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CCD电子辐照效应三维蒙特卡罗模拟研究

谭群 范杰清 赵强 张芳 李尧 郝建红 董志伟

谭群, 范杰清, 赵强, 等. CCD电子辐照效应三维蒙特卡罗模拟研究[J]. 强激光与粒子束, 2022, 34: 044004. doi: 10.11884/HPLPB202234.210390
引用本文: 谭群, 范杰清, 赵强, 等. CCD电子辐照效应三维蒙特卡罗模拟研究[J]. 强激光与粒子束, 2022, 34: 044004. doi: 10.11884/HPLPB202234.210390
Tan Qun, Fan Jieqing, Zhao Qiang, et al. Three-dimensional Monte Carlo simulation of electron radiation effects on CCD[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2022, 34: 044004. doi: 10.11884/HPLPB202234.210390
Citation: Tan Qun, Fan Jieqing, Zhao Qiang, et al. Three-dimensional Monte Carlo simulation of electron radiation effects on CCD[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2022, 34: 044004. doi: 10.11884/HPLPB202234.210390

CCD电子辐照效应三维蒙特卡罗模拟研究

doi: 10.11884/HPLPB202234.210390
基金项目: 国家自然科学基金联合项目(U1730247);高功率微波技术重点实验室项目(6142605200301)
详细信息
    作者简介:

    谭 群,tanqun0809@163.com

    通讯作者:

    赵 强,zhaoq@iapcm.ac.cn

  • 中图分类号: TN386.5, O242.1

Three-dimensional Monte Carlo simulation of electron radiation effects on CCD

  • 摘要: CCD易受空间环境中高能电子辐射的影响,造成性能下降和工作异常,针对此问题,选取某国产N沟道3相多晶硅交迭栅、帧转移结构CCD开展了电子辐照效应研究。采用三维蒙特卡罗软件FLUKA建立电子辐照CCD的组成材料Si和SiO2模型,仿真模拟电子和材料相互作用的物理过程,计算不同能量电子在Si和SiO2中的总质量阻止本领和射程,与文献理论计算结果对比验证了本文仿真方法的正确性。建立CCD像元阵列的三维模型,模拟计算不同能量电子在CCD中能量沉积过程的影响,以及像元间有无边界对电子在CCD像元中平均原子离位(DPA)的影响,分析了辐照损伤差异产生的机理。结果表明,靠近入射点的像元能量沉积最大处对应的入射电子能量较小;对于无边界像元,电子辐照产生的DPA随入射深度的增加先增加后减小,而在有边界像元中产生的DPA随入射深度的增加先减小后增加,并且随入射深度的增加无边界像元中产生的DPA与有边界像元中产生的DPA差值越来越小。
  • 图  1  电子辐照CCD像元阵列简化图

    Figure  1.  Simplified image of pixel array of electron irradiation on CCD

    图  2  1 MeV电子在硅中的运动轨迹

    Figure  2.  Trajectories of electrons in silicon at the electron energy of 1 MeV

    图  3  硅中产生光子的示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of photon generation in silicon

    图  4  1 MeV电子在硅中的能量沉积

    Figure  4.  Energy deposition of electrons in silicon at the electron energy of 1 MeV

    图  5  电子在硅和二氧化硅中的射程

    Figure  5.  Range of electrons in silicon and silicon dioxide

    图  6  30 keV能量电子在CCD像元中的能量沉积

    Figure  6.  Energy deposition of CCD pixel irradiated by the 30 keV electron beam

    图  7  5 keV到1 MeV能量电子在CCD像元中的能量沉积

    Figure  7.  Energy deposition of CCD pixel irradiated by 5 keV to 1 MeV electron beams

    图  8  像元2中的能量沉积

    Figure  8.  Energy deposition in pixel 2

    图  9  像元3中的能量沉积

    Figure  9.  Energy deposition in pixel 3

    图  10  有无边界时像元2中DPA的对比

    Figure  10.  Comparison results of DPA in pixel 2 with and without boundary

    图  11  有无边界时电子在CCD中的运动轨迹

    Figure  11.  Trajectories of electrons in CCD without and with boundary

    表  1  硅对电子的阻止本领

    Table  1.   Stopping power of silicon to electron

    energy/
    MeV
    simulation result/
    (MeV/cm)
    estar value/
    (MeV/cm)
    error/%
    0.8 3.870 1 3.609 2 7.2
    0.9 3.746 9 3.581 2 4.6
    1 3.606 9 3.567 2 1.1
    1.25 3.488 1 3.562 6 2.1
    1.53.416 63.583 54.7
    下载: 导出CSV

    表  2  二氧化硅对电子的阻止本领

    Table  2.   Stopping power of silicon dioxide to electron

    energy/
    MeV
    simulation results/
    (MeV/cm)
    estar value/
    (MeV/cm)
    error/%
    0.8 4.015 5 3.698 1 8.6
    0.9 3.909 1 3.663 3 6.7
    1 3.828 8 3.646 2 5.0
    1.25 3.579 2 3.626 2 1.3
    1.53.480 13.633 14.2
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-01
  • 修回日期:  2021-11-24
  • 录用日期:  2021-12-02
  • 网络出版日期:  2021-12-09
  • 刊出日期:  2022-03-19

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