摘要

核輻射檢測儀在核能技術(shù)、航天工程、工業(yè)控制以及核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，其核心部件微控制單元（MCU）在高能粒子輻照環(huán)境下的可靠性直接影響系統(tǒng)的性能和安全性。本文以國科安芯推出的AS32S601ZIT2型MCU芯片為例，綜述了其質(zhì)子單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)以及脈沖激光試驗的研究進(jìn)展，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和試驗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了其抗輻照性能特點及其在高輻射環(huán)境中的應(yīng)用前景。

1. 引言

1.1 研究背景

隨著核能技術(shù)的快速發(fā)展，核輻射檢測儀在核電站、衛(wèi)星通信、工業(yè)自動化以及核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。核輻射檢測儀的核心部件——微控制單元（MCU），在高能粒子輻照環(huán)境下需要具備良好的抗輻照性能，以確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。核輻射環(huán)境中的高能粒子會對芯片造成單粒子效應(yīng)（Single Event Effects, SEE）和總劑量效應(yīng)（Total Ionizing Dose, TID），這兩種效應(yīng)對芯片的性能和壽命具有顯著影響。因此，研究MCU芯片的抗輻照性能，評估其在高輻射環(huán)境中的適用性，已成為核電子學(xué)領(lǐng)域的重要課題。

1.2 研究意義

在商業(yè)航天、核電站、核醫(yī)學(xué)等高輻射環(huán)境中，MCU芯片的抗輻照性能直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性和安全性。例如，在商業(yè)航天領(lǐng)域，衛(wèi)星控制系統(tǒng)需要在太空高能粒子環(huán)境下長期穩(wěn)定運行；在核電站中，輻射監(jiān)測系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)需要實時準(zhǔn)確地監(jiān)測輻射水平并做出響應(yīng)。因此，開發(fā)高抗輻照性能的MCU芯片，不僅能夠提高系統(tǒng)的可靠性，還能降低因芯片失效導(dǎo)致的維護(hù)成本和安全風(fēng)險。

1.3 研究目標(biāo)與方法

本文通過綜述AS32S601ZIT2型MCU芯片的抗輻照性能試驗研究進(jìn)展，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和試驗數(shù)據(jù)，分析其抗輻照性能特點及其應(yīng)用前景。文章首先介紹了核輻射對MCU芯片的影響機制，隨后對AS32S601ZIT2型MCU芯片的抗輻照設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并通過質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗、總劑量效應(yīng)試驗和單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗驗證了其抗輻照能力，最后對其在高輻射環(huán)境中的應(yīng)用前景進(jìn)行了深入分析。

2. 核輻射對MCU芯片的影響機制

2.1 單粒子效應(yīng)（SEE）

單粒子效應(yīng)是由單個高能粒子（如質(zhì)子、重離子或中子）擊中芯片敏感區(qū)域引起的瞬態(tài)或永久性故障。根據(jù)效應(yīng)類型，SEE可分為以下幾種：

2.1.1 單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）

SEU是指存儲單元的瞬態(tài)數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)，通常由高能粒子擊中存儲單元的敏感區(qū)域引起。這種效應(yīng)可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤，進(jìn)而影響系統(tǒng)的正常運行。例如，在衛(wèi)星通信中，SEU可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯誤，影響地面站對接收數(shù)據(jù)的解讀。

2.1.2 單粒子鎖定（SEL）

SEL是指芯片電流急劇上升，可能導(dǎo)致芯片損壞甚至燒毀。這種效應(yīng)通常由高能粒子擊中芯片的電源或地線引腳引起，導(dǎo)致芯片內(nèi)部出現(xiàn)局部短路。SEL的發(fā)生可能直接導(dǎo)致芯片失效，需要通過復(fù)位或更換芯片來恢復(fù)系統(tǒng)功能。

2.1.3 單粒子燒毀（SEB）

SEB是指芯片局部過熱導(dǎo)致永久性損壞。這種效應(yīng)通常由高能粒子擊中芯片的敏感區(qū)域，引發(fā)局部電流劇增，導(dǎo)致芯片材料熔化或燒毀。SEB的發(fā)生將導(dǎo)致芯片永久失效，無法通過復(fù)位恢復(fù)功能。

2.2 總劑量效應(yīng)（TID）

總劑量效應(yīng)是由累積的電離輻射對芯片材料造成損傷而引起的性能退化。TID可能導(dǎo)致以下問題：

2.2.1 漏電流增加

輻射導(dǎo)致芯片絕緣層陷阱電荷增加，漏電流上升。漏電流的增加不僅會增加芯片的功耗，還可能導(dǎo)致芯片溫度升高，進(jìn)一步加劇性能退化。

2.2.2 閾值電壓偏移

輻射引起的電荷累積改變晶體管的閾值電壓，導(dǎo)致晶體管的開關(guān)特性發(fā)生改變。閾值電壓的偏移可能使芯片的邏輯功能出現(xiàn)異常，影響系統(tǒng)的正常運行。

2.2.3 晶體管遷移率下降

輻射損傷導(dǎo)致載流子遷移率降低，晶體管的導(dǎo)電性能下降。遷移率的下降將導(dǎo)致芯片的性能下降，例如工作頻率降低、響應(yīng)時間延長等。

2.2.4 芯片功能失效

在嚴(yán)重情況下，TID可能導(dǎo)致芯片無法正常工作。例如，存儲單元的損壞可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，邏輯單元的損壞可能導(dǎo)致功能異常。

3. AS32S601ZIT2型MCU芯片抗輻照設(shè)計

3.1 芯片概述

AS32S601ZIT2型MCU是國科安芯推出的一款基于32位RISC-V指令集的高性能芯片，專為商業(yè)航天和高安全需求場景設(shè)計。該芯片采用LQFP144封裝形式，具備以下特點：

高性能 ：工作頻率高達(dá)180MHz，支持多種通信接口（SPI、CAN、USART等）；

大容量存儲 ：內(nèi)置512KiB SRAM、512KiB D-Flash及2MiB P-Flash，均帶ECC校驗；

低功耗 ：支持多種低功耗模式，適合長期運行；

高可靠性 ：符合AEC-Q100 Grade1認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，具備優(yōu)異的抗輻照性能。

3.2 抗輻照設(shè)計技術(shù)

AS32S601ZIT2型MCU采用了多項抗輻照技術(shù)以提高其在高輻射環(huán)境下的可靠性：

3.2.1 ECC校驗

ECC（Error-Correcting Code）校驗是一種用于檢測和糾正存儲單元數(shù)據(jù)錯誤的技術(shù)。在高能粒子輻照環(huán)境下，ECC校驗?zāi)軌蛴行z測并糾正單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）引起的瞬態(tài)數(shù)據(jù)錯誤，從而提高芯片的可靠性。AS32S601ZIT2型MCU在內(nèi)置存儲單元中采用了ECC校驗技術(shù)，確保數(shù)據(jù)存儲和傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.2.2 冗余設(shè)計

冗余設(shè)計是一種通過增加備用電路或模塊來提高系統(tǒng)可靠性的技術(shù)。AS32S601ZIT2型MCU在內(nèi)部電源模塊和關(guān)鍵邏輯單元中采用了冗余設(shè)計。當(dāng)主電路或模塊因輻射損傷失效時，冗余電路或模塊能夠迅速接管工作，確保系統(tǒng)的正常運行。

3.2.3 硬件加密模塊

硬件加密模塊是一種用于提高數(shù)據(jù)安全性的技術(shù)。AS32S601ZIT2型MCU支持多種加密算法，包括AES、SM2/3/4及TRNG。這些加密算法不僅能夠保護(hù)數(shù)據(jù)的機密性，還能防止因輻射引起的錯誤數(shù)據(jù)被誤用。

3.2.4 低功耗模式

低功耗模式是一種通過降低芯片功耗來提高其抗輻照能力的技術(shù)。AS32S601ZIT2型MCU支持多種低功耗模式，包括睡眠模式、深度睡眠模式等。在低功耗模式下，芯片的功耗顯著降低，從而減少了輻射對芯片的影響。

3.2.5 抗輻照加固材料

抗輻照加固材料是一種通過改進(jìn)半導(dǎo)體材料的制備工藝來提高其抗輻照能力的技術(shù)。AS32S601ZIT2型MCU采用了抗輻照加固的半導(dǎo)體材料，減少了輻射對芯片的損傷，提高了芯片的抗輻照能力。

4. 抗輻照性能試驗研究

4.1 質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗

4.1.1 試驗?zāi)康呐c方法

質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗旨在評估AS32S601ZIT2型MCU在100MeV能量、1e7注量率下的抗單粒子效應(yīng)能力。試驗采用質(zhì)子加速器對芯片進(jìn)行輻照，并實時監(jiān)測芯片的功能和電流變化。試驗條件如下：

質(zhì)子能量 ：100MeV；

注量率 ：1e7 cm?2s?1；

總注量 ：1e10 cm?2；

試驗環(huán)境 ：室溫（15℃~35℃），相對濕度20%~80%。

試驗過程中，芯片被放置在質(zhì)子束路徑上，通過控制質(zhì)子束的能量和注量率，模擬高能粒子輻照環(huán)境。同時，使用示波器和電流探頭實時監(jiān)測芯片的功能和電流變化，以檢測是否發(fā)生單粒子效應(yīng)。

4.1.2 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果顯示，在100MeV質(zhì)子輻照下，芯片未出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)或鎖定現(xiàn)象。試驗后，芯片功能正常，性能參數(shù)未發(fā)生變化。根據(jù)試驗結(jié)果，AS32S601ZIT2型MCU在質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻照能力，未出現(xiàn)功能異常或性能退化。這表明芯片的抗輻照設(shè)計能夠有效抵御高能質(zhì)子的輻照影響。

4.2 總劑量效應(yīng)試驗

4.2.1 試驗?zāi)康呐c方法

總劑量效應(yīng)試驗旨在評估AS32S601ZIT2型MCU在鈷60γ射線輻照下的抗總劑量能力。試驗在室溫條件下進(jìn)行，輻照劑量為150krad(Si)，注量率為25rad(Si)/s。試驗條件如下：

輻照源 ：鈷60γ射線；

輻照劑量 ：150krad(Si)；

注量率 ：25rad(Si)/s；

試驗環(huán)境 ：室溫（24℃±6℃），相對濕度20%~80%。

試驗過程中，芯片被放置在輻照腔內(nèi)，通過控制輻照劑量和劑量率，模擬長期累積的電離輻射環(huán)境。同時，定期對芯片進(jìn)行功能測試和性能參數(shù)測量，以評估輻照對芯片的影響。

4.2.2 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果顯示，AS32S601ZIT2型MCU在150krad(Si)總劑量輻照下功能正常，未出現(xiàn)性能退化現(xiàn)象。工作電流從135mA略微下降至132mA，但仍滿足設(shè)計要求。根據(jù)試驗結(jié)果，該芯片的抗總劑量能力大于150krad(Si)，能夠滿足商業(yè)航天級應(yīng)用需求。這表明芯片的抗輻照設(shè)計能夠有效抵御累積電離輻射的影響。

4.3 單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗

4.3.1 試驗?zāi)康呐c方法

單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗通過模擬高能粒子對芯片的輻照效應(yīng)，評估AS32S601ZIT2型MCU的抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力。試驗采用皮秒脈沖激光器，設(shè)定LET值范圍為5-75MeV·cm2/mg。試驗條件如下：

激光能量范圍 ：120pJ~1830pJ；

LET值范圍 ：5-75MeV·cm2/mg；

注量率 ：1e7 cm?2；

試驗環(huán)境 ：室溫（24℃），相對濕度42%。

試驗過程中，激光束通過光學(xué)系統(tǒng)聚焦到芯片表面，模擬高能粒子的輻照效應(yīng)。同時，使用示波器和電流探頭實時監(jiān)測芯片的功能和電流變化，以檢測是否發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)。

4.3.2 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果顯示，AS32S601ZIT2型MCU的抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力達(dá)到75MeV·cm2/mg，能夠滿足商業(yè)航天級應(yīng)用需求。這表明芯片的抗輻照設(shè)計能夠有效抵御高能粒子引起的瞬態(tài)故障。

5.應(yīng)用前景分析

5.1 商業(yè)航天領(lǐng)域

在商業(yè)航天領(lǐng)域，衛(wèi)星控制系統(tǒng)、信號處理單元以及數(shù)據(jù)傳輸模塊均需要高抗輻照能力的MCU芯片。AS32S601ZIT2型MCU憑借其優(yōu)異的抗輻照性能和高可靠性，適用于以下場景：

5.1.1 衛(wèi)星姿態(tài)控制

衛(wèi)星姿態(tài)控制是確保衛(wèi)星在軌道上穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)。AS32S601ZIT2型MCU的高工作頻率和低功耗特性使其能夠高效處理姿態(tài)控制算法，確保衛(wèi)星的精確姿態(tài)調(diào)整。例如，在低地球軌道（LEO）衛(wèi)星中，芯片需要在高能粒子環(huán)境下長期穩(wěn)定運行，以支持衛(wèi)星的通信和遙感任務(wù)。

5.1.2 星載數(shù)據(jù)處理

星載數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)處理和傳輸衛(wèi)星采集的數(shù)據(jù)。AS32S601ZIT2型MCU內(nèi)置大容量存儲單元和ECC校驗技術(shù)，能夠確保數(shù)據(jù)存儲和傳輸?shù)目煽啃浴＠纾诘厍蜢o止軌道（GEO）衛(wèi)星中，芯片需要處理大量的遙感數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)降孛嬲?，確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

5.1.3 通信模塊

衛(wèi)星通信模塊需要在高能粒子環(huán)境下穩(wěn)定運行，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴S32S601ZIT2型MCU支持多種通信接口（如CAN、SPI、USART），能夠滿足衛(wèi)星通信的需求。例如，在衛(wèi)星與地面站之間的數(shù)據(jù)傳輸中，芯片需要具備高抗輻照能力，以防止數(shù)據(jù)傳輸錯誤。

5.2 核電站領(lǐng)域

核電站中的輻射監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及安全保護(hù)系統(tǒng)對MCU芯片的抗輻照能力提出了嚴(yán)格要求。AS32S601ZIT2型MCU在核電站中的潛在應(yīng)用包括：

5.2.1 輻射監(jiān)測

輻射監(jiān)測系統(tǒng)需要實時準(zhǔn)確地監(jiān)測核電站內(nèi)的輻射水平。AS32S601ZIT2型MCU的高靈敏度和抗輻照能力使其能夠準(zhǔn)確監(jiān)測輻射水平，并及時發(fā)出警報。例如，在核反應(yīng)堆的輻射監(jiān)測中，芯片需要在高輻射環(huán)境下長期穩(wěn)定運行，以確保核電站的安全運行。

5.2.2 控制系統(tǒng)

核電站的控制系統(tǒng)需要在高輻射環(huán)境下穩(wěn)定運行，以確保核反應(yīng)堆的安全運行。AS32S601ZIT2型MCU的高可靠性和低功耗特性適用于核電站的自動化控制系統(tǒng)。例如，在核反應(yīng)堆的溫度、壓力和流量控制中，芯片需要具備高抗輻照能力，以防止因輻射引起的控制誤差。

5.2.3 安全保護(hù)系統(tǒng)

安全保護(hù)系統(tǒng)需要在緊急情況下迅速響應(yīng)，以防止核事故的發(fā)生。AS32S601ZIT2型MCU的硬件加密模塊和冗余設(shè)計能夠提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。例如，在核反應(yīng)堆的緊急停堆系統(tǒng)中，芯片需要具備高抗輻照能力，以確保在極端條件下的可靠運行。

5.3 核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

核醫(yī)學(xué)中的放射性藥物制備設(shè)備和診斷儀器需要高抗輻照能力的MCU芯片以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和設(shè)備安全性。AS32S601ZIT2型MCU在核醫(yī)學(xué)中的潛在應(yīng)用包括：

5.3.1 放射性藥物制備

放射性藥物制備設(shè)備需要在高輻射環(huán)境下穩(wěn)定運行，以確保藥物的質(zhì)量和安全性。AS32S601ZIT2型MCU的高抗輻照能力和精確控制能力適用于藥物制備過程。例如，在正電子發(fā)射斷層掃描（PET）藥物制備中，芯片需要在高輻射環(huán)境下控制藥物的合成和純化過程，確保藥物的質(zhì)量和安全性。

5.3.2 診斷儀器

核醫(yī)學(xué)診斷儀器需要在高輻射環(huán)境下穩(wěn)定運行，以確保診斷數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。AS32S601ZIT2型MCU的高性能和低功耗特性使其能夠高效處理診斷數(shù)據(jù)。例如，在單光子發(fā)射計算機斷層掃描（SPECT）中，芯片需要處理大量的圖像數(shù)據(jù)，并將其重建為三維圖像，以支持醫(yī)生的診斷決策。

5.4 工業(yè)自動化領(lǐng)域

在工業(yè)自動化領(lǐng)域，高能粒子加速器控制系統(tǒng)、工業(yè)機器人等設(shè)備需要高抗輻照能力的MCU芯片以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。AS32S601ZIT2型MCU在工業(yè)自動化中的潛在應(yīng)用包括：

5.4.1 高能粒子加速器控制

高能粒子加速器需要在高輻射環(huán)境下穩(wěn)定運行，以確保實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。AS32S601ZIT2型MCU的高抗輻照能力和精確控制能力適用于加速器的運行管理。例如，在同步輻射光源中，芯片需要控制加速器的磁場和射頻系統(tǒng)，確保電子束的穩(wěn)定運行。

5.4.2 工業(yè)機器人控制

工業(yè)機器人需要在高輻射環(huán)境下穩(wěn)定運行，以確保生產(chǎn)過程的自動化和高效化。AS32S601ZIT2型MCU的高性能和低功耗特性使其能夠高效處理機器人控制算法。例如，在核廢料處理機器人中，芯片需要在高輻射環(huán)境下控制機器人的運動和操作，確保核廢料的安全處理。

6.結(jié)論

本文綜述了AS32S601ZIT2型MCU芯片在核輻射環(huán)境中的抗輻照性能研究進(jìn)展。通過質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗、總劑量效應(yīng)試驗及單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗，驗證了其在高輻射環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性。

審核編輯 黃宇