深入探討輻射如何影響高速ADC的某些細(xì)節(jié)之前

我在ADI公司從事高速ADC支持工作有很多年，但近兩年已轉(zhuǎn)移到航天產(chǎn)品部門(mén)。當(dāng)我就本月要撰寫(xiě)的主題展開(kāi)頭腦風(fēng)暴時(shí)，我想到何不將我工作過(guò)的兩個(gè)領(lǐng)域結(jié)合起來(lái)，談?wù)勱P(guān)于高速ADC的幾種輻射效應(yīng)。深入探討輻射如何影響高速ADC的某些細(xì)節(jié)之前，我們首先必須對(duì)一般的輻射效應(yīng)有所了解。這將是一個(gè)包括多部分的系列，分若干篇博客介紹，我們將研究存在哪些類(lèi)型的效應(yīng)，然后看看其中幾個(gè)效應(yīng)如何具體影響高速ADC。

當(dāng)一臺(tái)設(shè)備被置于惡劣的太空環(huán)境時(shí)，可以預(yù)料輻射會(huì)導(dǎo)致不同類(lèi)型的不良行為。這就是為什么我們使用德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)回旋加速器以及美國(guó)和世界各地的其他類(lèi)似設(shè)施的原因。這些設(shè)施使我們能夠在將設(shè)備放入衛(wèi)星等應(yīng)用環(huán)境之前，將設(shè)備暴露在輻射中以測(cè)量其性能。與可以更換故障設(shè)備的地面應(yīng)用不同，設(shè)備送入太空之后，無(wú)法輕松進(jìn)行更換。至少，在太空中更換設(shè)備會(huì)是一個(gè)成本巨大的冒險(xiǎn)舉措。

我想，很多人可能回想起哈勃望遠(yuǎn)鏡的早期問(wèn)題。我相信，那些事情對(duì)所有參與者來(lái)說(shuō)都是痛苦的回憶。雖然它的問(wèn)題不是太空輻射，而是設(shè)計(jì)缺陷，但發(fā)射之后的維修仍然是一個(gè)難題。通過(guò)在地球上對(duì)設(shè)備進(jìn)行輻射測(cè)試，我們有信心確保設(shè)備可以在惡劣的太空輻射環(huán)境中正常運(yùn)行。知道為什么要進(jìn)行輻射測(cè)試之后，我們來(lái)看看可能遇到的不同輻射效應(yīng)。

一般可觀察到兩種類(lèi)型的效應(yīng)，即累積效應(yīng)和單粒子效應(yīng)(SEE)。累積效應(yīng)發(fā)生在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，設(shè)備反復(fù)暴露于輻射之下，性能開(kāi)始以某種方式發(fā)生轉(zhuǎn)變。受累積效應(yīng)影響，設(shè)備復(fù)位或斷電后重啟不會(huì)使設(shè)備返回到標(biāo)稱(chēng)工作狀態(tài)。這些累積效應(yīng)導(dǎo)致設(shè)備性能出現(xiàn)“半永久性”到永久性的變化。我使用“半永久性”這個(gè)說(shuō)法的原因是，這種情況下輻射引起的效應(yīng)不會(huì)因?yàn)樵O(shè)備復(fù)位或斷電后重啟而消除，但可能隨著時(shí)間推移或暴露于高溫而退火消失。這里我不打算詳細(xì)討論退火過(guò)程。就本篇博客而言，我們假設(shè)累積效應(yīng)保留在設(shè)備中。

累積效應(yīng)主要分為兩類(lèi)：總電離輻射劑量(TID)和位移損傷。TID效應(yīng)通常發(fā)生在設(shè)備使用壽命中的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)。當(dāng)測(cè)試TID效應(yīng)時(shí)，設(shè)備暴露于輻射下直至達(dá)到一定的劑量。劑量決定所執(zhí)行的TID測(cè)試類(lèi)型。分為兩種類(lèi)型：低劑量率(LDR)和高劑量率(HDR)。一般來(lái)說(shuō)，小于或等于30mrad/s的輻射量被認(rèn)為是LDR，50到300 rad/s范圍內(nèi)的輻射量被認(rèn)為是HDR。30 kRad到100 kRad的總電離輻射劑量是相當(dāng)常見(jiàn)的。目的是讓設(shè)備暴露于大量輻射下，以測(cè)量其在太空應(yīng)用中的使用壽命。

通常會(huì)在輻射暴露之前對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試以建立基線(xiàn)性能。然后將其暴露于特定劑量率的輻射（LDR或HDR）下并持續(xù)一段時(shí)間，以達(dá)到所需的總電離輻射劑量。暴露于輻射之后，對(duì)設(shè)備重新測(cè)試以確定其性能的任何變化。在輻射暴露期間，設(shè)備將被調(diào)整到正常工作模式，以模擬設(shè)備在太空應(yīng)用中的工作條件。

位移損傷是指輻射離子撞擊設(shè)備，并因此使組成設(shè)備的材料中的原子發(fā)生位移。這種位移可能導(dǎo)致晶格空位或填隙。這些原子隨后可能重組或形成穩(wěn)定的缺陷。就本博客系列而言，我們將重點(diǎn)關(guān)注TID效應(yīng)，而較少關(guān)注位移損傷。要了解位移損傷的復(fù)雜細(xì)節(jié)，涉及到相當(dāng)多的物理知識(shí)，這超出了本博客的范圍。