飛秒脈沖激光輻照FRAM誘發(fā)的毀傷效應(yīng)及熱演化

喬相信，成藝光，唐恩凌，韓雅菲

(沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧沈陽 110159)

1 引 言

目前，空間輻射效應(yīng)及其衍生問題嚴(yán)重影響航天器的在軌安全運行，單粒子效應(yīng)(SEE)已成為空間高能粒子輻射下電子設(shè)備故障的主要原因，而激光輻射的熱效應(yīng)及其帶來的熱演化問題是單粒子效應(yīng)中的關(guān)鍵問題［1-2］。目前，鐵電存儲器的信息存儲單元已加工至深微米尺度，在空間電離輻射環(huán)境下鐵電存儲器表現(xiàn)出易受電荷和溫度改變的敏感特性的影響［3-4］。2008 年，Zanata等［5］對Ramtron公司的鐵電存儲器FM18L08進(jìn)行了X射線作用下的總劑量效應(yīng)研究，結(jié)果表明，在X射線輻照試驗中，當(dāng)對上電條件下的芯片進(jìn)行輻照時，在280 krad(Si)時該存儲器的功能出現(xiàn)了錯誤;2010年，NASA在發(fā)射的FASTSAT衛(wèi)星上搭載了 Ramtron公司的512 kbit鐵電存儲器FM24C512，開展了通用鐵電存儲器在近地軌道的可靠性和耐輻照性能研究［5］。國內(nèi)關(guān)于鐵電存儲器輻照效應(yīng)研究起步較晚，多數(shù)研究主要圍繞器件輻射效應(yīng)和鐵電薄膜電容的輻照效應(yīng)展開［5-11］，針對鐵電器件的輻照效應(yīng)及熱演化研究的文獻(xiàn)較少。張興堯等［8-9］曾開展了針對FM24V10型鐵電存儲器的總劑量效應(yīng)和退火試驗研究，結(jié)果表明，芯片在輻照劑量為180 krad(Si)時發(fā)生讀寫功能失效，常溫退火10 min可使芯片讀寫功能恢復(fù)［9］。但由于熱演化過程帶來的單粒子效應(yīng)分析與溫度特征記錄較為少見，本文擬采用具有較強耐輻照性能的鐵電存儲器作為輻照對象［12］，利用相同輸出功率、不同分頻的飛秒脈沖激光模擬空間高能粒子輻射電子器件，利用紅外熱像儀記錄器件表面的二維溫度場，獲得了飛秒脈沖激光輻照鐵電存儲器誘發(fā)的單粒子效應(yīng)和熱演化特征，為航天器及星載電子設(shè)備的輻射防護(hù)和激光毀傷效應(yīng)研究提供數(shù)據(jù)支撐。

2 激光加載及測試系統(tǒng)

2．1 激光器系統(tǒng)

實驗在沈陽理工大學(xué)強動載研究中心完成。該中心具有法國Amplitude公司生產(chǎn)的TRIDENT·M型飛秒脈沖激光器，該激光器可輸出重復(fù)頻率為10～1 000 Hz、脈沖持續(xù)時間為100 fs、平均功率為3．5 W的飛秒脈沖激光;同時，可通過分頻器對輸出激光進(jìn)行最大100分頻的調(diào)節(jié)，滿足實驗的分頻需求。以滿功率3．5 W運行時，激光焦斑的峰值功率密度為446 TW/cm2，實驗室環(huán)境下輸出能量的穩(wěn)定度為5%，輸出激光由兩塊平面鏡反射至光學(xué)平臺中線上，焦距為100 mm的凸透鏡為其聚焦。圖1為飛秒脈沖激光器的原理框圖。

圖1 飛秒脈沖激光器的原理框圖Fig．1 Block diagram of femtosecond pulsed laser

利用以色列OPHIR公司生產(chǎn)的Vega型功率計對激光器的輸出功率進(jìn)行標(biāo)定與測量;光斑幾何尺寸通過CCD光斑分析儀調(diào)節(jié)，同時焦斑位置通過四自由度位移平臺與CCD分析儀確定。實驗中，激光輻照啟動時間通過主控MCU控制的舵機快門實現(xiàn)，并在上位機的串口監(jiān)視器上完成計時功能，舵機快門產(chǎn)生的誤差小于1 ms。焊接和固定鐵電存儲器的玻璃纖維板由四自由度位移平臺結(jié)合夾具固定，激光經(jīng)聚焦使焦斑平面作用在鐵電存儲器上，焦斑直徑通過光斑分析儀測量獲取，焦斑直徑約為100μm。溫度場的測量通過美國FLIR公司生產(chǎn)的SC7700BB型紅外熱像儀實現(xiàn)，該紅外熱像儀的波長范圍為1．5～5．1μm，紅外測溫范圍不大于2 500 K，紅外熱像儀采集圖像數(shù)據(jù)的更新頻率為25 Hz。

2．2 鐵電存儲器

實驗所采用的的鐵電存儲器為美國RAMTRON公司生產(chǎn)的FM24CL64B_G型非易失性鐵電存儲器，具有8個引腳，封裝類型為SOIC，工作電壓介于2．7～3．6 V之間。該型FRAM鐵電存儲器的存儲容量為64 kbit，以高速串行IIC總線進(jìn)行半雙工讀寫，其中SDA與SDL分別為IIC總線的數(shù)據(jù)線與時鐘線，具備8 192個字節(jié)地址，具備支持100 kHz＆400 kHz頻率總線通信的能力，工作溫度為－40～85℃。圖2為鐵電存儲器FM24CL64B_G的引腳分布示意圖。

圖2 鐵電存儲器FM24CL64B的引腳分布示意圖Fig．2 PinoutofFM24CL64B

2．3 存儲器數(shù)據(jù)讀寫系統(tǒng)

讀寫鐵電存儲器FRAM的主控MCU采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AVR系列的Atmega328型單片機，AVR系列單片機采用精簡指令集(RISC)，片內(nèi)所有指令運行周期相同，采用流水線結(jié)構(gòu)編譯，具有效率高的特點。主頻最高可達(dá)20 MHz，具備主/從SPI串行接口和IIC二線串行總線接口，完全勝任鐵電存儲器的讀寫工作，讀寫系統(tǒng)采用Atmel Studio集成開發(fā)環(huán)境。鐵電存儲器通過IIC總線與MCU進(jìn)行通信，MCU通過USB轉(zhuǎn)串行接口模塊與計算機上位機相連，將讀寫數(shù)據(jù)實時反饋到上位機顯示出來。通過編程設(shè)置，存儲器存儲的8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)以每秒10次的速度進(jìn)行刷新并顯示于上位機。圖3為鐵電存儲器讀寫系統(tǒng)原理框圖。

圖3 鐵電存儲器讀寫系統(tǒng)原理框圖Fig．3 FRAM write and read system block diagram

3 輻照實驗

利用飛秒脈沖激光輻照模擬空間高能粒子輻射環(huán)境誘發(fā)鐵電存儲器的單粒子效應(yīng)、電輸出特性及激光輻照區(qū)的熱演化，開展了脈沖激光重復(fù)頻率分別為 1 000，500，333，200，100，50 Hz下垂直輻照鐵電存儲器誘發(fā)單粒子效應(yīng)的實驗測量;并利用紅外熱像儀對鐵電存儲器輻照面的溫度場進(jìn)行了實時測量。在實驗中，將每兩個存儲器設(shè)為一組，對1 000 Hz的脈沖激光源進(jìn)行分頻，在6種重復(fù)頻率的輸出激光下分別進(jìn)行輻照，實驗前對每一個鐵電存儲器以相同的程序?qū)懭霐?shù)據(jù)，實驗分成6組，共進(jìn)行12次。

寫數(shù)據(jù)時，器件地址設(shè)為000，采用單字節(jié)寫入(Single byte write)的方式將數(shù)據(jù)存儲于鐵電存儲器中，高有效字節(jié)地址取0x01，低有效字節(jié)地址取0x10，數(shù)據(jù)字節(jié)取0x95，與上位機交互時串行接口的波特率采用115 200 Bd。在實驗中進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取時，采用二進(jìn)制格式輸出，并采用一個讀周期結(jié)束延時100 ms的方法，達(dá)到每秒10次實時測試存儲器中數(shù)據(jù)的變化情況，并通過判斷語句來檢測數(shù)據(jù)字節(jié)的錯誤。

實驗開始時，由上位機打開串口監(jiān)視器的同時，串口變量發(fā)生變化，控制單片機打開舵機控制的激光快門，使激光垂直輻照于鐵電存儲器上，舵機快門產(chǎn)生的時間誤差已做處理。通過改變脈沖激光的輸出重復(fù)頻率與功率密度、調(diào)整光斑直徑等，記錄首次出現(xiàn)暫態(tài)毀傷的時刻、無數(shù)據(jù)輸出的時刻、永久毀傷的時刻以及無錯誤累積時間等典型時間點，在鐵電存儲器出現(xiàn)永久性毀傷時，結(jié)束實驗。

飛秒脈沖激光器以不同的輻照能量作用于待測鐵電存儲器，紅外熱像儀經(jīng)過在實驗環(huán)境下校正后，置于鐵電存儲器受輻照表面前方與法線方向夾角為30°，用于采集半導(dǎo)體器件正面的輻照溫度，單片機數(shù)據(jù)讀寫系統(tǒng)用于判斷鐵電存儲器的讀寫功能是否出現(xiàn)異常，當(dāng)讀寫功能出現(xiàn)異常時，將異常信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)并對不同的毀傷類型進(jìn)行歸類記錄。圖4為實驗測試系統(tǒng)布局示意圖。

圖4 測試系統(tǒng)布局示意圖Fig．4 Test system layout diagram

4 實驗結(jié)果及分析

4．1 500 Hz激光輸出重復(fù)頻率下的毀傷效應(yīng)與熱演化

圖5為脈沖激光輻照鐵電存儲器的輻照區(qū)域。其中，紅顏色圈定范圍為激光輻照區(qū)域。

以脈沖激光輸出重復(fù)頻率為500 Hz時所采集的實驗數(shù)據(jù)作為典型，分析其輻照溫度場。在脈沖激光輻照區(qū)域1時，高能量密度的激光將以非線性熱傳導(dǎo)的方式作用于鐵電存儲器的表面，熱通量大致呈正態(tài)分布，中心溫度場在0．4 s內(nèi)達(dá)到溫度平緩區(qū)。隨著實驗的進(jìn)行，單片機以每秒10次的頻率對鐵電存儲器進(jìn)行單字節(jié)讀操作，在0．61 s時，上位機的串口數(shù)據(jù)監(jiān)視器出現(xiàn)了第一次存儲數(shù)據(jù)失真。

圖5 脈沖激光輻照鐵電存儲器的輻照區(qū)域。(a)輻照區(qū)域1;(b)輻照區(qū)域2。Fig．5 Irradiation areas of FRAM irradiated by pulsed laser．(a)Irradiation area 1．(b)Irradiation area 2．

隨著實驗的持續(xù)進(jìn)行，輻照時間為1．71 s時，鐵電存儲器的讀出數(shù)據(jù)出現(xiàn)了持續(xù)性的錯誤，并在5個單字節(jié)讀周期后，串口監(jiān)視器停止刷新，此后經(jīng)脈沖激光繼續(xù)輻照5 s后，確認(rèn)該鐵電存儲器試件出現(xiàn)了永久性毀傷。

實驗中對鐵電存儲器首次出現(xiàn)錯誤和永久毀傷出現(xiàn)時刻的串口監(jiān)視器分別截圖。圖6為500 Hz的脈沖激光輻照區(qū)域1過程中實驗首次出現(xiàn)錯誤與永久毀傷出現(xiàn)時刻串口監(jiān)視器的截圖。

根據(jù)首次暫態(tài)毀傷時刻串口數(shù)據(jù)，發(fā)生的數(shù)據(jù)錯誤并沒有持續(xù)進(jìn)行，并且在一次產(chǎn)生錯誤的讀周期后數(shù)據(jù)維持正常，所以可將該錯誤歸結(jié)為單粒子擾動(Single event disturb，SED)［13-15］，由輻射效應(yīng)誘導(dǎo)的單粒子效應(yīng)與熱效應(yīng)同時作用產(chǎn)生，存儲單元的邏輯狀態(tài)發(fā)生瞬時改變，并在下一個讀周期恢復(fù)正常，實際應(yīng)用中也可通過對存儲器重新上電復(fù)位恢復(fù)。在1．71 s時刻，存儲器數(shù)據(jù)出現(xiàn)第二次錯誤，可以初步判定為單個位硬錯誤(Single hard error，SHE)或單粒子功能中斷(Single event function interrupt，SEFI)［13-15］，由于本文實驗沒有采用帶電粒子源作為單粒子效應(yīng)的誘發(fā)載體，僅通過飛秒脈沖激光源的輻射效應(yīng)作用于試件，所以作用FRAM的物理量以激光的熱效應(yīng)與熱應(yīng)力為主，故下文主要采用溫度場數(shù)據(jù)來量化輻射效應(yīng)的作用。

圖6 脈沖激光以500 Hz的輸出重復(fù)頻率輻照區(qū)域1時FRAM首次錯誤與永久毀傷出現(xiàn)時刻串口監(jiān)視器的截圖。(a)首次錯誤;(b)永久毀傷。Fig．6 Screenshot of the serial portmonitor at the time of the firsterror and permanent damage of the FRAM when the pulsed laser is irradiated with the output recurrence frequency of500 Hz．(a)First error．(b)Permanent damage．

圖7 脈沖激光以500 Hz的輸出重復(fù)頻率分別輻照區(qū)域1和區(qū)域2時首次出現(xiàn)暫態(tài)毀傷時刻的三維溫度場分布圖。(a)輻照區(qū)域1;(b)輻照區(qū)域2。Fig．7 Distribution image of three-dimensional temperature field at the instant of transient damage when the pulsed laser is irradiated with the output recurrence frequency of 500 Hz for the first and second regions respectively．(a)Irradiation area 1．(b)Irradiation area 2．

圖8 脈沖激光以500 Hz的輸出重復(fù)頻率分別輻照區(qū)域1和區(qū)域2過程中首次出現(xiàn)暫態(tài)毀傷時刻的二維溫度場的等溫線圖。(a)輻照區(qū)域1;(b)輻照區(qū)域2。Fig．8 Isotherm plot of the two-dimensional temperature field at the instant of transient damage when the pulsed laser is irradiated with the output recurrence frequency of500 Hz for the area1 and area 2 respectively．(a)Irradiation area 1．(b)Irradiation area 2．

在500 Hz脈沖激光輻照下，對紅外熱像儀鏡頭表面建立直角坐標(biāo)系，分別截取兩次實驗中首次出現(xiàn)暫態(tài)毀傷時刻溫度場的二維數(shù)據(jù)，通過MATLAB與Origin處理，繪制出三維溫度場的分布與二維溫度場的等溫線圖。圖7為脈沖激光分別輻照區(qū)域1和區(qū)域2過程中首次出現(xiàn)暫態(tài)毀傷時刻的三維溫度場分布圖。

圖8為脈沖激光分別輻照區(qū)域1和區(qū)域2過程中首次出現(xiàn)暫態(tài)毀傷時刻的二維溫度場等溫線圖。

基于實驗觀察和實驗數(shù)據(jù)處理，可知鐵電存儲器的表面溫度場的紅外溫度基本呈正態(tài)分布。由圖7和圖8可以直觀地看出溫度的分布，由于鐵電存儲器結(jié)構(gòu)的原因出現(xiàn)了輻照區(qū)域2實驗中所示的高溫區(qū)延伸，該物理過程可通過T=f(x，y，t)進(jìn)行描述［16］，某一時刻的溫度梯度可基于實驗數(shù)據(jù)通過grad梯度關(guān)系式進(jìn)行計算。在首次暫態(tài)毀傷出現(xiàn)的時刻，記錄區(qū)域1與區(qū)域2的最高溫度363℃與336℃的水平方向與豎直方向的溫度分布，并繪制出兩者在兩個方向的溫度分布對比圖，如圖9所示。

圖9 脈沖激光以500 Hz的輸出重復(fù)頻率分別輻照區(qū)域1和區(qū)域2過程中首次出現(xiàn)暫態(tài)毀傷時刻最高溫度點的水平與豎直分布。(a)輻照區(qū)域1;(b)輻照區(qū)域2。Fig．9 Horizontaland vertical distribution of the highest temperature point of transient damage moment when the pulsed laser is irradiated with the output recurrence frequency of 500 Hz for the area 1 and area 2 respectively．(a)Irradiation area 1．(b)Irradiation area 2．

在500 Hz典型脈沖激光輻照下，首次暫態(tài)毀傷時刻溫度最高點的水平方向與豎直方向溫度基本遵循正態(tài)分布規(guī)律。

4．2 不同脈沖激光輸出重復(fù)頻率下輻照FRAM誘發(fā)的毀傷效應(yīng)與熱演化

在存儲器底層應(yīng)用中，通過施加電場來讀取鐵電電容器的存儲值。將存儲單元翻轉(zhuǎn)到相反狀態(tài)所需的電荷量，并顯示單元的先前狀態(tài)，意味著讀取操作破壞了存儲單元狀態(tài)，并且必須隨后進(jìn)行相應(yīng)的寫入操作，等待總線的應(yīng)答標(biāo)志位，以便將該位二進(jìn)制值寫回。這個讀取數(shù)據(jù)的過程被破壞，譬如因存儲器宏觀上體現(xiàn)的便是讀寫數(shù)據(jù)的變化或IIC總線通信中失去應(yīng)答或存儲單元失效而不能進(jìn)行下個時序操作，上位機便會顯示異常。鐵電存儲器由于其加工精度達(dá)到深微米數(shù)量級，所以并不能控制激光焦斑精確照射至器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)所在的某一確定的位置，只能依據(jù)存儲器表面1號與8號引腳的中線將存儲器劃分為區(qū)域1和區(qū)域2。在同一頻率輻照實驗中，1、2、3、4號引腳所在區(qū)域定義為區(qū)域1，5、6、7、8號引腳所在的區(qū)域定義為區(qū)域2。表1為不同脈沖激光輸出頻率下輻照鐵電存儲器出現(xiàn)首次暫態(tài)毀傷和永久毀傷的時間節(jié)點。

表1中，X表示存儲器時鐘損壞，無法繼續(xù)刷新;首次暫態(tài)毀傷時刻表示鐵電存儲器讀數(shù)據(jù)時第一次出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤的時刻;無數(shù)據(jù)輸出時刻表示上位機串口監(jiān)視器無正確數(shù)據(jù)刷新開始的時刻，換言之，上位機仍在刷新讀出鐵電存儲器數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)已出現(xiàn)持續(xù)失真;永久毀傷時刻表示上位機停止顯示數(shù)據(jù)的時刻。從表中可以看出，隨著重頻的降低，出現(xiàn)毀傷的時間大致呈現(xiàn)遞減的趨勢，但也有部分特例，由于器件結(jié)構(gòu)工藝，內(nèi)部存在鈍化層、金屬層、有源區(qū)等吸收系數(shù)不同的介質(zhì)層，器件靈敏區(qū)分布不均［17］，輻照區(qū)域存在誤差，導(dǎo)致了激光作用于非靈敏區(qū)域，例如500 Hz重頻條件下，出現(xiàn)毀傷的時間明顯低于1 000 Hz條件下區(qū)域2的毀傷出現(xiàn)時間。圖10為鐵電存儲器在輻照環(huán)境下串口在刷新讀出數(shù)據(jù)時的幾種典型狀態(tài)。

由圖10獲得的數(shù)據(jù)截圖提取部分輻射效應(yīng)對存儲器數(shù)據(jù)讀取的造成典型影響的例子可以看出，串口數(shù)據(jù)截圖10(a)顯示了由于輻射效應(yīng)誘導(dǎo)的單粒子擾動造成串口數(shù)據(jù)出現(xiàn)了瞬時的改變;圖10(b)顯示了存儲器的數(shù)據(jù)讀取在輻射效應(yīng)誘導(dǎo)的單粒子效應(yīng)下的持續(xù)性的數(shù)據(jù)紊亂;圖10(c)則體現(xiàn)了在存儲器讀取時，IIC總線已經(jīng)失去了應(yīng)答能力，讀取的存儲器數(shù)據(jù)皆為0;圖10(d)體現(xiàn)了當(dāng)存儲器時鐘沒有受到損壞時，數(shù)據(jù)已無法讀出，MCU在讀操作過程中僅能實現(xiàn)時鐘信號的交互。結(jié)合表中數(shù)據(jù)，部分實驗是在沒有暫態(tài)毀傷出現(xiàn)時出現(xiàn)永久毀傷的。實驗中出現(xiàn)的短暫的可恢復(fù)性的數(shù)據(jù)失真通常是由單粒子擾動造成;而無數(shù)據(jù)輸出現(xiàn)象出現(xiàn)時，當(dāng)時鐘信號仍然存在時說明存儲器數(shù)據(jù)地址出現(xiàn)了不可逆轉(zhuǎn)的損壞，當(dāng)時鐘信號中斷時，此時的毀傷可以界定為單粒子功能中斷(Single event function interrupt，SEFI)［14-15］。所以可得出結(jié)論，圖10(a)現(xiàn)象的暫態(tài)毀傷具有可恢復(fù)性，其余情況往往具有不可逆轉(zhuǎn)性。

表1 不同脈沖激光輸出重復(fù)頻率下輻照FM 24CL64B_G鐵電存儲器出現(xiàn)首次暫態(tài)毀傷和永久毀傷的時間節(jié)點Tab．1 First transient damage and permanent damage of the FM24CL64B_G at different pulsed laser output recurrence frequencies

圖10 FRAM數(shù)據(jù)讀取時4種典型錯誤狀態(tài)。(a)單粒子翻轉(zhuǎn);(b)單粒子閂鎖;(c)單粒子閂鎖;(d)單粒子閂鎖。Fig．10 Four typical error conditionswhen reading FRAM data．(a)Single event reversal．(b)Single event latch-up．(c)Single event latch-up．(d)Single event latch-up．

通過實驗數(shù)據(jù)采集可以看出，在輻照實驗中，區(qū)域2首次出現(xiàn)暫態(tài)毀傷和永久毀傷的時刻均晚于區(qū)域1。由此可得出結(jié)論:對于FM24CL64B_G型鐵電存儲器，在相同空間輻照環(huán)境下，輻照區(qū)域1比區(qū)域2有更大的毀傷概率。由于激光器的內(nèi)部光路中功率的損耗使激光重復(fù)頻率與平均輸出功率并不是線性關(guān)系，故無法得出重復(fù)頻率與輻射劑量率或溫度場最高溫度的精準(zhǔn)對應(yīng)關(guān)系來解釋重復(fù)頻率與輻照時的極端作用條件的關(guān)系，只能根據(jù)激光功率計進(jìn)行測量。表2為不同激光輸出重復(fù)頻率對應(yīng)的激光平均輸出功率及最高紅外輻射溫度。

根據(jù)不同重復(fù)頻率實驗條件下測量得到的鐵電存儲器表面在輻照區(qū)域1、區(qū)域2的中心溫度場的最高輻射溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)黑體輻射理論中能量通量與輻射頻率的關(guān)系，提出并建立非線性回歸模型用以描述最高溫度與激光輸出重復(fù)頻率的關(guān)系:

表2 不同激光輸出重復(fù)頻率與對應(yīng)激光平均輸出功率、最高紅外輻射溫度Tab．2 Different laser output frequency and corresponding average laser output power，highest infrared radiation temperature

其中，Tn(x)為不同激光輸出重復(fù)頻率下對應(yīng)的作用目標(biāo)位置處的輻射溫度，n=1，2分別代表輻照區(qū)域，其中x為自變量，表示激光輸出頻率;an、bn和cn分別為回歸參數(shù)，且an、bn和cn均大于0?；趯蓚€激光輻照區(qū)域的溫度場的數(shù)據(jù)采集和處理，通過非線性最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。圖11為不同輻照區(qū)域下中心溫度場的最高輻射溫度與激光輸出頻率的擬合關(guān)系曲線。

圖11 不同輻照區(qū)域下中心溫度場的最高溫度與激光輸出重復(fù)頻率的擬合關(guān)系曲線Fig．11 Curve of the fitting relationship between the maximum temperature of the central temperature field and the laser output recurrence frequency under different irradiation areas

通過對回歸參數(shù)的計算和假設(shè)檢驗，在置信度1－α為95%的條件下，激光輻照區(qū)域1與區(qū)域2的最高輻射溫度與激光輸出頻率滿足如下關(guān)系式:

根據(jù)激光輻照區(qū)域溫度場的數(shù)據(jù)采集，在溫度最高的10%中、焦斑中心區(qū)域內(nèi)任意選取一點，由于鐵電存儲器在不同激光輸出頻率下出現(xiàn)永久失效的時間不同，另外，由于數(shù)據(jù)維度的限制，所以只選取了0～6．5 s內(nèi)鐵電存儲器在飛秒脈沖激光輻照下的熱演化過程。圖12為不同輻照區(qū)域下中心溫度場的最高溫度與激光輸出重復(fù)頻率的時程曲線。

圖12 不同輻照區(qū)域下中心溫度場的最高溫度與激光輸出頻率的時程曲線。(a)輻照區(qū)域1;(b)輻照區(qū)域2。Fig．12 Time-history plots of themaximum temperature and the laser output frequency of the central temperature field under different irradiation areas．(a)Irradiation area 1．(b)Irradiation area 2．

由圖12可以看出:當(dāng)激光輸出重復(fù)頻率較高時，焦斑中心區(qū)域的溫度以非常快的速度上升，而后進(jìn)入一個溫度變化平緩的區(qū)域，這個過程基本不超過1 s，而實驗中大部分鐵電存儲器首次出現(xiàn)暫態(tài)毀傷的時刻發(fā)生在小于1 s的時間內(nèi)，主要歸因于飛秒脈沖激光模擬空間輻照時的熱輻射與激光支持爆轟波(Laser-supported detonation wave)帶來的毀傷，并伴有高能帶電粒子對底層存儲單元的破壞。隨著激光輸出重復(fù)頻率的降低，溫度場的中心溫度進(jìn)入溫度平緩區(qū)的耗時逐漸變長［18］。在激光輸出頻率低于200 Hz時，熱輻射與熱應(yīng)力的作用減弱，燒蝕痕跡也逐漸減弱，此時激光輻照誘導(dǎo)的單粒子效應(yīng)對鐵電存儲器存儲單元中鐵電體自發(fā)極化［19］帶來的影響是造成鐵電存儲器讀出數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤的主要原因，故可以看出永久毀傷出現(xiàn)的時間遠(yuǎn)長于激光輸出頻率大于200 Hz的情況。當(dāng)激光頻率低于100 Hz時，由于該型鐵電存儲器工作溫度為－40～85℃，實驗中存儲器表面溫度始終維持在最高工作溫度附近，此時激光使介質(zhì)與器件電離產(chǎn)生的帶電粒子誘導(dǎo)的單粒子效應(yīng)所衍生的總劑量效應(yīng)或許為鐵電存儲器失效的主要原因。圖13為不同輻照區(qū)域下邊緣溫度場的最高溫度與激光輸出頻率的時程曲線(邊緣溫度場采樣點為溫度最低的10%區(qū)域內(nèi)任意定點)。

圖13 不同輻照區(qū)域下邊緣溫度場的溫度與激光輸出頻率的時程曲線。(a)輻照區(qū)域1;(b)輻照區(qū)域2。Fig．13 Time-history plots of temperature and laser output frequency of the lower edge temperature field in different irradiation regions．(a)Irradiation area 1．(b)Irradiation area 2．

由圖13可以看出，邊緣溫度場在小于1 s的輻照時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定變化的狀態(tài)，與中心溫度場溫度演化規(guī)律基本一致，沒有溫度突變現(xiàn)象，故未來鐵電存儲器抗輻射效應(yīng)衍生的熱效應(yīng)防護(hù)加固應(yīng)以中心溫度場最高溫度作為參考閾值。由于實驗條件所限并沒有對電荷量進(jìn)行實驗測量，所以在頻率相對較低的激光輻照實驗條件下，鐵電存儲器工作溫度上限為出現(xiàn)永久失效的臨界條件，但實驗數(shù)據(jù)顯示溫度上限工作條件并不能使存儲器正常工作很久。

5 結(jié) 論

利用飛秒脈沖激光模擬空間高能粒子輻照鐵電存儲器(FRAM)，主要針對不同激光輸出功率、鐵電存儲器不同輻照區(qū)域，開展了飛秒脈沖激光輻照鐵電存儲器誘導(dǎo)的單粒子效應(yīng)和熱演化特征實驗，進(jìn)而為鐵電存儲器在空間輻照環(huán)境中產(chǎn)生的單粒子效應(yīng)和熱演化特征提供數(shù)據(jù)支撐，得出如下結(jié)論:

(1)隨著飛秒脈沖激光脈沖重復(fù)頻率的逐漸降低，使存儲器出現(xiàn)永久毀傷所需要的時間也越長;隨著激光輸出重復(fù)頻率的增大，激光對鐵電存儲器的作用由激光電離存儲器介質(zhì)產(chǎn)生的高能帶電粒子誘導(dǎo)的單粒子效應(yīng)對鐵電體自發(fā)極化的破壞為主，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐詿彷椛渑c熱應(yīng)力誘發(fā)的毀傷;當(dāng)激光在器件表面產(chǎn)生的最高溫度接近存儲器最高工作溫度時，永久毀傷的發(fā)生時間將顯著延長。

(2)通過對回歸參數(shù)的計算和假設(shè)檢驗，給出了回歸參數(shù)的置信度1－α為95%的條件下激光輻照區(qū)域1與區(qū)域2的最高輻射溫度與激光輸出頻率的關(guān)系式。

(3)實驗所得到的飛秒脈沖激光輻照鐵電存儲器誘發(fā)的單粒子效應(yīng)、輻照區(qū)域的熱演化特征以及電輸出特性，將為激光輻照鐵電存儲器誘發(fā)的熱應(yīng)力提供技術(shù)支持。