一种基于SOI结构的电离总剂量探测系统及方法与流程

本发明涉及辐射环境探测技术领域，涉及一种基于SOI结构的电离总剂量探测系统及方法。

背景技术：

空间环境中来自银河系、太阳系及地球磁场俘获的各类带电粒子及其次级射线，与航天器及载荷相互作用产生大量次级辐射，使航天器的材料、元器件、电子系统等产生辐射损伤，导致航天器各类有效载荷出现故障或失效，严重影响了航天器的可靠性运行和在轨运行寿命。因此，研究电子元器件及电子系统在空间带电粒子辐射中引起辐射损伤的吸收剂量及星内外的辐射环境是非常重要的，而测量空间辐射环境是其研究的重要手段。

空间复杂的辐射环境对器件造成的辐射效应，主要有电离总剂量效应、单粒子效应、位移效应，其中电离辐射总剂量效应是因为光子和带电粒子通过物理时被吸收或减速而损失的能量传递给晶格原子，导致以原子电离为主的结果，对器件的性能会产生永久性损伤的影响。

现用的空间总剂量测试仪PMOS剂量计，虽然很好的完成了各项试验任务，但对灵敏度、工程化要求等方面仍然存在不足，具有一定的改进和提升空间。存在的问题主要表现在一下几个方面(1)实现传感器的国内自主可控：现用的PMOS剂量计辐照传感器主要靠进口，由于国际上现在对我国部分核心元器件已经开始进行技术封锁，发展国内自主可控的传感器迫在眉睫。(2)辐照传感器的灵敏度不够：目前采购的传感器采用的体硅厚氧化层工艺的PMOSFET器件，相对于SOI(Silicon-On-Insulator)的传感器灵敏度相对还是较低，这对于低轨卫星的空间环境探测是不利的。(3)系统的工程化有待提高：现用的测试系统采用的传感器在零偏置电场下灵敏度和线性度较差，测试系统的功耗大大提高，不利于卫星载荷的搭载。

技术实现要素：

为了解决现有的电离总剂量测试系统灵敏度差、系统功耗大的技术问题，本发明提供一种基于SOI结构的电离总剂量探测系统及方法。

本发明的技术解决方案是：一种基于SOI结构的电离总剂量探测系统，其特殊之处在于：包括探头模块、恒流源模块、数据采集模块和控制模块；所述控制模块输入端与PC机相连，控制模块输出端与恒流源模块、数据采集模块和探头模块相连；所述恒流源模块与探头模块相连；所述数据采集模块的输入端与探头模块相连，数据采集模块的输出端与PC机相连；所述探头模块包括SOI结构的辐照传感器。

上述控制模块包括单片机、存储器和继电器；所述存储器与单片机相连，单片机与继电器相连，继电器与探头模块相连。存储器将输入的程序发送到单片机，单片机根据程序设定输出高低电平控制继电器的开断，为探测仪的探头提供不同的加电状态。

上述恒流源模块包括运算放大器。运算放大器的输入电流为零，给运算放大器提供一个恒定的电压值，保证探头的一端保持这个恒定的电压，使得探头在工作的过程中始终处在一个恒定的电流状态。

上述数据采集模块包括AD/DA芯片和运算放大器。通过运算放大器放大输出信号，将放大的模拟信号发送到AD/DA芯片，转化为数字信号进行存储；所述运算放大器一端与探头模块相连，另一端与AD/DA芯片相连；AD/DA芯片与PC机相连。

本发明还提供一种基于SOI结构的电离总剂量探测方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】筛选辐照传感器：将辐照传感器置于能够产生电离辐射损伤的辐照源中，通过移位测试获取阈值电压漂移量，确认该辐照传感器对电离损伤敏感；

2】搭建如权利要求1所述的基于SOI结构的电离总剂量探测系统；

3】通过选择电阻阻值调整探测系统硬件参数；通过设置PC机软件确定数据采集参数，并使之固化；

4】将探头模块置于辐照源下辐照，同时通过设置PC机软件在线采集探测器的响应和温度；

5】采集探测系统电离辐照响应与剂量的关系。

步骤1】中的阈值电压漂移量是由半导体测试系统keithley 4200离线采集得到的。

步骤3】中的数据采集参数包括采样通道、采样率和数字滤波。

步骤3】中的硬件参数包括恒流源驱动能力、探头灵敏度和量程。

本发明的有益效果在于：实现了星用PMOS剂量计的传感器国产化；提高了灵敏度，可用于更低累积剂量的测试；基于此结构的探测器便携、灵活、易用，适用于空间环境监测、半导体元器件电离效应评估及寿命预测。该方法与粒子种类、能谱等物理学探测不同，旨在探测电子元器件被辐照后，经电离过程造成的吸收剂量，是针对工程应用的一种探测方法，为电离损伤效应评估及研究工作提供基础数据支持。

附图说明

图1为本发明电离总剂量探测方法流程图。

图2为本发明电离总剂量探测系统结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明的技术方案包括筛选SOI结构的探头，探测器参数调整及确认，在放射源下获取探测器响应并标定，获得探测器响应与放射源剂量的关系。具体而言，本发明提供的电离总剂量探测方法流程如下：

(1)筛选SOI结构的探头：对筛选的探头进行摸底试验，将探头置于能够产生电离辐射损伤的辐照源中，通过移位测试获取阈值电压漂移量(即获取I-V特性)，确认该探头对位对电离损伤敏感。其中，阈值电压漂移量是用半导体测试系统keithley 4200离线采集得到的。

(2)组建探测器：探测器为两块PCB板，一块为探头模块(选用基于SOI结构的辐照传感器PMOSFET)，置于辐照源中辐照；另一块为恒流源模块(包括运算放大器)、数据采集模块(包括AD/DA芯片和运算放大器)和控制模块(包括单片机、存储器和继电器)，通过同轴电缆与探头模块连接以采集信号，同时与PC机连接并受控，其中探测器中要求恒流源模块噪声低；另外还包括一个电源模块(DC/DC)，用于为各个模块提供电能；探头模块负载增大时，恒流源驱动能力不衰减，采集信号时通过PC机控制；探测器结构如图2所示，其中a为通过上位PC机程序操作该探测器，b为控制模块控制各个模块，c为恒流源为探头提供恒流，d为数字采集探头输出电压，e为保存数据至上位PC机；

(3)调节探测器参数：根据摸底试验结果，通过选择PCB板电阻阻值调整探测器硬件参数，如恒流源驱动能力、探头灵敏度、量程；根据摸底试验结果中的I-V特性、灵敏度、量程的需求，通过设置PC软件确定采样通道、采样率、数字滤波等数据采集参数，并使之固化，以满足数据采集要求；

(4)将探测器的探头模块置于辐照源(可以采用⁶⁰Co-γ辐照)下辐照，同时通过设置PC机软件在线采集探测器的响应；

(5)通过电离总剂量辐照响应曲线得到探测系统电离辐照响应与剂量的关系。