POLAR伽马暴瞬时辐射偏振测量与脉冲星导航试验研究进展

伽马射线暴(简称伽马暴,gamma-ray burst,GRB)从发现至今已超过半个世纪,其观测样本得到了极大提高,理论研究也取得了瞩目的成果.但对伽马暴的研究还有诸多未解之谜,例如伽马暴的分类和起源、爆发过程中的喷流成分、辐射机制和磁场构型等.其中,对于伽马暴的辐射机制,科学家提出了多种理论模型,不同的模型对于伽马暴爆发期间产生的伽马射线偏振状态的预测不同.因此,采用测量偏振的方法,可以对伽马暴的爆发机制进行研究,并且理解产生伽马射线的极端相对论喷流的结构及其磁场的构型等物理问题.然而,测量伽马暴瞬时辐射过程中的偏振具有极高的挑战性.伽马暴偏振探测仪(POLAR)是一台专门用于高精度测量伽马暴瞬时辐射偏振的空间望远镜,2016年9月15日搭载于我国的空间实验室“天宫二号”成功发射.POLAR在轨共探测到55个确认的伽马暴,首批给出了5个伽马暴的高精度偏振测量结果,最终统计性地给出了14个伽马暴的偏振测量结果.同时,POLAR还观测到了Crab脉冲星信号和太阳X射线耀发事件等.本文简要介绍POLAR,并给出其在轨伽马暴偏振测量结果以及利用观测到的脉冲星信号所开展的导航试验研究进展情况.此外,简要介绍POLAR的后续实验项目POLAR-2,对其未来的科学探测能力进行展望.

球对称动态黑洞视界附近的瞬时辐射能通量及瞬时辐射功率

采用黑洞的薄膜模型和局域热平衡的假定,研究球对称动态黑洞视界附近的瞬时辐射能通量和瞬时辐射功率,得到了当截断距离η取定后,Vaidya黑洞视界附近标量场的瞬时辐射能通量与黑洞的质量和视界变化率有关,其瞬时辐射功率仅与黑洞的视界变化率有关.Vaidya-Bonner黑洞的瞬时辐射能通量和瞬时辐射功率与黑洞的质量、电荷和视界变化率有关.表明黑洞周围的引力场、电磁场以及视界的变化均对黑洞的热辐射产生影响.

带有电荷、磁荷的一类任意加速黑洞的瞬时辐射能通量

利用带有电荷、磁荷的一类任意加速黑洞视界面附近标量场的熵密度,研究黑洞的热辐射规律,导出了黑洞的瞬时辐射能通量,得到了黑洞的热辐射总是满足广义Stefan-Boltzmann定律的结论.导出的广义Stefan-Boltzmann系数不是常数,而是一个与黑洞参量(质量、所带的电荷与磁荷、加速度的大小、视界的变化率)有关的动比例系数.对于不同的动态黑洞,由于黑洞周围的引力场和电磁场不同,导出的广义Stefan-Boltzmann系数也不同.

体硅CMOS电路瞬时电离辐射下的自洽防闩锁机理分析

体硅互补型金属-氧化物-半导体集成电路含有寄生4层可控硅结构,当工作在瞬时γ射线脉冲辐射环境下时易发生闩锁,导致电路失效,甚至烧毁,所以电路防闩锁研究意义重大。本文通过求解寄生晶体管中少数载流子连续性方程的方法,分析了辐射光电流在寄生4层可控硅结构中的持续时间,提出了集成电路自洽防闩锁的条件,并得到了自洽防闩锁条件随γ射线剂量率的变化关系。对4层可控硅等效电路和体硅集成电路分别进行了瞬时辐射实验,实验结果与理论分析结果基本一致,验证了理论分析的正确性。

CMOS工艺微控制器瞬时电离辐射效应实验研究

利用CMOS工艺微控制器的实验测试系统,在"强光一号"加速器上进行了瞬时剂量率效应实验。实验研究采用的γ脉冲宽度为20ns,剂量率(以Si原子计)为6.7×106～2.0×108Gy/s。在不同的剂量率水平下观察到了扰动和闭锁效应,获得了微控制器的闭锁阈值,分析了扰动时间、系统功耗电流与剂量率间的关系。瞬时电离辐射在CMOS工艺电路的PN结中产生光电流,导致了电学和功能参数的退化。

瞬时电离辐射剂量率对BiMOS运放输出扰动时间的影响

对两种不同类型BiMOS运算放大器(JFET-Bi,PMOS-Bi)γ瞬时电离辐射效应进行研究。结果显示,BiMOS运放瞬时辐射扰动时间随剂量率变化呈现出一定的规律性,在剂量率较低情况下扰动时间随剂量率指数增长,剂量率较高时,扰动时间呈现出饱和特性。另外,输入信号不同,输出扰动时间随剂量率的变化也会有差异。

基于辐射回避的SRAM型FPGA瞬时电离辐射效应测试系统研制

介绍了瞬时电离辐射环境中SRAM型FPGA配置存储器测试的实现方法,提出了将辐射回避应用于FPGA瞬时电离辐射效应测试的方法,设计了可辐射回避的在线测试系统,并对FPGA进行了瞬时电离辐射效应实验。结果表明,测试系统能准确、可靠地进行配置存储器测试,辐射回避是实现大规模集成电路瞬时电离辐射效应测试的有效手段。

基于正交设计的BiMOS运算放大器瞬时电离辐射效应影响因素分析

利用正交设计法设计了实验方案,可通过较少的实验获得满意的实验结果。在"强光一号"上对BiMOS工艺运算放大器CA3140进行了瞬时电离辐射效应实验,研究了不同因素对CA3140输出端瞬时电离辐射扰动恢复时间的影响,得到不同因素对恢复时间产生影响的主次顺序和显著水平,以及运算放大器在瞬时电离辐射环境下的最劣偏置条件。

双极型运算放大器瞬时电离辐射效应实验研究

建立了运算放大器瞬时电离辐射效应在线测试系统,选取不同带宽、不同压摆率的3种双极型运算放大器,在西北核技术研究所的"强光一号"加速器上进行了实验。结果显示,在相同剂量率下,双极运算放大器的带宽越大、压摆率越高,其输出端口瞬时电离辐射恢复时间越短。分析表明,对于具有内补偿电容的双极运算放大器,其压摆率与补偿电容有关;补偿电容越小,压摆率越大,运算放大器输出端口瞬时电离辐射扰动的恢复时间越短。

可编程器件的瞬时电离辐射效应及加固技术研究

概述了国内外瞬时电离辐射效应的研究历程。针对空间电子学系统常用的两种类型可编程器件(32位微控制器和反熔丝FPGA),分别研制了辐照试验长线动态测试系统,在"强光一号"脉冲加速器上开展了γ瞬时电离辐照试验。试验数据表明:32位微控制器的瞬时电离辐射效应表现为复位重启和闭锁,闭锁阈值为6×107Gy/Si.s,反熔丝FPGA的瞬时电离辐射效应表现为瞬时扰动和复位重启,二者的工作电流都随着剂量率的增加而升高。分析了两种可编程器件的瞬时电离辐射损伤机理,提出了一种"瞬时回避+数据备份与恢复"的抗瞬时电离辐射的电路设计加固方法。

反熔丝FPGA电路瞬时电离辐射效应及加固设计

针对反熔丝FPGA电路,在"强光一号"加速器上进行了瞬时电离辐射试验,发现γ射线瞬时电离辐射会导致FPGA内部寄存器清零,使FPGA运行状态被初始化。为了解决该问题,设计了一种"FPGA+FRAM(铁电存储器)+特殊时序读写软件"的加固电路,通过γ射线瞬时电离辐射试验证明:该加固电路实现了瞬时电离辐射状态下FPGA内部重要数据的实时保存与恢复,成功规避了FPGA电路的瞬时电离辐射效应。

宽剂量率范围的集成电路瞬时电离辐射效应模拟方法研究

借助于计算机开展器件和电路辐射效应的数值模拟,已成为抗辐射加固电路设计、制造和辐射性能预测、评估的重要环节。文章深入研究了国际上先进的光电流模型,提出了一种适用于较宽剂量率范围的集成电路瞬时电离辐射效应模拟方法。针对一种CMOS电压反馈型运算放大器,建立了器件和整体电路的瞬时电离辐射效应SPICE模型,采用MATLAB和HSPICE相结合的方法计算了电路在多种约束条件下(电路设计参数、辐射条件等)的瞬时电离辐射响应(瞬态峰值电平和恢复时间)。本研究为其他类型CMOS集成电路在较宽剂量率范围下的瞬时电离辐射效应建模和仿真提供了参考。

瞬时电离辐射敏感开关设计及效应分析

采用瞬时辐射敏感开关可避免电子器件在瞬时电离辐射环境下发生闩锁而失效或损毁。性能较好的开关须满足灵敏度高、抗辐射、抗干扰、驱动能力强等要求。本工作在RC延时电路的基础上设计了放电型和充电型两种辐射敏感开关,并通过瞬时电离辐射实验对两种开关的敏感度、关断时间稳定度、抗干扰能力进行了测试。结果表明,放电型开关的关断时间稳定度和抗干扰能力不及充电型开关,且探测单元采用晶闸管较采用二极管或三极管综合性能好;充电型开关更适合用于多次脉冲辐射环境,但开关中的缓冲单元输入端不能含有静电保护电路,否则影响开关关断时间。

SRAM型FPGA瞬时电离辐射功能错误实验研究

定性分析了SRAM型FPGA瞬时电离辐射功能错误,认为功能错误阈值与敏感配置位数无关。设计了两种敏感配置位数相差悬殊的由查找表和D触发器构成的移位寄存器链,在"强光一号"加速器上开展了FPGA瞬时电离辐射效应实验研究,对比了各功能输出在不同剂量率下的功能错误情况,结果未发现敏感配置位数对功能错误阈值有任何影响,验证了定性分析结论。

典型双极能隙基准源的瞬时电离辐射效应分析

分析了典型双极型二管和三管能隙基准源受瞬时电离辐射后的输出响应,以及以双极能隙基准源为基本电路的集成稳压器的瞬时辐射效应,并对含典型三管能隙基准源的集成稳压器L7805芯片进行了瞬时电离辐射实验验证。实验结果表明,基准源受辐射后输出电平降至零电平附近,致使稳压器输出降低,并且电平恢复时间与剂量率成对数关系,与理论分析结果一致。

运算放大器CA3140瞬时电离辐射效应正交实验研究

在“强光一号”上对BiMOS工艺运算放大器CA3140进行了瞬时电离辐射效应正交实验,研究了不同因素对CA3140输出端瞬时电离辐射扰动恢复时间的影响,得到了不同因素对恢复时间产生影响的主次顺序和显著水平,以及运算放大器在瞬时电离辐射环境下的最坏因素组合.

低压差线性稳压器瞬时电离辐射试验方法

在核爆环境下,要求低压差线性稳压器(LDO)的输出电压能够快速恢复。本文定性分析了瞬时电离辐射后LDO的输出电压恢复时间与负载电阻的关系;在"强光一号"加速器上开展了相应的瞬时电离辐射效应试验研究。对比分析不同负载条件下的输出电压恢复时间,发现两者密切相关,通过合理调整输出负载电阻值,可以有效地减小瞬时电离辐射后电路的恢复时间。辐射试验结果表明,经过瞬时电离剂量率为1.0×10^(11 rad(Si)/s辐照后,采用适当负载的LDO的输出电压恢复时间可小于100μs。

基于样本空间排序法的电子器件抗瞬时电离辐射性能评估方法

针对瞬时电离辐射效应考核中应用经典非参数法存在信息利用率低,评价结果过于保守的问题,本文在识别出瞬时电离辐射效应数据在统计意义上属于Ⅰ型区间删失数据的基础上,利用样本空间排序法,开展电子器件抗瞬时电离辐射性能评估研究。首先,基于无失效数据开展了理论分析和实例计算,并将计算结果与经典非参数法的计算结果进行了对比,结果表明,样本空间排序法提高了信息利用率,不仅可以增大生存概率置信下限,而且将置信下限所对应的吸收剂量率上限从最小值增大到几何平均值。其次,开展了失效分布模型的试验研究,根据瞬时电离辐射效应特点,提出以Ⅱ型区间删失数据为数据源获取经验生存函数,通过最小二乘法拟合经验生存函数用于计算相关系数,根据相关系数及对失效机理的分析,认为商用静态存储器翻转效应服从对数正态分布的可能性最大。最后,基于再抽样技术的蒙特卡罗模拟结果表明,样本空间排序法在高生存概率区间的计算结果具有保守性。

运动带电粒子新的辐射阻尼力与电磁相互作用

本文计及粒子附近场的能量变化,不作准周期运动假设,严格地推导出真正的瞬时辐射阻尼力。并指出以往的辐射阻尼力是违背能量守恒的而本文给出的瞬时辐射阻尼力符合能量守恒。本文并对电磁相互作用以及引力相互作用都不能服从牛顿第三运动定律与能量守恒、动量守恒和角动量守恒定律之间的联系作了分析和讨论。

等效磁场与弯晶沟道辐射

引入场指标和等效磁场概念,把粒子在弯晶沟道中的运动行为等效为回旋加速器中的粒子运动.结果表明,描写粒子的运动方程是一个非线性薛定谔方程.在小振幅近似下找到了系统的严格解和粒子振动周期,导出了瞬时辐射强度和最大辐射频率.