揚(yáng)帆起航 創(chuàng)抗輻照應(yīng)用技術(shù)新天地

隋麗

宇宙空間中高能帶電粒子與星載微電子集成芯片相互作用產(chǎn)生的單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)等，可使航天器發(fā)生在軌故障，縮短工作壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蔀?zāi)難性后果。隨著集成電路芯片性能的提高、特征尺寸的減小，使得發(fā)生單粒子效應(yīng)所需要的臨界電荷顯著降低，芯片發(fā)生單粒子效應(yīng)的敏感度較之過去明顯增強(qiáng)。統(tǒng)計(jì)資料表明：衛(wèi)星在軌故障中，71%是由空間輻射效應(yīng)引起的，其中單粒子效應(yīng)引起的占55%。我國發(fā)射的航天器也曾發(fā)生因單粒子效應(yīng)而出現(xiàn)異常、造成數(shù)據(jù)傳送中斷的事件，雖未造成災(zāi)難性的后果，但卻因此丟失大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

空間技術(shù)是衡量一個(gè)國家現(xiàn)代化水平和綜合國力的重要標(biāo)志，而其中電子元器件技術(shù)發(fā)展水平是支撐整個(gè)空間應(yīng)用的關(guān)鍵?！吧裰巯盗小陛d人飛船的成功發(fā)射和順利返回以及“嫦娥探月工程”的連續(xù)成功，標(biāo)志著我國已跨入世界航天大國行列。但是我國星用微電子產(chǎn)品的關(guān)鍵器件，尤其是微處理器等大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路仍完全依賴進(jìn)口。隨著國際形勢(shì)的變化、空間競(jìng)爭(zhēng)的加劇，特別是我國載人飛船等的連續(xù)成功，更是引起美國為首的西方國家的重視，加強(qiáng)了對(duì)我國空間使用關(guān)鍵元器件的全面禁運(yùn)，嚴(yán)重制約了我國航天工程等的發(fā)展。

為鞏固國防以及國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)從航天大國到航天強(qiáng)國之間的跨越，國家對(duì)航天事業(yè)提出了更高的要求。今后將要發(fā)射越來越多的新型航天器用于各項(xiàng)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、國民經(jīng)濟(jì)以及國防科技建設(shè)，研制多品種、高性能、高可靠、抗輻照加固集成電路芯片，開展抗輻照技術(shù)，并將相關(guān)技術(shù)方向的工藝裝備國產(chǎn)化研制、研究成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化和推廣應(yīng)用，已成為其中的重大課題，對(duì)于航天科技的快速和健康穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。涉及的技術(shù)包括：

地面模擬試驗(yàn)技術(shù)研究：輻射場(chǎng)生成技術(shù)研究、輻射效應(yīng)模擬試驗(yàn)技術(shù)研究、輻照效應(yīng)試驗(yàn)理論模擬技術(shù)研究、輻照實(shí)驗(yàn)新技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)。

輻射效應(yīng)測(cè)試技術(shù)研究：輻射環(huán)境參數(shù)、材料結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)器件輻射效應(yīng)的影響研究、輻射效應(yīng)敏感參數(shù)在線及離線測(cè)試方法研究、復(fù)雜集成電路輻射效應(yīng)的故障注入技術(shù)與故障分析技術(shù)。

加固性能評(píng)估技術(shù)：材料抗輻射加固評(píng)估技術(shù)、器件抗輻射加固評(píng)估技術(shù)、系統(tǒng)應(yīng)用加固效果評(píng)估試驗(yàn)技術(shù)。

加固技術(shù)機(jī)理研究：效應(yīng)物理機(jī)制、加固技術(shù)驗(yàn)證方法、加固技術(shù)方法研究、抗輻射加固機(jī)制研究、抗輻射加固方法試驗(yàn)驗(yàn)證。

抗輻照技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，從航天航空至核能核電、民用交通、高性能計(jì)算機(jī)、生物醫(yī)學(xué)等高可靠行業(yè)都需要利用地面核設(shè)備進(jìn)行抗輻射效應(yīng)測(cè)試。

歐洲抗輻射相關(guān)的技術(shù)中心最早可以追溯到上世紀(jì)六十年代，歐洲太空局（ESA）類似于美國聯(lián)邦航空航天局（NASA）、俄羅斯聯(lián)邦航天局（RKA）。截止到2012年，ESA有20個(gè)會(huì)員國，ESA委員會(huì)負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)的政策制定和相關(guān)管理工作。ESA致力于提供和推動(dòng)歐洲各國空間研究和技術(shù)的合作。ESA下屬的歐洲空間研究和技術(shù)中心（ESTEC）主要負(fù)責(zé)抗輻射相關(guān)的管理和研究工作。ESTEC下屬的歐洲輻照裝置聯(lián)合體（ECIF）則主要負(fù)責(zé)輻射源和輻射實(shí)驗(yàn)相關(guān)工作。

ECIF的歷史起源于1980年代，該系統(tǒng)利用了Cf-252和Am-241源，并開展了一些輻照試驗(yàn)研究。ESTEC后來在1988年建成了Gamma beam 150C的Co-60源，該裝置一直沿用至今。源的初始強(qiáng)度是2040Ci，半衰期是5.3年，至今已經(jīng)更換過幾次。目前ECIF與瑞士PIF、比利時(shí)HIF、芬蘭RADEF等3大輻射實(shí)驗(yàn)終端簽約合作協(xié)議，統(tǒng)籌組織和執(zhí)行ESA相關(guān)的抗輻射實(shí)驗(yàn)。ECIF還研制了標(biāo)準(zhǔn)SEU監(jiān)督器、技術(shù)示范單元（TMD）等具有國際影響力的輻射產(chǎn)品，為不同輻射源實(shí)驗(yàn)對(duì)比、空間實(shí)測(cè)一地面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性研究提供了開創(chuàng)性的研究方法和技術(shù)手段。

ECIF的第一個(gè)主要試驗(yàn)裝置是瑞士Villigen的Paul Scherrer研究院的質(zhì)子輻照裝置（Proton Irradiation Facility，PIF）。該裝置于1992年與ESA簽署合作協(xié)議。PIF可以提供10-60MeV的低能質(zhì)子束流和30-250MeV的高能質(zhì)子束流。ECIF的第二個(gè)主要試驗(yàn)裝置是比利時(shí)Universit é Catholique de Louvain （UCL）的重離子裝置（HIF）。該裝置于1996年成為ESA的合作實(shí)驗(yàn)室。HIF的一個(gè)有意思的地方是可以提供含有2種離子雞尾酒似的束流——一個(gè)高LET雞尾酒和一個(gè)高剝離態(tài)雞尾酒離子。ECIF的第三個(gè)主要試驗(yàn)裝置是芬蘭Jyvaskyla的輻射效應(yīng)裝置Radiation Effects Facility （RADEF）。該裝置于2005年通過ECIF成為ESA簽約裝置。隨著集成度和封裝技術(shù)進(jìn)步，現(xiàn)代先進(jìn)半導(dǎo)體器件重離子試驗(yàn)時(shí)需要通過背部進(jìn)行輻照，因此通常要求離子具有大的射程。RADEF的特點(diǎn)就是離子能量高、射程長(zhǎng)，能適應(yīng)上述要求。

2005年起，ECIF開展了標(biāo)準(zhǔn)SEU監(jiān)控系統(tǒng)研究，該系統(tǒng)主要用于校準(zhǔn)不同加速器源的束流。系統(tǒng)采用了ATMEL公司的AT60142F SRAM，尺寸6.1mm×11.2mm。因?yàn)樵撓到y(tǒng)在束流監(jiān)控方面的優(yōu)勢(shì)，該系統(tǒng)很快在世界范圍應(yīng)用起來，成為輻照源一致性對(duì)比和校準(zhǔn)的通用方法。

2008年起，ECIF開展了技術(shù)示范單位（TDM）研究，該研究涵蓋一系列輻射效應(yīng)試驗(yàn)，并致力于探索和分析地面、飛行數(shù)據(jù)的差異。TDM包括了4個(gè)不同的輻射效應(yīng)試驗(yàn)——標(biāo)準(zhǔn)SEU監(jiān)控系統(tǒng)中的SEUs（4個(gè)SRAM器件）、單粒子鎖定（4個(gè)不同的SRAM器件）、飛行技術(shù)示范（in-flight technology demonstration）8Gbit FLASH存儲(chǔ)器、總劑量效應(yīng)測(cè)量，雇用RADFET完成。

隨著綜合國力的提高，我國航天事業(yè)得到快速發(fā)展，“載人航天”“探月工程”等的連續(xù)成功，標(biāo)志著我國已進(jìn)入世界航天大國的行列。有必要建立與我國地位相適應(yīng)的、國際領(lǐng)先的、完備的抗輻射應(yīng)用技術(shù)體系，建立良好的機(jī)制和完善的設(shè)備設(shè)施，建立擁有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的宇航工程服務(wù)平臺(tái)。器件抗輻照能力能否滿足型號(hào)工程要求，其判別標(biāo)準(zhǔn)只能是地面模擬試驗(yàn)結(jié)果。由于技術(shù)敏感等原因，此類試驗(yàn)不可能拿到國外去做，因此必須要依賴國內(nèi)自身綜合地面模擬試驗(yàn)條件。因此使用抗輻射加固器件，是確保我國核心綜合電子信息系統(tǒng)遂行既定任務(wù)和提高運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵。

中國原子能科學(xué)研究院具有加速器、反應(yīng)堆和鈷源房，是國內(nèi)輻照設(shè)施最為完善的、核學(xué)科門類最為齊全的綜合性研究院，并已在HI-13串列加速器和100MeV質(zhì)子回旋加速器上開展了大量的以航天應(yīng)用為背景的抗輻射地面模擬試驗(yàn)工作，承擔(dān)了國內(nèi)大部分單粒子效應(yīng)輻照評(píng)估試驗(yàn)任務(wù)，為提高我國航天抗輻射技術(shù)水平作出了重要的貢獻(xiàn)。航天五院是我國航天元器件抗輻射保證的承擔(dān)單位和責(zé)任單位，承擔(dān)了各類軍用和民用衛(wèi)星、載人飛船、空間站用元器件可靠性與質(zhì)量保證工作，承擔(dān)型號(hào)用關(guān)鍵器件抗輻射保證工作。裝發(fā)21所具有鈷源房和反應(yīng)堆，開展了效應(yīng)測(cè)試技術(shù)和效應(yīng)機(jī)理研究工作，均取得了很好的效果。

國防科技工業(yè)局以習(xí)近平總書記提出的著力推進(jìn)核心電子元器件等新興戰(zhàn)略安全領(lǐng)域軍民融合發(fā)展要求為指引，在2017年3月20日，批復(fù)設(shè)立了以中國原子能科學(xué)研究院為主依托單位、以航天五院和裝發(fā)21所為依托單位的先進(jìn)制造類國防科技工業(yè)抗輻照應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心（以下簡(jiǎn)稱“抗輻照中心”）。中心依據(jù)國防科工局的要求，大力實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略和軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略，著力增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，著力提升創(chuàng)新體系效能，著力優(yōu)化協(xié)同創(chuàng)新環(huán)境，努力把抗輻照應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心打造成國家科技創(chuàng)新高地和高端創(chuàng)新人才高地。并將建設(shè)成為國內(nèi)頂級(jí)、國際一流的空間抗輻照技術(shù)單位為目標(biāo)，著眼于已有基礎(chǔ).深入發(fā)掘未來材料及微電子器件抗輻照應(yīng)用及相關(guān)技術(shù)前沿科學(xué)熱點(diǎn)。

自2017年11月18日成立以來，抗輻照中心致力于制度建設(shè)和創(chuàng)新，組建了理事會(huì)、專家委員會(huì)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大組織機(jī)構(gòu)。通過定期協(xié)商、信息共享、合作研究等方式破解了不同類型單位空間上的藩籬和阻礙，并注重跨行業(yè)交流，通過積極的聯(lián)系和合作，吸納了包括科研院所、大學(xué)、公司等類型法人成為中心有機(jī)的組成體，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研一體。在協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制方面，中心以“謀方向、謀發(fā)展”為出發(fā)點(diǎn)，通過“出問題、出建議、出規(guī)劃”，統(tǒng)籌和促進(jìn)各理事單位協(xié)商，凝聚共識(shí)，共建共享，做到開放共贏;圍繞創(chuàng)新和應(yīng)用技術(shù)打造創(chuàng)新中心平臺(tái)，通過發(fā)展規(guī)劃、資源協(xié)同、創(chuàng)新孵化、技術(shù)開發(fā)、成果推介、學(xué)術(shù)交流和人才培養(yǎng)等多個(gè)方面，積極協(xié)作開展前沿技術(shù)研究以及后續(xù)的科技成果轉(zhuǎn)化，建立協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制;致力于圍繞抗輻照行業(yè)的熱點(diǎn)以及技術(shù)的短板，整合抗輻射加固的一些單項(xiàng)的技術(shù)、方法、儀器和材料的需求，凝聚各單位實(shí)力，共同策劃創(chuàng)新型項(xiàng)目，爭(zhēng)取成立抗輻射加固芯片的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。

抗輻照中心還注重協(xié)同創(chuàng)新，自籌經(jīng)費(fèi)面向國內(nèi)外研究單位發(fā)布了具有行業(yè)引領(lǐng)作用的2018年創(chuàng)新基金指南，明確指出，創(chuàng)新基金的定位為：開展抗輻照應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略研究，強(qiáng)化科技創(chuàng)新;針對(duì)新材料、新器件、新技術(shù)中出現(xiàn)的新現(xiàn)象、新機(jī)制等開展新原理、新方法研究，探索未來技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，激活原始創(chuàng)新能力;進(jìn)行工藝裝備的國產(chǎn)化研制及應(yīng)用示范，實(shí)現(xiàn)科技成果的轉(zhuǎn)化及應(yīng)用。資助方向則緊緊圍繞抗輻照中心的四個(gè)研究方向，即地面模擬試驗(yàn)技術(shù)、輻射效應(yīng)測(cè)試技術(shù)、加固性能評(píng)估技術(shù)、效應(yīng)物理機(jī)制及加固技術(shù)機(jī)理。這為培育優(yōu)秀、創(chuàng)新的科研成果提供了良好的平臺(tái)。

此外，為促進(jìn)科技創(chuàng)新和行業(yè)發(fā)展，為抗輻照應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的同仁們提供地面模擬試驗(yàn)技術(shù)、輻射效應(yīng)測(cè)試技術(shù)、加固性能評(píng)估技術(shù)、加固技術(shù)機(jī)理等方面的學(xué)習(xí)交流平臺(tái)，抗輻照中心還推出了抗輻照應(yīng)用技術(shù)高級(jí)培訓(xùn)班，邀請(qǐng)了國內(nèi)外行業(yè)內(nèi)知名專家授課，從行業(yè)的各個(gè)角度帶領(lǐng)學(xué)員們乘坐微電子器件的飛船，從微觀的原子核出發(fā)，遨游在宏觀的宇宙空間，給學(xué)員們帶來了學(xué)術(shù)的盛會(huì)和思想的盛宴，在極大程度上促進(jìn)了我國抗輻照專業(yè)技術(shù)人員與國外同行之間的學(xué)術(shù)交流，對(duì)我國抗輻照應(yīng)用技術(shù)深入發(fā)展、引領(lǐng)國際潮流具有重要的推進(jìn)作用。

抗輻照中心將繼續(xù)致力于整合國內(nèi)各單位優(yōu)勢(shì)資源，通過解放思想、加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同、創(chuàng)新運(yùn)行管理機(jī)制，建立協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制，實(shí)現(xiàn)合作共贏，打造抗輻照應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的國家科技創(chuàng)新和高端創(chuàng)新人才高地，形成軍民兼用、跨行業(yè)、跨學(xué)科的國防科技工業(yè)抗輻照應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)，成為國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)的抗輻照技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)中心、技術(shù)交流及培訓(xùn)專業(yè)平臺(tái)，推動(dòng)抗輻照技術(shù)行業(yè)整體進(jìn)步。我們期待著中國抗輻照應(yīng)用技術(shù)美好的明天！