞬态峰值电平和恢复时间)。本研究为其他类型CMOS集成电路在较宽剂量率范围下的瞬时电离辐射效应建模和仿真提供了参考。     

中子辐照后CMOS工艺静态随机存储器瞬时电离辐射翻转效应实验研究

对0.15μm特征尺寸CMOS工艺商用静态随机存储器(SRAM)开展了中子辐照后的瞬时电离辐射效应实验研究,获得了中子辐照后SRAM器件的瞬时剂量率翻转效应规律,并与未经中子辐照SRAM器件的瞬时剂量率翻转效应规律进行对比。结果表明:中子辐照能有效提高CMOS工艺SRAM器件的瞬时剂量率翻转阈值,中子辐照引起的少数载流子的寿命降低是产生这种现象的主要原因。     

SRAM型FPGA的静态与动态单粒子效应试验

静态随机存取存储器(SRAM)型现场可编程门阵列(FPGA)在空间电子设备中取得了广泛的应用。但它内部大量的SRAM型存储单元极易发生单粒子软错误,特别是配置存储器中的单粒子翻转,有可能改变整个电路的结构,给其空间应用带来严重的可靠性问题。因此,有必要开展地面加速器模拟试验以评价该器件对单粒子效应的敏感程度,且对系统在空间中的失效行为进行预估。本工作在重离子加速器上对Xilinx的Virtex系列FPGA进行了单粒子效应试验,取得了典型器件的静态单粒子翻转截面曲线。针对3个测试电路进行的动态测试表明,系统的失效率远低于内部存储器发生翻转的频率,也不能简单地用资源占用率来进行估计。     

双极型运算放大器瞬时电离辐射效应实验研究

建立了运算放大器瞬时电离辐射效应在线测试系统,选取不同带宽、不同压摆率的3种双极型运算放大器,在西北核技术研究所的“强光一号”加速器上进行了实验。结果显示,在相同剂量率下,双极运算放大器的带宽越大、压摆率越高,其输出端口瞬时电离辐射恢复时间越短。分析表明,对于具有内补偿电容的双极运算放大器,其压摆率与补偿电容有关;补偿电容越小,压摆率越大,运算放大器输出端口瞬时电离辐射扰动的恢复时间越短。     

基于串行通信的远程FPGA在线配置

针对核电子学系统在高辐射等特殊环境中,不方便以常规方式进行FPGA器件逻辑数据更新的问题,介绍了一种利用PC机和CPLD,并基于长距离串行通信线路来实现的FPGA在线配置系统。并以ALTERA公司的CYCLONE系列FPGA和EPCS配置芯片为例,结合常用的AS配置模式,从原理、硬件连接、软件功能和通信协议等几个方面给出了该系统的详细设计。采用这种方法,我们可以在100 m距离同时配置多个FPGA,或者在150 m的距离配置单个FPGA。     

过辐照、加速退火及离散性对存储器电参数的影响研究

研究了过辐照和加速退火对存储器TID试验结果的影响,研究结果表明,额外50%剂量辐射和高温100℃168h退火是严格考核空间辐射环境下存储器TID效应的必要试验步骤。分析器件本身的离散性对TID试验结果的影响,提出在辐射前,对器件进行初始数据测试,得出器件参数的标准偏差。通过剔除使标准偏差明显变大的器件,可以减小存储器辐照后的离散性。综述分析了NASA报告中描述的TID试验结果,得出了存储器辐射后进行电参数测试时,"读"、"写"、"擦"模式的综合测试,比只"读"模式的测试更全面的反应出器件被辐射后的退化特性,并总结出了存储器辐射后电参数测试时应遵循的测试顺序。     

可编程逻辑器件在存储器辐射效应测试系统中的应用

着重论述复杂可编程逻辑器件（CPLD）在电子线路设计中的应用，介绍了开发软件MAX＋pluses和可编程逻辑器件的使用。应用可编程逻辑器件EPM7128SLC84—15设计存储器辐射效应测试系统中的数据采集卡（ISA卡），实现了原测试系统的功能，减少了分立器件数量，提高了系统可靠性。     

CMOS工艺微控制器瞬时电离辐射效应实验研究

利用CMOS工艺微控制器的实验测试系统,在"强光一号"加速器上进行了瞬时剂量率效应实验。实验研究采用的γ脉冲宽度为20ns,剂量率(以Si原子计)为6.7×106～2.0×108Gy/s。在不同的剂量率水平下观察到了扰动和闭锁效应,获得了微控制器的闭锁阈值,分析了扰动时间、系统功耗电流与剂量率间的关系。瞬时电离辐射在CMOS工艺电路的PN结中产生光电流,导致了电学和功能参数的退化。     

Radiation Models for Digital Integrated Circuits

The effort to be described had as its objective the development of new techniques to define simplified models of digital integrated circuits suitable for use with the SCEPTRE or similar computer programs. These models were required to account for normal electrical performance as well as performance in an environment of ionizing and/or neutron radiation. Techniques were established to derive models capable of representing both the radiation effects and the first order transient response of the microcircuits as system components for many different kinds of digital integrated circuits. A "black-box" approach was employed to achieve the desired results.     

Radiation Effects in Gaas Junction Field-Effect Transistors

GaAs field-effect transistors for linear and digital circuits are finding applications in systems that have to function in a nuclear environment. This paper reviews and analyzes the radiation damage mechanisms in GaAs material and applies the material parameter changes to predict changes of electrical parameters of junction field-effect transistors due to exposure to fast neutrons and total dose ionizing radiation. The transient response to pulsed ionizing radiation is analyzed and experimental results are correlated with theoretical predictions. Annealing characteristics of radiation-generated defects are described. The prospects for hardening GaAs fieldeffect transistor integrated circuits against the effects of nuclear radiation are assessed.     

线性集成电路的辐照响应和电离辐射损伤评估

利用用于电离辐射效应研究的运算放大器计算机测试系统以及测试分析和数据处理软件对十几种运算放大器进行了~(60)Coγ射线、1.5MeV电子的电离辐射损伤试验及其室温和加温退火特性研究。同时,探讨了运算放大器电离辐射损伤水平的评估方法和损伤机制。     

乏燃料后处理中的辐射化学问题 Ⅰ.萃取剂的辐射稳定性

由于乏燃料具有强辐射性的特点，辐射化学伴随在乏燃料后处理每个过程中。尽管α和γ等电离辐射对于萃取剂本身的直接效应一般不大，但是它们通过与水相和油相中的溶剂相互作用产生的自由基，一方面可以攻击萃取剂的配位基团，另一方面溶剂辐解产生的活性粒种可能与金属离子反应改变其氧化态，从而降低其萃取效率或分配比。水相中硝酸辐解产生的亚硝酸对于金属离子的氧化态会产生重要影响，产生的自由基如•NO₃等也会与萃取剂反应使其劣化。在先进核能系统中，随着燃耗的提高，放射性更强，而且用于溶解乏燃料的硝酸浓度也增高，因而，对于先进核燃料循环中的辐射化学研究既是良好机遇也是重大挑战。本文旨在对近十年来国内外乏燃料后处理（溶剂萃取）方面有关辐射化学研究特别是新型萃取剂的辐射稳定性等进行综述与讨论。     

Radiation Hardened Registers

The requirement for radiation hardened registers has been identified for use with existing digital equipment to assure system survivability in nuclear radiation environments. The major problem has been that all semiconductor registers cannot be guaranteed to maintain their information after ionizing radiation transients above 5×109 rads (Si)/sec. Two approaches are shown for designing microelectronic register circuits for increased transient immunity based on the use of temporary storage media: a magnetic circuit and a capacitor circuit. The operation of the circuits are described as well as the features which impart hardness to them. They are compatible with +5V, IC families of saturated logic and are proposed for use with these circuits for specific function hardening. The results of transient tests show the magnetic circuit to work through 107 rads(Si)/sec to 8 × 1010 rads(Si)/sec. The capacitor circuit tests went up as high as 5 × 1010 rads (Si)/sec. Laboratory simulation on the capacitor circuit (using shunting transistors to approximate the effect of the circuit's transistors storage times caused by radiation) indicates hardness to levels in excess of 5 x 1011 rads(Si)/sec.