60Co-γ射線與電子束對CCD輻射效應的差異剖析與機理探究一、引言1.1研究背景電荷耦合器件（Charge-CoupledDevice，CCD）作為一種重要的半導體光電器件，憑借其高靈敏度、高分辨率、低噪聲以及良好的線性度等顯著優(yōu)勢，在眾多領域中發(fā)揮著關鍵作用。在航天領域，CCD是空間相機、天文觀測設備等的核心部件，承擔著獲取宇宙天體圖像、監(jiān)測地球資源與環(huán)境變化等重要任務。嫦娥一號衛(wèi)星搭載的CCD立體相機，為月球表面的三維影像繪制提供了關鍵數據，極大地推動了我國月球探測工程的發(fā)展。在核輻射監(jiān)測領域，CCD探測器可用于檢測核輻射的強度與分布情況，為保障核設施安全運行、預防核事故的發(fā)生提供重要依據。然而，CCD在實際應用中常常面臨復雜輻射環(huán)境的嚴峻挑戰(zhàn)。在空間環(huán)境中，存在著來自太陽耀斑、銀河宇宙射線等的高能粒子輻射，這些高能粒子與CCD相互作用，會引發(fā)一系列輻射效應。核輻射環(huán)境中，如核電站、核醫(yī)學設備周圍，也存在著各種類型的輻射，同樣會對CCD的性能產生不良影響。輻射會導致CCD的性能參數發(fā)生退化，如暗電流增大、電荷轉移效率降低、光響應靈敏度下降等。暗電流的增大，會使圖像背景噪聲增加，降低圖像的信噪比，嚴重影響圖像質量；電荷轉移效率的降低，會導致電荷在轉移過程中的損失，使圖像出現拖影、模糊等現象；光響應靈敏度的下降，則會削弱CCD對光信號的探測能力，影響其在低光照條件下的工作性能。當輻射損傷達到一定程度時，甚至會導致CCD完全失效，使相關設備無法正常工作，造成嚴重的后果。^{60}Co-γ射線和電子束是兩種常見的輻射源，在地面模擬輻射試驗中被廣泛應用。^{60}Co-γ射線具有較強的穿透能力，能夠模擬空間中的高能光子輻射以及核輻射環(huán)境中的γ射線輻射；電子束則可以模擬空間中的高能電子輻射。研究^{60}Co-γ射線和電子束對CCD的輻射效應，并對二者的輻射效應進行比較，具有至關重要的意義。這有助于深入了解不同輻射源對CCD的損傷機制，為CCD的抗輻射加固設計提供堅實的理論基礎。通過對比兩種輻射源的損傷特點，能夠有針對性地采取加固措施，提高CCD在輻射環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性。對于航天任務而言，提高CCD的抗輻射能力，可確?？臻g探測設備在復雜輻射環(huán)境下長期穩(wěn)定運行，獲取高質量的圖像和數據，為科學研究提供有力支持；在核輻射監(jiān)測領域，增強CCD的抗輻射性能，能保障監(jiān)測設備的準確可靠運行，及時發(fā)現核輻射異常情況，保障人員和環(huán)境安全。因此，開展^{60}Co-γ射線和電子束對CCD輻射效應的比較研究具有重要的科學意義和實際應用價值。1.2研究目的與意義本研究旨在深入探究^{60}Co-γ射線和電子束對CCD輻射效應的差異，并揭示其內在物理機制。通過系統(tǒng)地開展實驗研究，精確測量在兩種不同輻射源作用下，CCD的各項關鍵性能參數，如暗電流、電荷轉移效率、光響應靈敏度等的變化規(guī)律。運用先進的分析方法和理論模型，深入剖析輻射損傷的微觀過程，明確不同輻射源導致CCD性能退化的主導因素和作用機制。本研究期望為CCD的抗輻射設計提供堅實的理論基礎，從而有效提高CCD在輻射環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性。本研究具有重要的理論意義。不同輻射源與物質相互作用的機制存在顯著差異，^{60}Co-γ射線主要通過光電效應、康普頓散射和電子對效應與CCD材料相互作用，而電子束則主要通過電離和激發(fā)作用使CCD產生輻射損傷。深入研究^{60}Co-γ射線和電子束對CCD的輻射效應，有助于進一步豐富和完善輻射與物質相互作用的理論體系，為理解復雜輻射環(huán)境下半導體器件的損傷機制提供新的視角和實驗依據。這對于推動半導體物理、輻射物理學等相關學科的發(fā)展具有積極的促進作用。在實際應用方面，本研究成果具有廣泛的應用價值。在航天領域，隨著我國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來越多的航天器被送入太空執(zhí)行任務。如天問一號火星探測器，其搭載的CCD相機在火星探測過程中發(fā)揮了重要作用，獲取了大量珍貴的火星表面圖像和數據。然而，太空環(huán)境中的高能粒子輻射對CCD的性能構成了嚴重威脅，可能導致圖像質量下降甚至相機失效。通過本研究，能夠為航天用CCD的抗輻射設計提供針對性的指導，優(yōu)化器件結構和制造工藝，提高其抗輻射能力，確保航天任務的順利進行。在核輻射監(jiān)測領域，準確可靠的監(jiān)測設備對于保障人員安全和環(huán)境健康至關重要。CCD探測器作為核輻射監(jiān)測的重要工具之一，其在輻射環(huán)境中的性能穩(wěn)定性直接影響監(jiān)測結果的準確性。本研究有助于提升CCD探測器在核輻射環(huán)境中的可靠性，為及時發(fā)現核輻射異常、采取有效的防護措施提供有力支持。1.3國內外研究現狀CCD輻射效應的研究一直是半導體器件領域的重要課題，國內外眾多科研團隊圍繞不同輻射源對CCD的影響展開了大量研究。國外方面，早在20世紀70年代，隨著CCD在航天領域的初步應用，其輻射效應問題開始受到關注。如美國國家航空航天局（NASA）在早期的航天任務中，就發(fā)現CCD在空間輻射環(huán)境下性能出現退化。隨后，科研人員針對不同輻射源開展了深入研究。在^{60}Co-γ射線輻射效應研究方面，Janesick等人研究了科學級CCD在^{60}Co-γ射線輻照下的輻射損傷情況，發(fā)現隨著輻照劑量的增加，CCD的暗電流顯著增大，電荷轉移效率降低，這嚴重影響了CCD的成像質量。在電子束輻射效應研究中，K.D.Stefanov等人研究了兩相電荷耦合器件在電子束輻照下的表面和體輻射損傷效應，計算了不同輻照條件下的劑量率，分析了器件暗電流和電荷轉移不完整性（CTI）的變化。此外，還有研究關注到不同能量電子束對CCD損傷的差異，發(fā)現高能電子束更容易導致CCD內部產生位移損傷，影響其長期穩(wěn)定性。國內在CCD輻射效應研究方面起步相對較晚，但近年來取得了顯著進展。中國科學院新疆理化技術研究所的研究團隊對多種型號的CCD進行了電子輻照試驗研究，如對TCD1209線陣CCD進行能量為1.1MeV的電子輻照試驗，采用兩種不同的注量率輻照后，對器件進行常溫退火試驗，考察了CCD的光響應靈敏度、暗電流、參考電平、功耗電流等特性參數的變化規(guī)律。研究發(fā)現，CCD受電子輻照后主要產生電離總劑量損傷，在不同注量率電子輻照下的輻射損傷效應類似于MOS器件的時間相關效應。清華大學工程物理系粒子技術與輻射成像教育部重點實驗室等單位對CCD的電離輻射效應損傷機理進行了深入分析，開展了不同偏置條件下的γ射線和質子輻照試驗，獲得了CCD的暗電流、光譜響應等輻射敏感參數的電離總劑量效應、位移損傷效應退化規(guī)律以及輻照偏置對CCD輻射效應的影響機制。然而，當前研究在^{60}Co-γ射線和電子束對CCD輻射效應的對比方面仍存在不足。大部分研究集中在單一輻射源對CCD的影響，缺乏將兩種輻射源進行系統(tǒng)對比的研究。在損傷機制對比方面，雖然對^{60}Co-γ射線和電子束各自的損傷機制有了一定認識，但對于二者在導致CCD性能退化過程中的主導因素、作用方式以及相互關系的深入對比研究較少。在輻射效應的量化對比上，缺乏統(tǒng)一的評價標準和方法，難以準確衡量兩種輻射源對CCD性能影響的程度差異。本研究將針對這些不足，開展^{60}Co-γ射線和電子束對CCD輻射效應的比較研究，以期為CCD的抗輻射加固設計提供更全面、準確的理論依據。二、相關理論基礎2.1CCD工作原理與結構2.1.1CCD基本工作原理CCD作為一種重要的光電器件，其工作原理基于電荷耦合效應，以電荷作為信號載體。當光線照射到CCD的感光區(qū)域時，光子與半導體材料相互作用，通過光電效應產生電子-空穴對。在特定的偏置電壓作用下，這些光生載流子中的多數載流子被排斥，而少數載流子（電子）則被收集到由柵極電壓形成的勢阱中，從而形成信號電荷。以典型的三相CCD為例，其工作過程主要包括電荷產生、電荷存儲、電荷轉移和電荷檢測四個階段。在電荷產生階段，當光照射到CCD的光敏單元時，光子能量被吸收，產生電子-空穴對，電子被收集到勢阱中形成信號電荷。在電荷存儲階段，信號電荷被暫時存儲在勢阱中，等待進一步處理。電荷轉移是CCD工作的關鍵環(huán)節(jié)，通過對三相電極依次施加不同的脈沖電壓，使得信號電荷在相鄰的勢阱之間轉移。具體來說，當第一相電極上的電壓為高電平時，其對應的勢阱深度最深，信號電荷被存儲在該勢阱中；當第二相電極上的電壓變?yōu)楦唠娖?，第一相電極電壓降低時，信號電荷會向第二相電極對應的勢阱轉移；隨著第三相電極電壓升高，第二相電極電壓降低，信號電荷又會向第三相電極對應的勢阱轉移。這樣，通過周期性地改變三相電極的電壓，信號電荷就能夠沿著預定的路徑逐位轉移。在電荷檢測階段，轉移到輸出端的信號電荷經過放大、轉換等處理后，被轉換為電壓信號輸出，從而完成從光信號到電信號的轉換過程。在實際應用中，CCD通常被用于圖像傳感器領域。當用于成像時，CCD的感光區(qū)域被劃分為眾多的像素單元，每個像素單元對應圖像中的一個點。通過對各個像素單元產生的信號電荷進行依次轉移和檢測，可以獲取圖像中每個點的光強信息，進而重構出完整的圖像。在數字相機中，CCD將鏡頭聚焦的光信號轉換為電信號，經過后續(xù)的處理和存儲，最終形成我們看到的數字圖像。2.1.2CCD結構特點CCD的結構組成對其性能有著至關重要的影響。典型的CCD結構主要由像素單元、轉移電極、讀出電路等部分構成。像素單元是CCD的核心組成部分，負責光電轉換和信號電荷的存儲。像素單元通常由光敏二極管和MOS電容組成。光敏二極管用于吸收光子并產生電子-空穴對，而MOS電容則用于存儲光生電子。像素單元的尺寸大小直接影響CCD的分辨率和靈敏度。較小的像素單元尺寸可以提高CCD的分辨率，使其能夠分辨圖像中的更細微細節(jié)。但像素單元尺寸減小也會導致光敏面積減小，從而降低光生電荷的產生量，使靈敏度下降。為了在提高分辨率的同時保證一定的靈敏度，現代CCD技術通常采用微透鏡等結構來匯聚光線，增加像素單元的有效受光面積。轉移電極是實現電荷轉移的關鍵部件。如前所述，三相CCD通過三相轉移電極的協(xié)同工作來實現電荷的定向轉移。轉移電極的設計和制作工藝對電荷轉移效率有著重要影響。如果轉移電極之間的耦合電容不合適，或者電極表面存在缺陷，可能會導致電荷在轉移過程中發(fā)生損失，降低電荷轉移效率。電荷轉移效率的降低會使圖像出現拖影、模糊等現象，嚴重影響圖像質量。因此，在CCD的設計和制造過程中，需要精確控制轉移電極的參數，以確保高效的電荷轉移。讀出電路用于將轉移到輸出端的信號電荷轉換為可測量的電壓信號。讀出電路的性能直接影響CCD的噪聲水平和讀出速度。低噪聲的讀出電路可以有效提高CCD的信噪比，使圖像更加清晰。而快速的讀出速度則使得CCD能夠滿足高速成像等應用場景的需求。一些先進的讀出電路采用了相關雙采樣（CDS）等技術來降低噪聲，通過對信號電荷進行兩次采樣并相減，可以有效去除讀出過程中的噪聲干擾。2.2輻射效應基本概念2.2.1電離輻射與位移損傷電離輻射是指能夠使物質原子或分子中的電子脫離軌道，從而產生離子對的輻射。^{60}Co-γ射線和電子束都屬于電離輻射。當電離輻射與CCD相互作用時，主要通過兩種方式產生輻射損傷：電離損傷和位移損傷。電離損傷的原理基于光電效應、康普頓散射和電子對效應。以^{60}Co-γ射線為例，當γ光子能量較低時，主要發(fā)生光電效應，γ光子與CCD材料中的原子相互作用，將全部能量轉移給原子中的一個內層電子，使該電子脫離原子成為光電子。隨著γ光子能量的增加，康普頓散射逐漸成為主要作用方式，γ光子與原子中的外層電子發(fā)生彈性碰撞，部分能量轉移給電子，使電子獲得能量而脫離原子，同時γ光子改變方向繼續(xù)傳播。當γ光子能量足夠高時（大于1.02MeV），會發(fā)生電子對效應，γ光子在原子核的庫侖場作用下轉化為一對正負電子。在這三種效應的作用下，CCD材料中產生大量的電子-空穴對。這些電子-空穴對在電場的作用下會發(fā)生漂移和擴散，其中一部分會被復合中心捕獲而復合消失，另一部分則會參與到器件的電學過程中。如果電子-空穴對在MOS結構的氧化物中產生，由于氧化物的導電性較差，電子和空穴的遷移率不同，電子能夠較快地被電極收集，而空穴則容易被氧化物中的陷阱捕獲。隨著輻照劑量的增加，陷阱中捕獲的空穴數量不斷積累，會導致MOS結構的閾值電壓發(fā)生漂移，進而影響CCD的性能。位移損傷則是當高能粒子（如電子束中的高能電子）與CCD材料中的原子核發(fā)生彈性碰撞時，粒子將部分能量傳遞給原子核，當傳遞的能量超過原子在晶格中的束縛能時，原子會離開其原來的晶格位置，形成間隙原子和空位，這種缺陷被稱為弗倫克爾缺陷。這些缺陷會破壞晶格的周期性，改變材料的電學和光學性質。在CCD中，位移損傷會導致產生新的復合中心和陷阱中心。復合中心會加速光生載流子的復合，使得光生載流子的壽命縮短，從而降低CCD的光響應靈敏度。陷阱中心則會捕獲電荷，影響電荷的轉移過程，導致電荷轉移效率降低。位移損傷還可能導致材料的電阻發(fā)生變化，影響器件的電學性能。在一些對性能要求較高的應用中，位移損傷對CCD性能的影響不容忽視。2.2.2總劑量效應與單粒子效應總劑量效應是指由于電離輻射在器件中產生的累積電離損傷，導致器件性能逐漸退化甚至失效的現象。在^{60}Co-γ射線和電子束輻照CCD的過程中，隨著輻照劑量的不斷增加，器件內部產生的電子-空穴對數量也不斷增多。這些電子-空穴對在電場作用下運動，部分會被器件內部的各種缺陷和陷阱捕獲。以MOS結構的CCD為例，在氧化物中產生的電子-空穴對，電子容易被電極收集，而空穴則會被氧化物中的陷阱捕獲。隨著輻照劑量的累積，陷阱中捕獲的空穴越來越多，會導致MOS結構的閾值電壓發(fā)生漂移。閾值電壓的漂移會影響CCD的電荷存儲和轉移特性，使暗電流增大。暗電流是指在沒有光照的情況下，CCD輸出的電流，它主要由熱激發(fā)產生的載流子和陷阱輔助的隧穿電流等組成。閾值電壓的變化會改變MOS結構的勢阱深度，使得熱激發(fā)產生的載流子更容易越過勢壘，從而導致暗電流增大。電荷轉移效率也會降低，因為陷阱捕獲的電荷會阻礙電荷的正常轉移，使電荷在轉移過程中發(fā)生損失。當總劑量達到一定程度時，CCD的性能會嚴重退化，無法滿足正常工作的要求。單粒子效應是指單個高能粒子（如宇宙射線中的質子、重離子等）與CCD相互作用時，在極短的時間內（通常在納秒甚至皮秒量級），在器件的敏感區(qū)域產生大量的電子-空穴對，從而引發(fā)器件的瞬時效應。單粒子效應主要包括單粒子翻轉（Single-EventUpset，SEU）、單粒子鎖定（Single-EventLatchup，SEL）、單粒子燒毀（Single-EventBurnout，SEB）等。以單粒子翻轉為例，當高能粒子入射到CCD的存儲單元（如MOS電容）時，在其附近產生電子-空穴對。這些電荷在電場作用下會向周圍擴散，如果擴散到存儲節(jié)點的電荷量超過了節(jié)點的臨界電荷，就會導致存儲節(jié)點的邏輯狀態(tài)發(fā)生翻轉。在數字成像應用中，單粒子翻轉可能會使圖像中的某個像素點的灰度值發(fā)生錯誤，導致圖像出現噪點。單粒子鎖定則是當高能粒子入射到CMOS結構的CCD中時，可能會觸發(fā)寄生晶閘管（SCR）結構的導通，形成低阻通路，導致器件電流急劇增大。如果不及時采取措施解除鎖定，器件可能會因過熱而燒毀。單粒子效應具有隨機性和瞬時性的特點，其發(fā)生概率與輻射環(huán)境中的粒子通量、能量以及器件的敏感面積等因素有關。在空間輻射環(huán)境中，由于存在大量的高能粒子，單粒子效應是影響CCD可靠性的重要因素之一。2.360Co-γ射線與電子束輻射特性2.3.160Co-γ射線特性^{60}Co-γ射線是由^{60}Co放射性同位素衰變產生的。^{60}Co原子核通過β衰變轉變?yōu)閊{60}Ni，同時釋放出兩個具有特定能量的γ光子。其衰變過程為：^{60}_{27}Co\rightarrow^{60}_{28}Ni+\beta^-+\bar{\nu}_e+\gamma_1+\gamma_2，其中\(zhòng)beta^-為β粒子，\bar{\nu}_e為反中微子，\gamma_1和\gamma_2是γ光子。這兩個γ光子的能量分別為1.17MeV和1.33MeV，平均能量約為1.25MeV。這種相對較高且固定的能量特性，使得^{60}Co-γ射線在與物質相互作用時表現出獨特的行為。^{60}Co-γ射線具有較強的穿透能力，這主要歸因于其較高的能量。當^{60}Co-γ射線與物質相互作用時，主要通過光電效應、康普頓散射和電子對效應損失能量。在低原子序數物質中，康普頓散射是主要的作用方式；在高原子序數物質中，隨著γ射線能量的變化，光電效應和電子對效應的作用程度會有所不同。以常見的硅材料（CCD的主要構成材料之一）為例，對于1.25MeV的^{60}Co-γ射線，康普頓散射占主導地位。由于γ射線與物質原子的相互作用概率相對較低，使得^{60}Co-γ射線能夠穿透一定厚度的物質。在對CCD進行輻照實驗時，^{60}Co-γ射線可以穿透CCD的封裝材料以及部分硅基底，與內部的半導體結構相互作用，從而產生輻射效應。對于厚度為1mm的硅片，^{60}Co-γ射線仍有一定的穿透概率，能夠在硅片內部產生電離和激發(fā)過程，對CCD的性能產生影響。^{60}Co-γ射線的能量分布相對集中且穩(wěn)定。由于其衰變過程中產生的γ光子能量固定，在實際應用中，其能量分布的離散性較小。這一特性使得在進行輻射效應研究時，能夠較為準確地控制輻照條件，重復性好。在研究^{60}Co-γ射線對CCD的總劑量效應時，可以通過精確控制輻照時間和源的強度，實現對CCD輻照劑量的準確控制。相比其他能量分布較為復雜的輻射源，^{60}Co-γ射線更有利于開展系統(tǒng)性的輻射效應實驗研究，便于分析輻射劑量與CCD性能變化之間的關系。2.3.2電子束特性電子束是通過電子加速器將電子加速到一定能量后形成的。常見的電子加速器有靜電加速器、直線加速器、回旋加速器等。以直線加速器為例，其加速原理基于電場對電子的作用。在直線加速器中，電子在高頻電場的作用下，沿著直線軌道被加速。高頻電場的周期變化使得電子在特定的時間間隔內獲得能量，從而實現加速。電子在加速過程中，其速度逐漸接近光速，能量不斷增加。通過調節(jié)加速器的參數，如電場強度、頻率等，可以精確控制電子束的能量。當需要獲得能量為1MeV的電子束時，可以通過調整直線加速器的相關參數，使電子在加速過程中獲得相應的能量。電子束的能量范圍較為廣泛，可從幾十keV到數MeV甚至更高。不同能量的電子束與物質相互作用的特點存在差異。低能量的電子束（幾十keV），由于其能量較低，與物質相互作用時，主要通過電離和激發(fā)作用使物質原子的外層電子躍遷到高能級或脫離原子，產生電子-空穴對。在與CCD相互作用時，低能量電子束主要在CCD的表面層產生電離損傷，對表面的MOS結構影響較大，容易導致閾值電壓漂移等問題。而高能量的電子束（數MeV），除了電離損傷外，還會產生明顯的位移損傷。高能電子與CCD材料中的原子核發(fā)生彈性碰撞時，會將部分能量傳遞給原子核，使原子核離開晶格位置，形成弗倫克爾缺陷。這些缺陷會對CCD的內部結構和電學性能產生長期的影響，如降低電荷轉移效率、增加暗電流等。當使用5MeV的電子束輻照CCD時，在CCD內部會產生大量的弗倫克爾缺陷，導致電荷轉移效率在輻照后明顯下降。電子束與物質相互作用時，具有較高的能量沉積率。這是因為電子的質量相對較小，與物質原子相互作用時，容易將能量傳遞給物質。在CCD中，電子束的能量沉積主要集中在其穿透路徑附近。由于電子束的能量沉積較為集中，在短時間內會在局部區(qū)域產生大量的電子-空穴對，可能導致局部電場的畸變。這種局部電場的變化會影響電荷的傳輸和存儲，進而影響CCD的性能。在高速成像應用中，電子束輻照可能會導致圖像出現局部的亮斑或暗斑，這是由于局部電場畸變影響了電荷的正常轉移和檢測。此外，電子束與物質相互作用時，還會產生軔致輻射。軔致輻射是電子在物質中減速時產生的電磁輻射，其能量范圍較寬。軔致輻射可能會對CCD產生額外的輻射損傷，增加了輻射效應的復雜性。三、實驗設計與方法3.1實驗材料與設備3.1.1選用的CCD型號及參數本實驗選用了型號為[具體型號]的CCD，該型號CCD在航天、天文觀測等領域有著廣泛的應用，其性能參數對于輻射效應研究具有代表性。在像素數方面，該CCD具有[X]×[Y]的像素陣列，這使得它能夠在成像時捕捉到較為豐富的細節(jié)信息。在航天遙感成像中，較高的像素數可以提高圖像的分辨率，有助于對地面目標的識別和分析。其靈敏度為[具體靈敏度數值]，這一參數反映了CCD對光信號的敏感程度，較高的靈敏度意味著CCD能夠在較低光照條件下產生足夠的電信號輸出，從而保證圖像的質量。在天文觀測中，由于天體發(fā)出的光線往往較為微弱，高靈敏度的CCD能夠更有效地捕捉到這些微弱的光信號，獲取清晰的天體圖像。該CCD的動態(tài)范圍為[具體動態(tài)范圍數值]，動態(tài)范圍是指CCD能夠正確處理的最大信號與最小信號之間的比值。較大的動態(tài)范圍使得CCD能夠在不同光照強度下都能準確地記錄光信號，既能夠在強光環(huán)境下避免信號飽和，又能夠在弱光環(huán)境下捕捉到微弱的信號，從而保證圖像的細節(jié)和層次感。在拍攝城市夜景時，動態(tài)范圍大的CCD可以同時清晰地呈現出明亮的路燈和較暗的建筑物細節(jié)。3.1.2^{60}Co-γ射線輻射源與電子束加速器實驗中使用的^{60}Co-γ射線源，其活度為[具體活度數值]，活度是衡量放射性物質放射性強弱的物理量，該活度數值能夠滿足本次實驗對不同輻照劑量的需求。劑量率調節(jié)范圍為[最小劑量率數值]-[最大劑量率數值]，通過調節(jié)劑量率，可以研究不同輻照強度對CCD輻射效應的影響。在研究總劑量效應時，較低的劑量率可以模擬空間環(huán)境中相對緩慢的輻射積累過程，而較高的劑量率則可以在較短時間內獲得較高的輻照劑量，加速實驗進程。電子束加速器選用了[具體型號]，其加速電壓范圍為[最小加速電壓數值]-[最大加速電壓數值]，束流強度為[具體束流強度數值]。不同的加速電壓和束流強度會影響電子束的能量和電子數量，進而影響與CCD相互作用的效果。較低的加速電壓產生的低能量電子束主要在CCD表面產生電離損傷，而較高的加速電壓產生的高能電子束除了電離損傷外，還會導致明顯的位移損傷。通過調節(jié)加速電壓和束流強度，可以系統(tǒng)地研究不同能量和強度的電子束對CCD輻射效應的影響。3.1.3配套測試設備為了準確測試CCD在輻照前后的性能參數變化，實驗配備了一系列專業(yè)的測試設備。選用了[具體型號]示波器，該示波器具有高帶寬和高精度的特點，帶寬可達[具體帶寬數值]，能夠準確捕捉和顯示CCD輸出的快速變化的電信號。在測試CCD的電荷轉移特性時，示波器可以清晰地顯示電荷轉移過程中的信號波形，通過分析波形的幅度、寬度等參數，可以評估電荷轉移效率。若電荷轉移效率降低，示波器顯示的信號波形可能會出現幅度減小、拖尾等現象。光譜儀采用了[具體型號]，其波長范圍覆蓋[最小波長數值]-[最大波長數值]，分辨率可達[具體分辨率數值]。光譜儀主要用于測量CCD的光響應特性，通過測量不同波長下CCD的光響應靈敏度，可以繪制出光響應曲線。在研究輻射對CCD光響應的影響時，光譜儀能夠準確測量出輻照前后光響應曲線的變化，從而分析輻射對CCD光敏特性的影響。如果輻射導致CCD的光響應靈敏度下降，光響應曲線在相應波長處的數值會降低。電流測量儀選用了[具體型號]，其測量精度高達[具體精度數值]，能夠精確測量CCD的暗電流和功耗電流。暗電流是衡量CCD性能的重要指標之一，通過測量暗電流的變化，可以了解輻射對CCD內部噪聲的影響。在輻照過程中，若暗電流增大，說明輻射導致了CCD內部產生了更多的熱激發(fā)載流子或陷阱輔助的隧穿電流。功耗電流的測量則有助于評估CCD在工作過程中的能量消耗情況，以及輻射對其功耗特性的影響。三、實驗設計與方法3.2實驗方案設計3.2.1輻照實驗流程在進行^{60}Co-γ射線輻照實驗時，首先將選定的CCD固定在特制的樣品架上，確保CCD的感光面垂直于^{60}Co-γ射線的入射方向。將樣品架放置在輻照裝置的特定位置，該位置經過精確校準，以保證CCD能夠均勻地接受γ射線輻照。根據實驗需求，設置輻照劑量點，如0Gy（作為對照）、10Gy、50Gy、100Gy、500Gy等。通過調節(jié)^{60}Co-γ射線源與CCD之間的距離以及輻照時間來精確控制輻照劑量。根據輻射劑量的計算公式D=\frac{\dot{D}\timest}{1000}（其中D為輻照劑量，單位為Gy；\dot{D}為劑量率，單位為Gy/h；t為輻照時間，單位為h）。當劑量率設置為10Gy/h時，若要達到50Gy的輻照劑量，則輻照時間t=\frac{D\times1000}{\dot{D}}=\frac{50\times1000}{10}=5000h。在每個劑量點輻照完成后，將CCD從輻照裝置中取出，迅速轉移至測試設備處，進行性能參數測試。在進行50Gy劑量點輻照后，立即將CCD轉移至暗室，使用電流測量儀測量其暗電流。電子束輻照實驗流程與^{60}Co-γ射線輻照實驗有一定區(qū)別。同樣將CCD固定在樣品架上，然后放入電子束輻照裝置的真空腔室內。因為電子束在空氣中傳播時會與空氣分子發(fā)生散射和能量損失，所以需要在真空環(huán)境下進行輻照。根據實驗設計，設定電子束的能量，如1MeV、3MeV、5MeV等，以及束流強度。通過調節(jié)電子束加速器的加速電壓和束流控制裝置來實現。設置不同的輻照注量，如1\times10^{11}cm^{-2}、5\times10^{11}cm^{-2}、1\times10^{12}cm^{-2}等。輻照注量與輻照時間、束流強度之間的關系為\Phi=\frac{I\timest}{e\timesA}（其中\(zhòng)Phi為輻照注量，單位為cm^{-2}；I為束流強度，單位為A；t為輻照時間，單位為s；e為電子電荷量，1.6\times10^{-19}C；A為輻照面積，單位為cm^{2}）。當束流強度為1\times10^{-6}A，輻照面積為1cm^{2}，若要達到1\times10^{11}cm^{-2}的輻照注量，則輻照時間t=\frac{\Phi\timese\timesA}{I}=\frac{1\times10^{11}\times1.6\times10^{-19}\times1}{1\times10^{-6}}=0.16s。在每個注量點輻照完成后，待真空腔室恢復常壓，取出CCD進行性能測試。3.2.2性能參數測試方法暗電流測試在暗室環(huán)境中進行，以避免外界光線對測試結果的干擾。將CCD的輸出端連接到高精度電流測量儀上，設置CCD的工作溫度為25℃（可通過溫控裝置實現）。在無光照射的情況下，給CCD施加正常工作電壓，穩(wěn)定一段時間后（如5分鐘），讀取電流測量儀顯示的電流值，該值即為CCD的暗電流。在測試過程中，多次測量取平均值，以提高測試精度。一般測量5次，然后計算平均值，即\overline{I}=\frac{I_1+I_2+I_3+I_4+I_5}{5}，其中\(zhòng)overline{I}為平均暗電流，I_1、I_2、I_3、I_4、I_5為每次測量的暗電流值。電荷轉移效率測試需要使用專門的電荷轉移測試裝置。該裝置能夠向CCD注入一定數量的信號電荷，然后通過測量轉移前后電荷的數量來計算電荷轉移效率。具體操作如下：首先，向CCD的輸入級注入已知數量Q_{in}的信號電荷。然后，通過驅動電路使電荷在CCD內部逐位轉移。在輸出端，使用電荷檢測電路測量轉移出來的電荷數量Q_{out}。電荷轉移效率\eta的計算公式為\eta=\frac{Q_{out}}{Q_{in}}\times100\%。為了減小測量誤差，進行多次注入和轉移實驗，如進行10次實驗，每次實驗后計算電荷轉移效率，然后對這些效率值進行統(tǒng)計分析，得到平均電荷轉移效率和標準偏差。光響應靈敏度測試需要使用穩(wěn)定的光源和光譜儀。將光源發(fā)出的光經過準直和濾波處理后，均勻地照射到CCD的感光面上。通過調節(jié)光源的強度，使CCD處于不同的光照水平下。使用光譜儀測量入射光的強度和波長。同時，測量CCD在不同光照條件下的輸出信號。光響應靈敏度S定義為輸出信號與入射光強度的比值，即S=\frac{V}{P}（其中V為CCD的輸出電壓信號，單位為V；P為入射光功率，單位為W）。在不同波長下進行測量，繪制出光響應靈敏度隨波長變化的曲線，從而全面了解CCD的光響應特性。在400nm波長處，測量不同入射光功率下CCD的輸出信號，計算光響應靈敏度，然后繪制光響應靈敏度-波長曲線。3.3數據采集與分析方法3.3.1數據采集系統(tǒng)搭建數據采集系統(tǒng)是確保實驗數據準確、實時記錄的關鍵。硬件方面，采用高精度的數據采集卡，型號為[具體型號]，其具有多通道同步采集功能，能夠同時采集CCD在不同測試條件下的輸出信號。該采集卡的采樣率最高可達[具體采樣率數值]，可以滿足對快速變化信號的采集需求。在測試CCD的電荷轉移特性時，電荷轉移過程中的信號變化較快，高采樣率的數據采集卡能夠準確捕捉到這些信號的細節(jié)，為后續(xù)分析提供可靠的數據支持。分辨率為[具體分辨率數值]，這意味著它能夠精確區(qū)分微小的信號變化。在測量CCD的暗電流時，微小的電流變化可能反映了輻射對CCD內部噪聲的影響，高分辨率的數據采集卡能夠準確測量這些細微變化。將數據采集卡與CCD的輸出端通過低噪聲同軸電纜連接，以減少信號傳輸過程中的干擾。低噪聲同軸電纜具有良好的屏蔽性能，能夠有效阻擋外界電磁干擾對信號的影響。為了實時監(jiān)測輻照過程中的輻射劑量，采用了高精度的輻射劑量計，型號為[具體型號]。該劑量計能夠準確測量^{60}Co-γ射線和電子束的劑量率和累積劑量。在^{60}Co-γ射線輻照實驗中，劑量計可以實時監(jiān)測輻照現場的劑量率，確保在設定的劑量率下進行輻照實驗。劑量計通過RS485通信接口與數據采集系統(tǒng)相連，實現數據的實時傳輸和記錄。軟件方面，使用LabVIEW軟件平臺進行數據采集和控制程序的開發(fā)。LabVIEW具有圖形化編程的特點，易于操作和理解。在程序中，設置了數據采集的觸發(fā)條件，當CCD完成一次性能參數測試后，自動觸發(fā)數據采集卡進行數據采集。在測試CCD的光響應靈敏度時，當光源的波長和強度調整到設定值后，觸發(fā)數據采集卡采集CCD的輸出信號。程序還實現了數據的實時顯示和存儲功能。采集到的數據以CSV格式存儲在計算機硬盤中，便于后續(xù)的數據處理和分析。在實驗過程中，可以通過LabVIEW程序的前面板實時觀察CCD的各項性能參數隨輻照劑量或注量的變化曲線，及時發(fā)現實驗中的異常情況。3.3.2數據分析方法選擇對于采集到的實驗數據，采用多種數據分析方法來挖掘數據背后的規(guī)律。首先運用統(tǒng)計學方法對數據進行初步處理。計算不同輻照條件下CCD性能參數的平均值、標準偏差等統(tǒng)計量。在分析暗電流數據時，通過計算不同輻照劑量下暗電流的平均值，可以了解暗電流隨輻照劑量的總體變化趨勢。計算標準偏差則可以評估數據的離散程度，判斷實驗數據的可靠性。如果標準偏差較小，說明數據的重復性較好，實驗結果較為可靠；反之，如果標準偏差較大，則需要檢查實驗過程中是否存在干擾因素。采用曲線擬合方法來建立CCD性能參數與輻照劑量或注量之間的數學模型。對于暗電流隨輻照劑量的變化數據，使用指數函數進行擬合，其一般形式為I_d=I_{d0}+A\timese^{B\timesD}（其中I_d為暗電流，I_{d0}為初始暗電流，A、B為擬合參數，D為輻照劑量）。通過最小二乘法確定擬合參數，使擬合曲線與實驗數據之間的誤差平方和最小。這樣可以得到暗電流隨輻照劑量變化的具體函數關系，進而預測不同輻照劑量下的暗電流值。在預測1000Gy輻照劑量下的暗電流時，可以將D=1000代入擬合函數中進行計算。運用方差分析（ANOVA）方法來判斷不同輻射源以及不同輻照條件對CCD性能參數的影響是否具有顯著性差異。在比較^{60}Co-γ射線和電子束對CCD電荷轉移效率的影響時，將輻射源類型和輻照劑量作為自變量，電荷轉移效率作為因變量進行方差分析。如果方差分析結果顯示p值小于設定的顯著性水平（如0.05），則說明不同輻射源以及不同輻照劑量對電荷轉移效率的影響具有顯著性差異。這有助于明確不同輻射源在導致CCD性能退化過程中的作用程度差異，為進一步研究輻射損傷機制提供依據。四、實驗結果與分析4.160Co-γ射線對CCD輻射效應實驗結果4.1.1暗電流變化規(guī)律在^{60}Co-γ射線輻照實驗中，精確測量了不同輻照劑量下CCD的暗電流變化情況，其實驗結果如圖1所示。從圖中可以清晰地看出，隨著輻照劑量的增加，CCD的暗電流呈現出明顯的上升趨勢。在初始階段，當輻照劑量較低時，暗電流的增長相對較為緩慢。當輻照劑量從0Gy增加到10Gy時，暗電流僅從初始值[初始暗電流數值]略微增加至[10Gy時暗電流數值]，增長幅度較小。這是因為在低劑量輻照下，^{60}Co-γ射線與CCD材料相互作用產生的電子-空穴對數量相對較少，這些電子-空穴對中的大部分會在短時間內復合，只有少量的載流子會參與到暗電流的形成過程中。隨著輻照劑量的進一步增大，暗電流的增長速度逐漸加快。當輻照劑量達到50Gy時，暗電流已經增加至[50Gy時暗電流數值]，相比10Gy時的暗電流有了顯著的提升。這是由于隨著輻照劑量的累積，更多的γ射線與CCD材料發(fā)生相互作用，產生了大量的電子-空穴對。在MOS結構中，這些電子-空穴對在電場作用下運動，其中空穴容易被氧化物中的陷阱捕獲。隨著陷阱中捕獲的空穴數量不斷增加，會導致MOS結構的閾值電壓發(fā)生漂移，使得勢阱深度變淺。熱激發(fā)產生的載流子更容易越過勢壘，從而導致暗電流增大。當輻照劑量繼續(xù)增加到100Gy時，暗電流增長更為明顯，達到[100Gy時暗電流數值]。這表明隨著輻照劑量的不斷增大，^{60}Co-γ射線對CCD內部結構的損傷加劇，暗電流受其影響的程度也越來越大。當輻照劑量達到500Gy時，暗電流急劇增大至[500Gy時暗電流數值]。此時，由于高劑量的^{60}Co-γ射線輻照，CCD內部產生了大量的缺陷和陷阱。這些缺陷和陷阱不僅增加了載流子的復合中心，還為載流子的產生提供了更多的途徑。陷阱輔助的隧穿電流等也會顯著增大，進一步導致暗電流大幅上升。過高的暗電流會嚴重影響CCD的成像質量，使圖像背景噪聲大幅增加，降低圖像的信噪比，從而影響對圖像細節(jié)的分辨能力?！九鋱D1張：60Co-γ射線輻照下CCD暗電流隨劑量變化曲線】4.1.2電荷轉移效率退化電荷轉移效率是衡量CCD性能的關鍵指標之一，其變化直接影響CCD的成像質量。圖2展示了在^{60}Co-γ射線輻照下，CCD電荷轉移效率隨輻照劑量的變化情況。在未輻照時，CCD的電荷轉移效率較高，接近理論值[初始電荷轉移效率數值]。這是因為在正常情況下，CCD內部的電荷轉移過程較為順暢，電荷在轉移過程中的損失較小。隨著^{60}Co-γ射線輻照劑量的增加，電荷轉移效率逐漸下降。當輻照劑量達到10Gy時，電荷轉移效率下降至[10Gy時電荷轉移效率數值]。這是由于低劑量的^{60}Co-γ射線輻照會在CCD內部產生少量的電離損傷，這些損傷會導致部分電荷在轉移過程中被陷阱捕獲。電荷轉移過程中，一些電荷會被氧化物中的陷阱捕獲，無法順利轉移到下一個勢阱，從而導致電荷轉移效率降低。隨著輻照劑量增加到50Gy，電荷轉移效率進一步下降至[50Gy時電荷轉移效率數值]。此時，電離損傷加劇，陷阱數量增多，電荷損失更加嚴重。當輻照劑量達到100Gy時，電荷轉移效率下降至[100Gy時電荷轉移效率數值]。高劑量的輻照不僅使電離損傷進一步加劇，還可能導致CCD內部晶格結構的微小變化。這些結構變化會影響電荷轉移的路徑和效率，使得電荷在轉移過程中更容易受到阻礙。當輻照劑量達到500Gy時，電荷轉移效率已經下降至[500Gy時電荷轉移效率數值]，此時電荷轉移效率的大幅下降會使圖像出現嚴重的拖影和模糊現象。由于電荷轉移效率降低，圖像中每個像素點的電荷不能準確地轉移到輸出端，導致相鄰像素點之間的電荷發(fā)生混淆，從而使圖像變得模糊不清，拖影現象也會使圖像中的運動物體出現模糊的軌跡，嚴重影響圖像的清晰度和準確性?！九鋱D1張：60Co-γ射線輻照下CCD電荷轉移效率隨劑量變化曲線】4.1.3光響應靈敏度改變光響應靈敏度是反映CCD對光信號探測能力的重要參數。圖3呈現了^{60}Co-γ射線輻照前后CCD光響應靈敏度的變化情況。在未受到輻照時，CCD在不同波長下具有相對穩(wěn)定的光響應靈敏度。以波長為500nm為例，光響應靈敏度為[初始光響應靈敏度數值（500nm）]。隨著^{60}Co-γ射線輻照劑量的增加，光響應靈敏度逐漸降低。當輻照劑量達到10Gy時，在500nm波長下，光響應靈敏度下降至[10Gy時光響應靈敏度數值（500nm）]。這是因為低劑量的輻照會在CCD的光敏區(qū)域產生少量的缺陷，這些缺陷會成為光生載流子的復合中心。光生載流子在復合中心的作用下，復合概率增加，導致能夠參與電信號輸出的載流子數量減少，從而使光響應靈敏度降低。當輻照劑量增加到50Gy時，光響應靈敏度進一步下降至[50Gy時光響應靈敏度數值（500nm）]。此時，輻照產生的缺陷數量增多，復合中心密度增大，光生載流子的復合更加嚴重。在100Gy的輻照劑量下，光響應靈敏度下降至[100Gy時光響應靈敏度數值（500nm）]。高劑量的輻照不僅增加了復合中心的數量，還可能導致光敏區(qū)域的材料結構發(fā)生變化，影響光子的吸收和光生載流子的產生效率。當輻照劑量達到500Gy時，光響應靈敏度已經大幅下降至[500Gy時光響應靈敏度數值（500nm）]。光響應靈敏度的降低對弱光和強光信號檢測都有顯著影響。在弱光環(huán)境下，由于光生載流子本身數量較少，光響應靈敏度的下降會使輸出的電信號更加微弱，甚至可能被噪聲淹沒，導致無法準確檢測到弱光信號。在天文觀測中，對遙遠天體的微弱光線檢測會受到嚴重影響，可能無法獲取清晰的天體圖像。在強光環(huán)境下，雖然光生載流子數量較多，但光響應靈敏度的下降會使CCD對強光信號的響應能力減弱，可能導致圖像出現飽和失真等問題。在拍攝太陽等強光物體時，圖像可能會出現過曝、細節(jié)丟失等現象。【配圖1張：60Co-γ射線輻照下CCD光響應靈敏度隨劑量變化曲線（不同波長）】4.2電子束對CCD輻射效應實驗結果4.2.1暗電流變化規(guī)律在電子束輻照實驗中，CCD的暗電流變化表現出與^{60}Co-γ射線輻照不同的特點，實驗結果如圖4所示。隨著電子束輻照注量的增加，暗電流呈現出先緩慢上升，后快速增長的趨勢。當輻照注量從0cm^{-2}增加到1\times10^{11}cm^{-2}時，暗電流從初始值[初始暗電流數值]緩慢增加至[1\times10^{11}cm^{-2}時暗電流數值]。這是因為在低注量下，電子束與CCD相互作用產生的電離損傷相對較小，產生的電子-空穴對數量有限。大部分電子-空穴對在短時間內復合，只有少量的載流子參與暗電流的形成，所以暗電流增長緩慢。當輻照注量增加到5\times10^{11}cm^{-2}時，暗電流明顯增大至[5\times10^{11}cm^{-2}時暗電流數值]。此時，電子束的輻照產生了更多的電離損傷，同時位移損傷也開始逐漸顯現。電離損傷產生的電子-空穴對增多，而位移損傷導致的晶格缺陷形成了更多的復合中心和陷阱。這些陷阱捕獲載流子，使得暗電流進一步增大。隨著輻照注量繼續(xù)增加到1\times10^{12}cm^{-2}，暗電流急劇增大至[1\times10^{12}cm^{-2}時暗電流數值]。高注量的電子束輻照導致CCD內部產生大量的缺陷和陷阱，這些缺陷和陷阱不僅增加了載流子的復合中心，還為載流子的產生提供了更多的途徑。陷阱輔助的隧穿電流等也會顯著增大，從而導致暗電流大幅上升。與^{60}Co-γ射線輻照相比，在相同的輻射損傷程度下，電子束輻照導致的暗電流增長更為迅速。這是因為電子束與物質相互作用時，能量沉積更為集中，能夠在較短時間內產生大量的缺陷和陷阱，對暗電流的影響更為顯著?！九鋱D1張：電子束輻照下CCD暗電流隨注量變化曲線】4.2.2電荷轉移效率退化電子束輻照對CCD電荷轉移效率的影響十分顯著，具體實驗結果如圖5所示。在未輻照時，CCD的電荷轉移效率處于較高水平，接近理論值[初始電荷轉移效率數值]。隨著電子束輻照注量的增加，電荷轉移效率迅速下降。當輻照注量達到1\times10^{11}cm^{-2}時，電荷轉移效率下降至[1\times10^{11}cm^{-2}時電荷轉移效率數值]。這是由于電子束輻照產生的電離損傷和位移損傷，使得CCD內部的電荷轉移路徑上出現了更多的陷阱。這些陷阱捕獲電荷，導致電荷在轉移過程中發(fā)生損失，從而降低了電荷轉移效率。當輻照注量增加到5\times10^{11}cm^{-2}時，電荷轉移效率進一步下降至[5\times10^{11}cm^{-2}時電荷轉移效率數值]。此時，位移損傷加劇，晶格缺陷增多，電荷轉移受到的阻礙更加嚴重。高注量的電子束輻照使得CCD內部的晶格結構發(fā)生較大變化，影響了電荷轉移的正常進行。當輻照注量達到1\times10^{12}cm^{-2}時，電荷轉移效率已經下降至[1\times10^{12}cm^{-2}時電荷轉移效率數值]。與^{60}Co-γ射線輻照相比，電子束輻照下電荷轉移效率的退化更為明顯。這是因為電子束產生的位移損傷對電荷轉移效率的影響更為直接和嚴重。位移損傷導致的晶格缺陷會破壞電荷轉移的勢阱結構，使得電荷在轉移過程中更容易被陷阱捕獲，從而導致電荷轉移效率大幅下降?！九鋱D1張：電子束輻照下CCD電荷轉移效率隨注量變化曲線】4.2.3光響應靈敏度改變電子束輻照后，CCD的光響應靈敏度也發(fā)生了明顯變化，實驗結果如圖6所示。在未輻照狀態(tài)下，CCD在不同波長下具有穩(wěn)定的光響應靈敏度。以波長為500nm為例，光響應靈敏度為[初始光響應靈敏度數值（500nm）]。隨著電子束輻照注量的增加，光響應靈敏度逐漸降低。當輻照注量達到1\times10^{11}cm^{-2}時，在500nm波長下，光響應靈敏度下降至[1\times10^{11}cm^{-2}時光響應靈敏度數值（500nm）]。這是因為電子束輻照在CCD的光敏區(qū)域產生了缺陷，這些缺陷成為光生載流子的復合中心。光生載流子在復合中心的作用下，復合概率增加，導致能夠參與電信號輸出的載流子數量減少，從而使光響應靈敏度降低。當輻照注量增加到5\times10^{11}cm^{-2}時，光響應靈敏度進一步下降至[5\times10^{11}cm^{-2}時光響應靈敏度數值（500nm）]。此時，輻照產生的缺陷數量增多，復合中心密度增大，光生載流子的復合更加嚴重。在1\times10^{12}cm^{-2}的輻照注量下，光響應靈敏度下降至[1\times10^{12}cm^{-2}時光響應靈敏度數值（500nm）]。與^{60}Co-γ射線輻照相比，電子束輻照對光響應靈敏度的影響在低注量時更為明顯。這是因為電子束的能量沉積較為集中，在低注量下就能在光敏區(qū)域產生較多的缺陷，對光生載流子的復合過程產生較大影響。而^{60}Co-γ射線的能量分布相對分散，在低劑量下產生的缺陷數量相對較少，對光響應靈敏度的影響相對較小。【配圖1張：電子束輻照下CCD光響應靈敏度隨注量變化曲線（不同波長）】4.3兩種射線輻射效應對比分析4.3.1輻射損傷程度對比在相同劑量或注量下，^{60}Co-γ射線和電子束對CCD各性能參數的損傷程度存在明顯差異。通過對比圖1和圖4中暗電流的變化情況，當^{60}Co-γ射線輻照劑量達到50Gy時，暗電流增加至[50Gy時^{60}Co-γ射線輻照下暗電流數值]；而當電子束輻照注量達到5\times10^{11}cm^{-2}（根據相關換算關系，與50Gy的^{60}Co-γ射線輻照劑量在能量沉積效果上具有一定可比性）時，暗電流增大至[5\times10^{11}cm^{-2}時電子束輻照下暗電流數值]，明顯高于^{60}Co-γ射線輻照下的暗電流。這表明在相同的等效輻射條件下，電子束對CCD暗電流的影響更為顯著，導致暗電流增長更快。在電荷轉移效率方面，對比圖2和圖5。當^{60}Co-γ射線輻照劑量為100Gy時，電荷轉移效率下降至[100Gy時^{60}Co-γ射線輻照下電荷轉移效率數值]；當電子束輻照注量達到1\times10^{12}cm^{-2}（與100Gy的^{60}Co-γ射線輻照劑量在損傷效果上具有一定可比性）時，電荷轉移效率下降至[1\times10^{12}cm^{-2}時電子束輻照下電荷轉移效率數值]，電子束輻照下電荷轉移效率的下降幅度更大。這說明電子束對CCD電荷轉移效率的損傷程度更嚴重，使得電荷在轉移過程中的損失更大，對CCD的成像質量影響更為明顯。對于光響應靈敏度，對比圖3和圖6。在波長為500nm處，當^{60}Co-γ射線輻照劑量達到50Gy時，光響應靈敏度下降至[50Gy時^{60}Co-γ射線輻照下光響應靈敏度數值（500nm）]；當電子束輻照注量達到5\times10^{11}cm^{-2}時，光響應靈敏度下降至[5\times10^{11}cm^{-2}時電子束輻照下光響應靈敏度數值（500nm）]，電子束輻照下光響應靈敏度的降低更為顯著。這表明電子束對CCD光響應靈敏度的損傷程度更大，導致CCD對光信號的探測能力下降更明顯，在成像時對不同亮度光線的捕捉能力變弱?！九鋱D3張：60Co-γ射線和電子束輻照下CCD暗電流、電荷轉移效率、光響應靈敏度對比圖（同一坐標系）】4.3.2損傷表現形式差異^{60}Co-γ射線導致的CCD損傷表現為漸進式損傷。從^{60}Co-γ射線輻照下CCD暗電流、電荷轉移效率和光響應靈敏度的變化曲線（圖1、圖2、圖3）可以看出，隨著輻照劑量的逐漸增加，各性能參數的退化是一個逐漸變化的過程。暗電流隨著輻照劑量的增加而逐漸增大，在低劑量輻照時增長緩慢，隨著劑量的增大增長速度逐漸加快。電荷轉移效率隨著輻照劑量的增加逐漸下降，下降過程較為平緩。光響應靈敏度也隨著輻照劑量的增加逐漸降低，不同劑量下的變化相對較為連續(xù)。這是因為^{60}Co-γ射線與CCD材料相互作用主要通過光電效應、康普頓散射和電子對效應產生電離損傷。這些效應在輻照過程中是持續(xù)發(fā)生的，隨著輻照劑量的累積，產生的電子-空穴對逐漸增多，導致CCD內部的缺陷和陷阱逐漸積累，從而使性能參數逐漸退化。而電子束導致的CCD損傷在一定程度上呈現突發(fā)式損傷的特點。在電子束輻照注量較低時，CCD的性能參數變化相對較小。但當輻照注量達到一定閾值后，性能參數會發(fā)生急劇變化。從電子束輻照下CCD暗電流的變化曲線（圖4）可以明顯看出，當輻照注量從1\times10^{11}cm^{-2}增加到5\times10^{11}cm^{-2}時，暗電流迅速增大。電荷轉移效率（圖5）和光響應靈敏度（圖6）也有類似情況，在高注量輻照下，下降趨勢變得陡峭。這是因為電子束與物質相互作用時，能量沉積較為集中。低注量時，產生的損傷相對較?。划斪⒘窟_到一定程度后，電子束在短時間內產生大量的電離損傷和位移損傷，導致CCD內部的晶格結構和電學性能發(fā)生突然變化，從而使性能參數出現急劇退化。4.3.3對CCD不同結構影響差異^{60}Co-γ射線對CCD像素單元的影響主要體現在電離損傷導致的光生載流子復合增加。由于^{60}Co-γ射線產生的電子-空穴對在像素單元內，部分電子和空穴會在復合中心的作用下復合消失，使得參與電信號輸出的光生載流子數量減少，從而降低光響應靈敏度。在低劑量輻照下，復合中心數量相對較少，光生載流子復合對光響應靈敏度的影響較小。隨著輻照劑量的增加，復合中心數量增多，光生載流子復合加劇，光響應靈敏度下降明顯。電子束對像素單元的影響除了電離損傷導致的復合增加外，還存在位移損傷導致的晶格缺陷。高能電子與像素單元中的原子核發(fā)生彈性碰撞，使原子核離開晶格位置，形成弗倫克爾缺陷。這些缺陷不僅增加了復合中心，還可能改變像素單元的電學性質，進一步影響光生載流子的產生和傳輸，對光響應靈敏度的影響更為復雜和嚴重。對于轉移電極，^{60}Co-γ射線輻照主要導致轉移電極附近的氧化物中產生電離損傷，使氧化物中的陷阱捕獲電荷，影響電荷在轉移電極間的轉移。隨著輻照劑量的增加，陷阱捕獲的電荷增多，電荷轉移效率逐漸降低。電子束輻照轉移電極時，位移損傷會導致轉移電極的晶格結構發(fā)生變化。這種結構變化會破壞電荷轉移的勢阱結構，使得電荷在轉移過程中更容易被陷阱捕獲，從而導致電荷轉移效率急劇下降。與^{60}Co-γ射線相比，電子束對轉移電極的位移損傷影響更為直接和顯著，是導致電荷轉移效率快速退化的重要原因。五、輻射效應機理探討5.160Co-γ射線輻射效應機理5.1.1電離效應主導機制^{60}Co-γ射線具有較高的能量，平均能量約為1.25MeV，當它與CCD相互作用時，主要通過光電效應、康普頓散射和電子對效應產生電離作用。在光電效應中，γ光子與CCD材料中的原子相互作用，將全部能量傳遞給原子中的一個內層電子，使該電子獲得足夠的能量脫離原子，成為光電子。在康普頓散射過程中，γ光子與原子中的外層電子發(fā)生彈性碰撞，部分能量轉移給電子，使電子獲得能量而脫離原子，同時γ光子改變方向繼續(xù)傳播。當γ光子能量大于1.02MeV時，會發(fā)生電子對效應，γ光子在原子核的庫侖場作用下轉化為一對正負電子。這些效應會在CCD材料中產生大量的電子-空穴對。在CCD的MOS結構中，由于氧化物的導電性較差，電子和空穴在電場作用下的遷移行為存在差異。電子具有較高的遷移率，能夠較快地被電極收集；而空穴的遷移率相對較低，容易被氧化物中的陷阱捕獲。隨著^{60}Co-γ射線輻照劑量的增加，產生的電子-空穴對數量不斷增多，氧化物中陷阱捕獲的空穴也逐漸積累。這些陷阱電荷的積累會導致MOS結構的閾值電壓發(fā)生漂移。閾值電壓的漂移會影響CCD的電荷存儲和轉移特性。當閾值電壓發(fā)生變化時，MOS結構的勢阱深度也會改變，使得熱激發(fā)產生的載流子更容易越過勢壘，從而導致暗電流增大。陷阱電荷還會對電荷轉移過程產生阻礙，降低電荷轉移效率。因為在電荷轉移過程中，陷阱捕獲的電荷會干擾電荷的正常轉移路徑，使電荷在轉移過程中發(fā)生損失。5.1.2與CCD內部結構相互作用分析在像素單元層面，^{60}Co-γ射線產生的電離損傷會使像素單元內產生更多的復合中心。當γ射線與像素單元中的半導體材料相互作用產生電子-空穴對后，部分電子和空穴會在復合中心的作用下復合消失。隨著輻照劑量的增加，復合中心數量增多，光生載流子的復合概率增大，導致參與電信號輸出的光生載流子數量減少，從而降低光響應靈敏度。在低劑量輻照下，復合中心數量相對較少，光生載流子復合對光響應靈敏度的影響較小。但當輻照劑量達到一定程度后，復合中心密度增大，光生載流子復合加劇，光響應靈敏度會明顯下降。對于轉移電極，^{60}Co-γ射線輻照會在轉移電極附近的氧化物中產生電離損傷。在氧化物中產生的電子-空穴對，空穴被陷阱捕獲后，會在氧化物中形成固定的電荷分布。這些固定電荷會改變轉移電極間的電場分布，影響電荷在轉移電極間的轉移。當電荷在轉移過程中，會受到這些陷阱電荷的庫侖力作用，導致電荷轉移效率降低。隨著輻照劑量的增加，陷阱捕獲的電荷增多，電場分布的畸變更加嚴重，電荷轉移效率下降的幅度也更大。這種電荷轉移效率的降低會使圖像出現拖影、模糊等現象，因為電荷不能準確地從一個像素單元轉移到下一個像素單元，導致圖像中像素點的位置和亮度信息發(fā)生偏差。5.2電子束輻射效應機理5.2.1位移損傷主導機制電子束與CCD相互作用時，位移損傷是其導致CCD性能退化的重要機制。當高能電子（能量通常在keV至MeV量級）入射到CCD材料中時，會與材料中的原子核發(fā)生彈性碰撞。在這種碰撞過程中，電子將部分能量傳遞給原子核。當傳遞的能量超過原子在晶格中的束縛能時，原子就會離開其原來的晶格位置，形成間隙原子和空位，這種缺陷被稱為弗倫克爾缺陷。在硅基CCD材料中，硅原子的晶格結構較為規(guī)整，高能電子的撞擊會破壞這種規(guī)整性。一個能量為1MeV的電子與硅原子核發(fā)生碰撞時，有可能使硅原子獲得足夠的能量，從而離開晶格位置。這些弗倫克爾缺陷會在CCD內部形成新的復合中心和陷阱中心。復合中心會加速光生載流子的復合過程。在CCD的光敏區(qū)域，光生載流子（電子-空穴對）原本應該被有效地收集和傳輸，以產生電信號。但由于復合中心的存在，光生載流子在復合中心的作用下更容易復合消失，使得能夠參與電信號輸出的載流子數量減少，從而降低了CCD的光響應靈敏度。陷阱中心則會捕獲電荷，影響電荷的轉移過程。在電荷轉移過程中，當電荷遇到陷阱中心時，會被陷阱捕獲，導致電荷在轉移過程中發(fā)生損失，從而降低電荷轉移效率。在CCD的轉移電極區(qū)域，陷阱中心的存在會使電荷在轉移過程中被捕獲，無法順利地從一個電極轉移到下一個電極，導致電荷轉移效率下降。位移損傷還會導致材料的電阻發(fā)生變化，影響器件的電學性能。在CCD的讀出電路中，電阻的變化可能會影響信號的讀出和放大，進而影響CCD的整體性能。5.2.2能量沉積與損傷分布特點電子束與CCD相互作用時，能量沉積呈現出獨特的分布特點。由于電子的質量相對較小，在與CCD材料相互作用時，電子容易與原子中的電子發(fā)生非彈性散射，從而迅速損失能量。這使得電子束的能量沉積主要集中在入射表面附近的區(qū)域。當能量為1MeV的電子束入射到CCD時，大部分能量會在CCD表面以下幾微米的范圍內沉積。這種能量沉積的集中性導致在該區(qū)域產生大量的電子-空穴對和晶格缺陷。在入射表面附近，電子-空穴對的產生密度較高，這些電子-空穴對在電場作用下會發(fā)生漂移和擴散。由于產生的數量較多，部分電子-空穴對可能來不及被有效收集和復合，會參與到后續(xù)的電學過程中，對CCD的性能產生影響。能量沉積的不均勻性還會導致損傷分布的不均勻。在能量沉積較高的區(qū)域，如入射表面附近，位移損傷和電離損傷都較為嚴重。大量的晶格缺陷會導致電荷轉移效率顯著下降，暗電流增大。在該區(qū)域，由于晶格結構的破壞，電荷在轉移過程中更容易被陷阱捕獲，使得電荷轉移效率大幅降低。而在離入射表面較遠的區(qū)域，能量沉積相對較少，損傷程度也相對較輕。但隨著電子束穿透深度的增加，仍會有一定程度的電離損傷產生。雖然在這些區(qū)域位移損傷相對較少，但電離損傷產生的電子-空穴對也會對CCD的性能產生一定影響，如增加暗電流等。這種損傷分布的不均勻性使得CCD在不同區(qū)域的性能退化程度存在差異，進一步影響了其整體性能的穩(wěn)定性。5.3兩種射線輻射效應差異的根源5.3.1粒子特性差異的影響^{60}Co-γ射線本質上是高能光子，其靜止質量為零。由于光子不帶電，在與物質相互作用時，主要通過電磁相互作用發(fā)生光電效應、康普頓散射和電子對效應。在光電效應中，γ光子與CCD材料中的原子相互作用，將全部能量傳遞給原子中的一個內層電子，使該電子脫離原子成為光電子。在康普頓散射中，γ光子與原子中的外層電子發(fā)生彈性碰撞，部分能量轉移給電子，同時γ光子改變方向繼續(xù)傳播。當γ光子能量大于1.02MeV時，會發(fā)生電子對效應，γ光子在原子核的庫侖場作用下轉化為一對正負電子。這些相互作用方式決定了^{60}Co-γ射線的能量沉積相對較為分散。在與CCD相互作用時，γ射線可以穿透一定厚度的材料，在整個CCD內部產生電離損傷。由于其能量沉積分散，在低劑量輻照下，產生的缺陷相對較少，對CCD性能的影響相對較為緩慢。在低劑量輻照時，暗電流和電荷轉移效率的變化相對較小。電子束則是由高能電子組成，電子具有一定的質量和電荷。當電子束與物質相互作用時，主要通過電離和激發(fā)作用使物質原子的外層電子躍遷到高能級或脫離原子，產生電子-空穴對。電子與物質原子的相互作用較為直接，能量沉積相對集中。在低能量電子束輻照時，主要在CCD的表面層產生電離損傷，對表面的MOS結構影響較大。隨著電子束能量的增加，除了電離損傷外，還會產生明顯的位移損傷。高能電子與CCD材料中的原子核發(fā)生彈性碰撞時，會將部分能量傳遞給原子核，使原子核離開晶格位置，形成弗倫克爾缺陷。這些缺陷會對CCD的內部結構和電學性能產生長期的影響。由于電子束能量沉積集中，在較低注量下就能產生較多的缺陷，對CCD性能的影響更為迅速和顯著。在較低注量的電子束輻照下，暗電流和電荷轉移效率就會出現明顯的變化。5.3.2與CCD材料相互作用方式不同^{60}Co-γ射線與CCD材料中的Si、SiO?等相互作用時，主要以間接作用為主。通過產生的光電子、康普頓電子等次級粒子與材料發(fā)生后續(xù)的相互作用。在與Si材料相互作用時，γ射線產生的光電子會在Si中繼續(xù)與原子相互作用，產生更多的電子-空穴對。由于這種間接作用，γ射線與材料的相互作用深度相對較大。在CCD的硅基底中，γ射線可以穿透一定深度，在不同深度處產生電離損傷。這使得^{60}Co-γ射線對CCD內部不同位置的結構都有一定程度的影響，但影響的程度相對較為均勻。在像素單元和轉移電極區(qū)域，γ射線產生的電離損傷對性能的影響程度差異相對較小。電子束與CCD材料的相互作用則更為直接。電子直接與Si、SiO?中的原子發(fā)生碰撞。在與Si原子碰撞時，低能量電子主要通過電離作用使Si原子的外層電子脫離，產生電子-空穴對。而高能電子不僅能產生電離作用，還能與Si原子核發(fā)生彈性碰撞，導致原子核位移，產生位移損傷。在與SiO?相互作用時，電子的直接碰撞也會導致SiO?中的化學鍵斷裂，產生缺陷。由于電子束的直接作用，其能量沉積主要集中在入射表面附近的區(qū)域。在CCD的表面層，電子束產生的電離損傷和位移損傷都較為嚴重，而在離表面較遠的區(qū)域，損傷程度逐漸減輕。這種損傷分布的不均勻性使得電子束對CCD不同結構的影響存在明顯差異。在像素單元的表面區(qū)域，電子束產生的缺陷較多，對光響應靈敏度的影響較大；在轉移電極的表面區(qū)域，位移損傷會直接破壞電荷轉移的勢阱結構，對電荷轉移效率的影響更為嚴重。六、結論與展望6.1研究結論總結本研究通過系統(tǒng)的實驗，深入對比了^{60}Co-γ射線和電子束對CCD的輻射效應，得出以下結論：在輻射效應實驗結果方面，^{60}Co-γ射線輻照下，CCD的暗電流隨輻照劑量增加呈現逐漸上升趨勢，電荷轉移效率逐漸下降，光響應靈敏度逐漸降低。在輻照劑量為50Gy時，暗電流相比初始值有顯著提升，電荷轉移效率下降明顯，光響應靈敏度也有所降低。電子束輻照下，暗電流先緩慢上升后快速增長，電荷轉移效率迅速下降，光響應靈敏度逐漸降低。在輻照注量達到5\times10^{11}cm^{-2}時，暗電流明顯增大，電荷轉移效率和光響應靈敏度的下降幅度也更為顯著。在輻射損傷程度對比中發(fā)現，相同劑量或注量下，電子束對CCD各性能參數的損傷程度更嚴重。當^{60}Co-γ射線輻照劑量達到50Gy時，暗電流增加至[50Gy時^{60}Co-γ射線輻照下暗電流數值]；而當電子束輻照注量達到