一种电荷耦合器件中子辐照后的电荷转移效率测试方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 电荷親合器件(charge coupled device,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。
[0003] 电荷转移效率(charge transfer efficiency,CTE)是CO)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 CTEXro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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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、SB)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、SB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。
[0007] 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。
[0008] EPER法测CTE时，采用积分球光源提供均匀光源，(XD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 JPER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(XD后测试的CTE不准确，甚至出现测得CTE大于1的错误 结果。
[0009] (XD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）<XTE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。
[0010] 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】
[0011] 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，C⑶的CTE测试不准甚至无法测试的难题。
[0012] 本发明的技术解决方案是：
[0013] 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：
[0014] 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；
[0015] 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；
[0016] 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C⑶的CTE。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 对于线阵(XD，步骤3)具体为：
[0020] 3.1)测量过扫描像元区域各像素单元的平均灰度值；
[0021] 3.2)测量行输出最后几组饱和像元输出信号的平均值；
[0022] 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：
[0024] 式中：
[0025] SD-过扫描像元区域各像素单元的平均灰度值；
[0026] NP-信号电荷的转移次数；
[0027] SLC-最后几组饱和像元输出信号的平均值。
[0028]本发明相对于已有技术具有如下显著优点：
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033] 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