一种电荷耦合器件中子辐照后的电荷转移效率测试方法

摘要

本发明提供一种电荷耦合器件中子辐照后的电荷转移效率测试方法。该方法通过增加CCD信号电荷读出时的过扫描像素输出单元，使中子辐照诱发产生的缺陷俘获CCD信号电荷后，在过扫描像素输出单元中收集，并通过图像输出直观地呈现中子辐照诱发产生的信号电荷损失；采用饱和光照，使信号电荷包在CCD转移沟道依次转移过程中，消除暗信号尖峰带来的影响，同时能满足不同中子注量辐照后，CTE测试时，信号电荷包大小的一致性。从而解决了中子辐照后导致CCD的CTE测试不准甚至无法测试的难题。

说明书

技术领域

本发明涉及辐射效应测试技术，具体涉及种消除电荷耦合器件电荷转移效 率测试时中子位移损伤诱发暗信号尖峰影响的方法。

背景技术

电荷耦合器件(chargecoupleddevice,CCD)具有成像、数据处理、通信等功 能，是航天器成像系统中的核心元器件，在国防、军事上应用广泛。但CCD对 辐照损伤很敏感，应用于空间辐射或核辐射环境中的CCD会受各种辐射粒子或 射线诱发产生的辐照损伤，特别是位移辐照损伤甚至导致CCD功能失效。因此， 开展CCD辐照损伤及加固技术研究是我国航天部门提出的亟待全面和加速研究 的关键技术之一。

电荷转移效率(chargetransferefficiency,CTE)是CCD表征性能好坏的重 要参数。CCD的工作过程是基于信号电荷的定向转移，然而信号电荷从一个势 阱转移到相邻下一个势阱时，存在一定的损失，通常将转移后的信号电荷与转 移前的信号电荷的百分比称为CTE。CCD受辐照后，CTE将减小，尤其是受到 中子、质子、重离子等诱发产生的位移损伤后，CTE出现严重退化，是导致CCD 在空间辐射或核辐射环境中性能退化甚至功能失效的主要原因。此外，位移损 伤还会导致CCD的暗信号、暗信号不均匀性增大及暗信号尖峰大量产生等现象。

CTE测试是CCD特征参数中测试相对最困难的，也是公认的测试难题。CCD 常态下(辐照前)的CTE通常在99.999％-99.9999％范围内，因而CTE测试过 程中对测试设备要求较高，如光源的均匀性要求特别高，而且很难测试准确。

目前国内主要采用光注入法、X射线法、和扩展像素边界响应(EPER)法 等方法来测量CCD辐照前的CTE，但上述测试CTE方法在CCD辐照后，由于 辐照损伤，特别是位移损伤诱发暗信号尖峰的影响，导致测试不准确，甚至出 现CTE大于1时的错误结果。

光注入法测CTE时，采用积分球光源提供均匀光源，在CCD光敏元上覆 盖带有双缝的遮光板，使双缝在CCD中距离输出端不同位置的两部分光敏单元 (S_A、S_B)均匀感光，产生相同电量的信号电荷包。由于这两部分光敏单元所 对应的存储单元转移次数不同，相同电量的信号电荷包经过不同次数转移后， 信号损失不同，从而计算CTE。这种方法对积分球光源提供均匀光源的均匀性 要求高，若光源不均匀，则容易出现CTE大于1时的错误结果。中子辐照后， 位移损伤诱发产生的暗信号和暗信号尖峰会导致S_A、S_B产生的信号电荷包不同， 导致CTE测试不准，且容易出现CTE大于1时的错误结果。

X射线法测CTE时，采用同位素⁵⁵Fe产生5.9keV的X射线在CCD的单个 像元中产生1620个电子。当一个光子产生的信号电荷包只在一个像元收集时， 称为单像元事件。由于电荷转移损失，随转移次数的增加单像元事件损失的电 子数增加，谱线出现倾斜，通过测量谱线的倾斜可得到信号转移过程中造成的 电荷损失量。这种方法需要放射性源，且中子辐照后，位移损伤诱发产生的暗 信号和暗信号尖峰，会影响谱线的倾斜，导致CTE测不准。

EPER法测CTE时，采用积分球光源提供均匀光源，CCD信号电荷包在势阱 之间依次转移。因电荷包转移存在电荷损失，所以信号电荷包经过N个像元转移 后，信号电荷包电量会减小，损失的电荷则成为拖尾像元中的延迟信号电荷。 采用延迟的电荷(第1个拖尾像元)来导出CCD的CTE。EPER方法测CTE时， 采用半饱和光强(饱和值的40％-60％)时的输出信号作为CCD器件的输出信号 值，因为常态下CTE通常在99.999％-99.9999％范围内，若采用比半饱和光强更 大的光强作为输出信号，光源不均匀性对CTE测试时影响很大，很容易导致CTE 测不准。位移损伤带来的最显著特点是大量暗信号尖峰产生，暗信号尖峰值通 常大于半饱和光强，使EPER方法在中子辐照CCD后测试的CTE不准确，甚至出 现测得CTE大于1的错误结果。

CCD辐照前敏感参数的测试方法往往不适用辐照后的测试，中子辐照CCD 后，位移损伤诱发产生的大量暗信号尖峰影响(中子辐照前后像元暗场输出信 号分别见图1和图2所示，从图1中可以看到，辐照前CCD暗场像元输出信号 中无暗信号尖峰，从图2中可以看到，中子辐照后CCD暗场像元输出信号中产 生大量暗信号尖峰)。CTE常态下的测试方法，在CCD受到中子位移损伤后， 会出现中子辐照诱发产生的暗信号尖峰导致CTE测不准，甚至出现由于辐照导 致有些测试方法出现测得CTE大于1的错误结果。如果将CCD在低温冷却环 境下测试CTE，虽然能减小暗信号尖峰的影响，但同时也会对CTE测试有较大 影响。

综上，目前对于未经辐照的CCD的电荷转移效率存在测试不准确的问题， 对于辐照后的CCD的电荷转移效率测试还没有测试方法。

发明内容

本发明提出了一种电荷耦合器件中子辐照后的电荷转移效率测试方法，从 而解决了中子辐照后，CCD的CTE测试不准甚至无法测试的难题。

本发明的技术解决方案是：

本发明所提供的一种电荷耦合器件中子辐照后的电荷转移效率测试方法， 其特征在于：

1)采用饱和光强光照，使中子辐照后的CCD处于饱和曝光状态，以消除中 子辐照后位移损伤带来的大量暗信号尖峰影响；

2)成像时，在像元信号输出末端，增加过扫描像素输出单元，使中子辐照 诱发产生的缺陷俘获CCD信号后，所损失的信号电荷在过扫描像素输出单元中收 集；

3)通过测试过扫描像素输出单元信号电荷，计算中子辐照后CCD的CTE。

上述步骤2)中，将过扫描像素输出单元中收集信号电荷取平均值，以充分 反映中子位移损伤诱发产生信号电荷损失的影响。

上述步骤2)中，过扫描像素输出单元中收集的信号电荷通过图像输出直观 地呈现。

对于线阵CCD，步骤3)具体为：

3.1)测量过扫描像元区域各像素单元的平均灰度值；

3.2)测量行输出最后几组饱和像元输出信号的平均值；

3.3)根据采集到的图像数据计算相关特性参数，按照公式(1)计算电 荷转移效率：

$CTE=1-\frac{S_D}{S_{LC}{N}_P}---\left(1\right)$

式中：

S_D—过扫描像元区域各像素单元的平均灰度值；

N_P—信号电荷的转移次数；

S_LC—最后几组饱和像元输出信号的平均值。

本发明相对于已有技术具有如下显著优点：

1、针对中子位移损伤诱发产生暗信号尖峰的影响，测试CTE时，采用饱和 光照，此时信号电荷包在信号转移过程中，淹没了暗信号尖峰带来的影响。

2、利用CCD中子位移损伤对饱和输出影响较小，对CTE退化影响较大的 特点，采用饱和光照，能满足不同中子注量辐照后，CTE测试时，信号电荷包 大小的一致性。

3、本发明在CTE测试时，采用饱和光照，对匀场光源的不均性要求范围没 有其它方法要求苛刻，光不均匀性的影响不会导致CTE无法测试，使得CTE测 试的适用范围更广。

4、本发明针对中子位移损伤诱发产生的体缺陷会在CCD埋沟中俘获和释 放信号电荷，使信号电荷被俘获或释放的概率比辐照前显著增大，采用增大过 扫描像素输出单元数量，并将过扫描像素输出单元中收集信号取平均值，充分 反映中子位移损伤诱发产生信号电荷损失的影响；同时通过图像输出直观地呈 现中子辐照诱发产生的信号电荷损失，实现了图像输出直观地呈现中子辐照诱 发产生的信号电荷损失。

5、本发明的测试方法简单，不需要放射源，也不需要其它额外的辅助仪器 或设备。

6、本发明中的方法可以推广应用到不同结构和工艺的线阵、面阵CCD中 子辐照后的CTE测试。

附图说明

图1为辐照前，面阵CCD像元100×100阵列的暗场输出信号图；

图2为注量为1×10¹¹n/cm²中子辐照后，面阵CCD像元100×100阵列的暗 场输出信号图(中子诱发大量暗信号尖峰产生)；

图3为CCD电荷转移效率测试系统框图；

图4为中子辐照后，CCD一帧饱和输出信号的采集图像；

图5为中子辐照后，CCD一行饱和输出信号和过扫描输出信号；

图6为CCD的电荷转移效率随中子注量的变化曲线。

图7为过扫描方式采集图像(Activepixellines后面的都是过扫描像元)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步描述：本实施例提供了一款科学级CCD 反应堆中子辐照后，消除CCDCTE测试时中子位移损伤诱发暗信号尖峰影响的 方法实例。本实施例中CCD受反应堆中子辐照的等效1MeV中子注量分别为 1.0×10¹¹n/cm²，5.0×10¹¹n/cm²，1.0×10¹²n/cm²。中子辐照后的样品在CCD辐照效 应参数测试系统上测试CTE，测试结果见图6所示。

在CTE测试过程中，需要在一定量的信号电荷包注入的情况下测试，辐照 前，通常采用半饱和光照的方式注入信号电荷包。然而，中子辐照后产生的暗 信号尖峰信号通常大于半饱和光照注入信号电荷包，导致CCD不同像元的信号 电荷包大小不一致，从而影响CTE测试，甚至无法测试。中子辐照后，若采用 饱和光照，由于暗信号尖峰信号小于饱和光照注入信号电荷包，使信号电荷包 在CCD转移沟道依次转移过程中，淹没暗信号尖峰带来的影响，同时能满足不 同中子注量辐照后，CTE测试时，信号电荷包大小的一致性。此外，由于中子 辐照后，CCD的CTE退化严重，所以不会出现类似辐照前由于CTE非常高， 导致饱和光照测试CTE测不准的情况发生。

CCD的CTE测试系统框图见图3所示，测试系统包含均匀光源、成像系统、 数据采集系统和控制计算机等，其中均匀光源为测试CTE提供均匀光场条件， 示波器可测试CCD模拟信号输出，数据采集系统提供CCD数字图像信号输出， 计算机为测试系统提供数据存储与处理。成像系统具备CCD的时序驱动、数据 的缓冲放大、视频数字化、数据传输及采集等基本功能。它可分为以下组成单 元：成像单元、驱动电路与电源单元、视频信号处理单元、系统控制单元。成 像单元是系统中心部件，完成图像的光电转换；驱动电路与电源单元为CCD提 供必需的偏置电压，同时进行电平转换以提供符合要求的驱动时序；系统控制 单元是系统的核心单元，完成CCD时序产生、数据的同步控制、各分单元的控 制信号产生等功能；视频信号处理单元完成模拟输出视频的放大、采样以及数 字化。

过扫描得到的虚拟扩展行或列中读出的信号可以认为是实际最后一行或列 中的电荷包在转移读出过程中由于转移损失残留在器件中的电荷数。CCD的驱 动时序通常可分为像素周期、行周期、帧周期三个层次。由N个像素周期组成一 个行周期，然后由N个行周期组成一个帧周期。一个行周期过程中，CCD信号电 荷向下转移一行，然后通过水平寄存器读出一行像素。如果此时行周期不结束 进入下一个周期，那么水平寄存器读完实际的像素后继续读出虚拟像素，此时 读出的电荷为暗信号和未转移干净的信号，即CCD进入过扫描状态。为过扫描 状态下采集到的图像。设计中将每个行周期额外多加入多个像素周期，如图7中 虚拟像素列。正常情况下CCD的转移效率能达到99.9999％，中子对于CCD的转 移效率影响比较大，因此该功能将在中子辐照试验中得到较好的应用。

对线阵CCD，信号电荷只有横向转移，只需测试横向CTE；对面阵CCD， 信号电荷先纵向转移，然后横向转移，需测试纵向CTE和横向CTE。由于纵向 CTE和横向CTE的测试方法和测试原理相似，且中子辐照后，CTE的退化主要是 横向CTE测试，本实施例提供了的介绍主要针对横向CTE测试。

本实施例的工作过程包括以下步骤：

(1)连接CCD电荷转移效率测试系统，测试系统框图如图3所示；

(2)将中子辐照后的CCD安装在测试电路板上；

(3)加上规定的电源电压，使测试系统处于工作状态；

(4)调节积分球光源，使中子辐照后的CCD处于饱和曝光状态；

(5)通过图像采集软件采集CCD的饱和输出图像数据，图4给出了中 子辐照后，CCD一帧饱和输出信号的采集图像；图5给出了中子辐照后，CCD 一行饱和输出信号和过扫描输出信号的采集数据；

(6)测量过扫描像元区域各像素单元的平均灰度值；

(7)测量行输出最后几组饱和像元输出信号的平均值；

(8)根据采集到的图像数据计算相关特性参数，计算公式(1)电荷转 移效率：

$CTE=1-\frac{S_D}{S_{LC}{N}_P}---\left(1\right)$

式中：

S_D—过扫描像元区域各像素单元的平均灰度值；

N_P—信号电荷的转移次数；

S_LC—最后几组饱和像元输出信号的平均值。