强电磁脉冲下线路绝缘子闪络特性试验研究

为了研究电力系统关键易损性设备的强电磁脉冲效应,评估电力系统的高空电磁脉冲生存能力,有必要通过试验研究线路绝缘子的闪络特性。该文通过试验获取了高空电磁脉冲标准传导环境下10 kV线路绝缘子的50%闪络电压、放电时延、闪络持续时间及伏秒特性等关键参数,并通过试验分析了线路绝缘子表面干净、污秽等不同状态对绝缘子性能的影响。试验结果表明:高空电磁脉冲传导环境作用下10 kV线路绝缘子易发生闪络,且闪络更容易发生在波尾处,闪络持续时间达数微秒;强电磁脉冲环境幅值越高,绝缘子的放电时延越小,分散性也越小;P-10T型绝缘子相对于PQ1-10T型绝缘子的放电时延更短,绝缘子表面污秽使得其放电时延分散性变大;当电压等级高于90%闪络电压时,绝缘子表面污秽对其伏秒特性影响不大。该文可为强电磁脉冲环境下电力设备的绝缘配合以及绝缘子性能改进提供数据支撑,也可为后续防护设备的选择提供参考。

一台基于串级二极管技术的高强度脉冲硬X射线源

介绍了利用串级二极管产生高强度脉冲硬X射线的方法及其辐射场参数。以“闪光二号”加速器为平台,通过适应性改造,产生快前沿电压脉冲;研制了两级阻抗1Ω串级二极管,通过串联分压降低二极管端电压、各级二极管电子束独立打靶在空间叠加形成高强度均匀辐射场。解决了悬浮电极绝缘支撑、二极管阴极均匀发射等技术难题,实现了串级二极管的稳定工作。在总电压约700 kV、电流约310 kA条件下,X射线平均能量87 keV,500 cm^(2)上的平均能注量36 mJ/cm^(2),剂量均匀性(最大值比最小值)达到2∶1。

基于10keV X射线的总剂量效应实验技术实现与应用

采用X射线作为辐射源开展总剂效应实验是一种可行有效的总剂量效应研究手段。本文首先简要介绍项目组搭建的一台基于10 keV X射线的总剂量效应实验平台的基本组成和各模块功能,并给出了10 keV X射线源辐射场的各项指标测量结果,包括剂量率、能谱特性和辐射场面积等信息。在此基础上,给出了该平台在晶圆级电参数测量时的性能指标,平台提供的探卡测试解决方案,可实现48通道的并行辐照加偏和效应测试,小电压测量时漏电流小于10 pA。最后,利用该平台对40 nm工艺MOSFET开展了总剂量效应研究,获得了该器件的效应规律和损伤机制。结果表明:搭建的10 keV X射线的总剂量效应实验平台对国产电子器件抗辐射加固技术研究具有重要意义。

样品颗粒度对X射线荧光强度影响模拟方法研究

通过MCNP软件建立均匀颗粒的面心立方最密堆积模型,以硫酸铜-锌组合样品为例,研究样品在X射线激发下的荧光强度随颗粒大小的变化情况。采用研磨方法制备不同颗粒度的无限厚样品并进行实验,以验证建模方法的正确性;在此基础上研究颗粒度效应对有限质量厚度样品荧光强度的影响。结果表明,自然状态的无限厚硫酸铜颗粒样品的荧光强度随颗粒尺寸增加而下降,变化程度小于统计涨落,与相同条件下的模拟结果基本一致;在质量厚度相同的情况下,样品颗粒尺寸增大,铜-锌荧光强度之比减小。

支路开关自放电对大型多路并联FLTD脉冲源可靠性的影响

快脉冲直线型变压器驱动源(fast linear transformer driver,FLTD)是建设下一代大型Z箍缩装置最有前景的技术路线之一。大型FLTD脉冲源中数以万计气体开关的可靠运行是提高Z箍缩装置可靠性的重要因素。该文基于15 MAZ箍缩科学实验装置的FLTD脉冲源设计,采用Monte-Carlo方法建立考虑支路开关自放电及其载荷共享效应的FLTD脉冲源可靠性计算模型,分析开关故障模式及其触发策略对脉冲源可靠性的影响。结果表明,主支路开关自放电产生的故障电压会引起开关级联自放电,降低装置可靠性。若主支路开关工作系数设定在0.5~0.7范围内,FLTD脉冲源故障率可低于1×10^(-4)。此外,触发器及触发支路开关的高可靠性对于提升脉冲源可靠性至关重要,增加触发器脉冲数量、降低触发器自放电故障率能够有效提升脉冲源可靠性,当触发器脉冲数量提升至4倍后,FLTD脉冲源故障率有望降低至1×10^(-5)以下。研究结果为大型FLTD脉冲源的开关工作系数及触发策略的选取提供参考,具有重要的工程应用价值。

22nm FDSOI工艺SRAM单粒子效应的重离子实验研究

针对22 nm全耗尽绝缘体上硅(FDSOI)工艺静态随机存储器(SRAM)开展了重离子实验,对比了不同加固设计的FDSOI SRAM的抗单粒子翻转(SEU)和多单元翻转(MCU)能力,分析了读写错误致存储阵列MCU的效应表征和作用机制,揭示了衬底偏置对FDSOI SRAM SEU敏感性的影响机理。研究结果表明:对5款被测FDSOI SRAM而言,抗SEU能力由弱到强依次为八管加固型SRAM2、冗余加固型SRAM1、双互锁结构(DICE)型SRAM3或SRAM4、双DICE型SRAM5;3款DICE型FDSOI SRAM的存储阵列自身抗MCU性能优于其他两款SRAM;虽然DICE型FDSOI SRAM的存储阵列自身抗MCU能力强,但读写错误致存储阵列MCU的影响不可忽略,且该影响随SRAM工作频率的提高愈加严重;衬底偏置通过对寄生双极放大效应的控制来影响FDSOI SRAM的SEU敏感性。

高海拔地区晶闸管宇宙射线失效等效加速试验研究

大气环境中的高能中子、γ射线和电磁脉冲以及空间辐射环境中的高能电子和质子等,都能造成半导体材料性质变化和器件性能蜕变以至失效,而在大气层内宇宙射线引起功率器件失效的主要原因是高能中子导致的单粒子烧毁(single event burnout,SEB)。白鹤滩—江苏±800 kV特高压直流输电工程布拖换流站位于北纬27°,东经102°,海拔2500 m。中子通量是水平面4倍以上,将导致器件的失效率大幅上升。为验证工程中8.5 kV晶闸管在额定条件下的失效率不超过100FIT,该文采用200 MeV质子源进行辐照加速试验,根据当地大气中子通量核算中子总注量,对比研究不同电压、温度对晶闸管失效率的影响规律,试验结果给出晶闸管在高海拔地区宇宙射线SEB平均失效率,为换流阀中晶闸管工作电压设计提供依据。

电离辐射效应对铁电薄膜畴结构影响模拟

运用蒙特卡洛方法计算电离辐射对铁电存储器(MFIS型铁电场效应晶体管)的损伤情况,再结合相场方法,建立了MFIS型铁电场效应晶体管相场模型.考虑电离辐射效应对场效应晶体管中铁电薄膜与电极以及绝缘体存在界面效应对存储器中铁电薄膜畴结构的影响.探究从畴结构的角度直观分析电离辐射效应对存储器损伤的可能原因.证实了界面厚度对BaTiO3(BTO)铁电薄膜的畴结构会产生一定的影响;界面厚度的增加会使90°畴结构发生移动,主要为畴壁的移动,主要原因是界面处的极化小于内部,以及界面处的电势与内部形成的电势差,这些都会引起畴壁的移动,畴壁的移动以及畴壁数量减少,会减少体系的畴壁能,从而降低总体的能量.

中子单粒子效应研究现状及进展

回顾了中子单粒子研究的国内外发展情况,介绍了近几年西北核技术研究所在西安脉冲堆开展的低能中子单粒子效应研究进展。比较了稳态与脉冲工况下中子单粒子效应的异同性;分析了含有SRAM结构器件随着特征尺寸的减小,中子单粒子效应敏感性加剧的物理机制。分析认为目前中子单粒子效应已成为小尺寸大规模互补金属氧化物半导体器件的主要中子效应表现;中子辐射效应研究中,除了位移损伤效应以外还必需重视由中子电离造成的中子单粒子效应。

强流二极管阳极电子束时域能量沉积特性模拟

以强流脉冲电子束为研究对象,提出了一种基于离散时间、限定靶面位置,通过测量靶面不同时刻入射角分布,利用蒙卡程序计算得到电子束的能量(r,z)二维分布沉积值的方法。给出了典型弱箍缩平板二极管(电压峰值700kV、阻抗7Ω)阳极靶面不同位置时域的能量沉积值,分析了(0,0°),(25 mm,135°),(36mm,270°)三个位置纵切剖面的能量沉积特性,结果表明:在各个时间段内电子束入射能量确定的情况下,能量沉积特性与入射角呈现相关性,仿真结果与实验结果符合较好,偏差均小于10%;距阳极靶心25mm以外的靶面位置,受束流箍缩影响,入射角分布变化较大;当入射角较小时(小于40°),强流电子束能量沉积峰值深度约0.2mm;当入射角超过40°时,能量沉积峰值深度减小到0.1mm左右;而阳极靶心位置附近,受束流箍缩影响较小,这些位置的能量沉积特性更接近于小角度入射角情形。

200 keV脉冲硬X射线源能谱测量技术

根据基于吸收法的脉冲硬X射线能谱测量的基本原理,以12路Si-PIN探测器阵列及吸收片为测量核心部件,完成了能谱仪的结构设计,并对主要参数进行了实验标定。实验测量了真空环境下大面积脉冲硬X射线源加速器产生的射线强度,获得了不同衰减程度的实验波形。结合不同能量的射线经不同厚度的吸收片后在探测器阵列上的能量沉积,通过解谱获得了脉冲硬X射线的能谱,射线能量最高约为200 keV,平均能量约为51.9 keV。本文能谱测量技术丰富了脉冲射线辐射场参数测量手段,为进一步发展脉冲硬X射线束流诊断研究提供了技术支撑。

高空电磁脉冲作用下配电变压器瞬态响应与失效机理

高空电磁脉冲通过场线耦合能在广域分布的电力传输线上形成纳秒级上升沿、数千安培的强电磁脉冲传导环境,对电力设备的安全可靠运行造成严重威胁。为此,该文基于冲击试验方法研究高空电磁脉冲传导环境下典型10kV油浸式配电变压器的响应特性与失效机理。结果表明,变压器击穿阈值分散性较大,相对雷电、操作过电压更容易受变压器生产工艺的影响,且发生击穿后会造成绝缘性能降级,击穿阈值降低50%左右;高空电磁脉冲传导环境下变压器内部绝缘击穿为纵绝缘击穿,主要发生在相引线与分接引线之间、分接开关各引线之间以及变压器绕组首端等位置。研究结果可为配电变压器在强电磁脉冲环境下的生存能力评估与加固技术提供参考。

抛物线型柱面弯晶谱仪在Z箍缩软X射线辐射能谱测量中的应用

针对Z箍缩软X射线辐射能谱测量,采用双通道拼接方式实现量程搭接,设计了一种抛物线型柱面弯晶谱仪。介绍了基于平行光正入射的解谱方法,分析了平行光斜入射及点源入射条件下对能谱测量范围的影响,并提出了对应的能量修正方法。在“强光一号”装置上开展验证实验,测量了钼丝阵等离子体2~6 keV范围的辐射谱,给出了辐射线谱形态及相对强度,与理论计算及此前同类实验结果相比,谱线能量及形态一致性较好,验证了谱仪设计及解谱算法的正确性。基于辐射线谱相对强度测量结果,计算了钼丝阵等离子体电子温度约为1 200 eV。

大尺寸Split型垂直极化有界波EMP模拟器场的特性分析

采用并行时域有限差分(finite-difference time-domain, FDTD)方法对大尺寸分裂型垂直极化有界波电磁脉冲模拟器(简称“Split型模拟器”)的电场进行模拟,研究分析了该类型模拟器天线的尺寸参数对模拟器内对称剖面上监测点电场垂直分量时域特性的影响,给出了该剖面上电场的瞬态分布特性,并与常规模拟器进行了比较。模拟结果表明:模拟器架高越高,监测点处的电场垂直分量的半高宽出现异常的起始高度越高,且同一监测点电场垂直分量的峰值随模拟器最大高度的增大而减小;距离源越近且距离下极板越近的监测点,电场垂直分量的峰值随整个上极板投影长度的增加有明显的减小;同一监测点电场垂直分量的上升沿会随着模拟器梯形金属板投影长度的增加而减小,峰值随该投影长度的增加而增加;监测点电场垂直分量的半高宽随上极板最大空隙宽度的增加而减小,峰值随上极板最大空隙宽度的增加而减小;当Split型模拟器选择合适的尺寸参数及工作空间高度时,电场垂直分量的上升沿和半高宽均满足IEC61000-4-25标准,且电场垂直分量的峰值与常规模拟器差别不大。

数字化波形实时甄别技术研究现状

波形甄别是一种根据闪烁探测器信号形状差异来判别粒子种类的核物理诊断技术,在混合辐射场测量中起着重要作用。本文对波形甄别技术的发展趋势作了概述,并详细介绍了数字化波形实时甄别技术的研究现状。

基于电荷泵技术的栅控横向晶体管在氢氛围中的辐照损伤增强机制

以栅控横向PNP(gate-controlled lateral PNP,GCLPNP)晶体管为载体,开展了在不同浓度氢氛围中的辐照实验,研究了氢气对双极器件总剂量辐射效应的影响规律。并利用电荷泵技术,分离得到GCLPNP晶体管辐照后产生的界面陷阱浓度和氧化物陷阱电荷浓度,总结出氢氛围中辐照损伤的微观机制。实验结果表明,与空气中的辐照实验相比,GCLPNP晶体管在氢气中辐照会使放大倍数减小,损伤增强;且随着氢气浓度的增大,损伤程度会进一步增强,辐照在器件氧化层中产生的界面陷阱增多,氧化物陷阱电荷减少。对比辐照前后界面陷阱的能级分布图可见,在氢氛围中辐照主要增加的是深能级的界面陷阱,且氢气浓度越高,辐照产生的深能级界面陷阱越多。

不同表面状态LYSO∶Ce闪烁体的发光性能研究

闪烁体表面状态将影响其荧光出射强度和空间分辨等闪烁性能,进而影响辐射探测系统的测试结果。本文通过理论模拟和实验研究等方式,系统表征了LYSO∶Ce闪烁体被射线激发时在4种表面状态下(双面抛光、仅出射面抛光、仅入射面抛光和双面均不抛光)的荧光强度空间分布,以及闪烁体厚度对其空间分辨的影响规律。结果表明,4种状态在法线方向0°的荧光出射相对强度为0.49∶0.64∶0.89∶1,荧光强度随出射角度增加而逐渐减小。随着表面抛光度的降低,闪烁体出射荧光空间分布更均匀。闪烁体厚度为0.3、1.0和5.0 mm时,双面抛光的空间分辨分别为1.70、1.36和1.12 lp/mm,单面抛光-出射面抛光的空间分辨为1.5、1.2和1.0 lp/mm,空间分辨随闪烁体厚度增加而降低,并且双面抛光时空间分辨比单面抛光提升了约12%。

GaAs光阴极像增强器的选通特性

针对GaAs光阴极像增强器在ns级选通成像中的时空特性,通过引入传输线阻抗完善了光阴极径向RLC传输模型,更准确地描述了选通过程中光快门的变化趋势,实验证实去除防离子反馈膜有利于改善光快门,使得光快门与电快门更为一致,在驱动电脉冲宽度为17.7 ns时,光快门宽度与电快门宽度的差异仅为1.1 ns;基于蒙特卡罗模拟方法,建立了光电子在分段线性快门脉冲电压驱动下经过第一近贴后的空间弥散模型,模拟结果表明:GaAs光阴极相较于S20光阴极在选通成像中的空间分辨下降更小。在20 lp/mm时,GaAs的动态空间分辨是静态空间分辨的80%,而S20光阴极不足70%,理论模拟与实验结果相一致,所建立的模型可用来分析和优化像增强器结构参数,为优化选通成像性能提供理论依据。

纳米静态随机存储器低能质子单粒子翻转敏感性研究

针对65,90,250 nm三种不同特征尺寸的静态随机存储器基于国内和国外质子加速器试验平台,获取了从低能到高能完整的质子单粒子翻转截面曲线.试验结果表明,对于纳米器件1 MeV以下低能质子所引起的单粒子翻转截面比高能质子单粒子翻转饱和截面最高可达3个数量级.采用基于试验数据和器件信息相结合的方法,构建了较为精确的复合灵敏体积几何结构模型,在此基础上采用蒙特卡罗方法揭示了低能质子穿过多层金属布线层,由于能量岐离使展宽能谱处于布拉格峰值的附近,通过直接电离方式将能量集中沉积在灵敏体积内,是导致单粒子翻转截面峰值的根本原因.并针对某一轨道环境预估了低能质子对空间质子单粒子翻转率的贡献.

质子与金属布线层核反应对微纳级静态随机存储器单粒子效应的影响分析

金属布线层对微纳级静态随机存储器(static random access memory,SRAM)质子单粒子效应敏感性的影响值得关注.利用Geant4针对不同能量(30 MeV,100 MeV,200 MeV和500 MeV)的质子与微纳级SRAM器件的核反应过程开展计算,研究了核反应次级粒子的种类、线性能量传输值(linear energy transfer,LET)及射程情况,尤其对高LET值的核反应次级粒子及其射程开展了详细分析.研究表明,金属布线层的存在和质子能量的增大为原子序数大于或等于30的重核次级粒子的产生创造了条件,器件体硅区中原子序数大于60的重核离子来源于质子与钨材料的核反应,核反应过程中的特殊作用机理会生成原子序数在30至50之间的次级粒子,且质子能量的增大有助于这种作用机理的发生,原子序数在30至50之间的次级粒子在器件体硅区的LET值最大约为37 MeV·cm^2/mg,相应射程可达到几微米,对于阱深在微米量级的微纳级SRAM器件而言,有引发单粒子闩锁的可能.研究结果为空间辐射环境中宇航器件的质子单粒子效应研究提供理论支撑.