用于空间探测的电子元器件辐照性能研究

摘要

辐射效应是近年来航天器有效载荷电子系统及设备失效的主要原因之一。单粒子闩锁可能拉低电源系统总线，甚至烧毁星上电源；单粒子翻转效应会导致数据出错；总剂量效应会导致器件性能变差甚至失效。如何获得电子元器件的以上辐照性能，设计加固保护措施和措施有效性验证就成了一个值得研究的问题。本文针对暗物质粒子探测卫星硅阵列探测器电子学读出系统用量很大的两种芯片AD7476和DS18S20Z，开展了以下研究：
　　（1）根据暗物质粒子探测卫星硅阵列探测器电子学读出系统工作情况，设计了一套电子元器件辐照性能研究系统，完成了电路原理图、PCB设计和硬件电路调试。
　　（2）完成了FPGA程序设计和基于Labwindows/CVI的上位机程序设计。
　　（3）通过重离子加速器实验终端对AD7476和DS18S20Z进行了辐照测试，探索了这两款芯片的单粒子闩锁能量阈值、闩锁电流和单粒子翻转情况。
　　（4）针对AD7476和DS18S20Z的单粒子闩锁和单粒子翻转特性，设计了单粒子闩锁加固保护措施，讨论了单粒子翻转数据处理措施。
　　（5）进行了激光脉冲模拟单粒子效应实验初步验证 SEL加固保护措施的有效性；进行了重离子加速器实验终端实验再次验证加固保护措施的有效性。
　　（6）通过钴60辐射对AD7476和DS18S20Z进行了总剂量特性研究，并对总剂量影响进行评估分析。
　　实验结果表明，AD7476发生锁定时，LET闩锁阈值为14MeV*cm2/mg电流增量在30mA以上；采用20mA闩锁电量增量作为断电阈值，‘断电1秒、再上电’的锁定保护措施十分有效。DS18S20的 LET闩锁阈值为15MeV*cm2/mg，电流增量在15-30mA；使用了“在LDO串联100欧姆限流电阻”的方法来达到闩锁保护，实验验证结果表明这种保护措施非常有效。
　　讨论了DS18S20Z SEU现象数据处理方法，内部寄存器值CRC校验；在轨温度数据在地面绘制温度曲线，剔除毛刺或者单点跳变；对每一温度采集进行多次次采集，通过剔除最大值和最小值的三种方法剔除SEU数据。
　　总剂量实验评估表明，两种芯片总剂量性能可以承受三年在轨能量沉积。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 空间辐射效应和课题来源

1.3 国内外研究现状

1.4本课题研究的主要内容和论文组织结构

2 系统硬件设计

2.1 系统的总体设计思想

2.2 电子元器件辐照性能研究系统的总体设计结构

2.3核心控制器

2.4 LDO供电部分

2.5 24片AD7476采集电路

2.6 AD7476电流监测部分

2.7 DS18S20Z复接电路

2.8 DS18S20Z电流监测部分

2.9 USB通信电路

2.10 硬件系统PCB设计

2.11 对实验芯片的预处理

2.12 本章小结

3 系统软件设计

3.1 FPGA软件设计

3.2 基于Labwindows/CVI的数据采集系统

3.3 数据采集（DAQ）与处理系统设计

3.4 本章小结

4 单粒子效应实验与措施验证及讨论

4.1 重离子实验

4.2 辐照效应防护措施

4.3 单粒子闩锁防护措施有效性验证脉冲激光实验

4.4 单粒子闩锁防护措施有效性验证重离子实验

4.5 单粒子闩锁防护措施有效性验证实验结果

4.6单粒子实验结论

5 总剂量实验及数据

5.1 实验过程

5.2 AD7476芯片实验前及沉积各剂量后的采样值与电流数据

5.3 总剂量实验结论

6 总结与展望

6.1总结

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间科研成果与获奖情况