摘要

核輻射檢測(cè)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(guó)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(yàn)的研究進(jìn)展，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了其抗輻照性能特點(diǎn)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(cè)儀在核電站、衛(wèi)星通信、工業(yè)自動(dòng)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(cè)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(huì)對(duì)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(duì)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(píng)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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；在核電站中，輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)輻射水平并做出響應(yīng)。因此，開(kāi)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(xiǎn)。

1.3 研究目標(biāo)與方法

本文通過(guò)綜述AS32S601ZIT2型MCU芯片的抗輻照性能試驗(yàn)研究進(jìn)展，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析其抗輻照性能特點(diǎn)及其應(yīng)用前景。文章首先介紹了核輻射對(duì)MCU芯片的影響機(jī)制，隨后對(duì)AS32S601ZIT2型MCU芯片的抗輻照設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并通過(guò)質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)、總劑量效應(yīng)試驗(yàn)和單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)驗(yàn)證了其抗輻照能力，最后對(duì)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(duì)MCU芯片的影響機(jī)制

2.1 單粒子效應(yīng)（SEE）

單粒子效應(yīng)是由單個(gè)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(chǔ)單元的瞬態(tài)數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)，通常由高能粒子擊中存儲(chǔ)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(cuò)誤，進(jìn)而影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。例如，在衛(wèi)星通信中，SEU可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，影響地面站對(duì)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(guò)復(fù)位或更換芯片來(lái)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(guò)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(wú)法通過(guò)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(duì)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(wèn)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(huì)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(kāi)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(yùn)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(shí)間延長(zhǎng)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(wú)法正常工作。例如，存儲(chǔ)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(jì)

3.1 芯片概述

AS32S601ZIT2型MCU是國(guó)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(chǎng)景設(shè)計(jì)。該芯片采用LQFP144封裝形式，具備以下特點(diǎn)：

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(chǔ) ：內(nèi)置512KiB SRAM、512KiB D-Flash及2MiB P-Flash，均帶ECC校驗(yàn)；

低功耗 ：支持多種低功耗模式，適合長(zhǎng)期運(yùn)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(jì)技術(shù)

AS32S601ZIT2型MCU采用了多項(xiàng)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(yàn)

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

3.2.2 冗余設(shè)計(jì)

冗余設(shè)計(jì)是一種通過(guò)增加備用電路或模塊來(lái)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(jì)。當(dāng)主電路或模塊因輻射損傷失效時(shí)，冗余電路或模塊能夠迅速接管工作，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)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(jī)密性，還能防止因輻射引起的錯(cuò)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(guò)降低芯片功耗來(lái)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(duì)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(guò)改進(jìn)半導(dǎo)體材料的制備工藝來(lái)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(duì)芯片的損傷，提高了芯片的抗輻照能力。

4. 抗輻照性能試驗(yàn)研究

4.1 質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)

4.1.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c方法

質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)旨在評(píng)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(yàn)采用質(zhì)子加速器對(duì)芯片進(jìn)行輻照，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)芯片的功能和電流變化。試驗(yàn)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(yàn)環(huán)境 ：室溫（15℃~35℃），相對(duì)濕度20%~80%。

試驗(yàn)過(guò)程中，芯片被放置在質(zhì)子束路徑上，通過(guò)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(shí)，使用示波器和電流探頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)芯片的功能和電流變化，以檢測(cè)是否發(fā)生單粒子效應(yīng)。

4.1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)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(yàn)后，芯片功能正常，性能參數(shù)未發(fā)生變化。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，AS32S601ZIT2型MCU在質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻照能力，未出現(xiàn)功能異?；蛐阅芡嘶＿@表明芯片的抗輻照設(shè)計(jì)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(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c方法

總劑量效應(yīng)試驗(yàn)旨在評(píng)估AS32S601ZIT2型MCU在鈷60γ射線輻照下的抗總劑量能力。試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)環(huán)境 ：室溫（24℃±6℃），相對(duì)濕度20%~80%。

試驗(yàn)過(guò)程中，芯片被放置在輻照腔內(nèi)，通過(guò)控制輻照劑量和劑量率，模擬長(zhǎng)期累積的電離輻射環(huán)境。同時(shí)，定期對(duì)芯片進(jìn)行功能測(cè)試和性能參數(shù)測(cè)量，以評(píng)估輻照對(duì)芯片的影響。

4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)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(jì)要求。根據(jù)試驗(yàn)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(jí)應(yīng)用需求。這表明芯片的抗輻照設(shè)計(jì)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(yàn)

4.3.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c方法

單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)通過(guò)模擬高能粒子對(duì)芯片的輻照效應(yīng)，評(píng)估AS32S601ZIT2型MCU的抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力。試驗(yàn)采用皮秒脈沖激光器，設(shè)定LET值范圍為5-75MeV·cm2/mg。試驗(yàn)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(yàn)環(huán)境 ：室溫（24℃），相對(duì)濕度42%。

試驗(yàn)過(guò)程中，激光束通過(guò)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(shí)，使用示波器和電流探頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)芯片的功能和電流變化，以檢測(cè)是否發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)。

4.3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)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(jí)應(yīng)用需求。這表明芯片的抗輻照設(shè)計(jì)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(hào)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(chǎng)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(yùn)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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)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(chǔ)單元和ECC校驗(yàn)技術(shù)，能夠確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸?shù)目煽啃?。例如，在地球靜止軌道（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(yùn)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(cuò)誤。

5.2 核電站領(lǐng)域

核電站中的輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及安全保護(hù)系統(tǒng)對(duì)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(cè)

輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)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(cè)輻射水平，并及時(shí)發(fā)出警報(bào)。例如，在核反應(yīng)堆的輻射監(jiān)測(cè)中，芯片需要在高輻射環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，以確保核電站的安全運(yùn)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(yùn)行，以確保核反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。AS32S601ZIT2型MCU的高可靠性和低功耗特性適用于核電站的自動(dòng)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(jì)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(yùn)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(yùn)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(guò)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(guò)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(yùn)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(jì)算機(jī)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(dòng)化領(lǐng)域

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，高能粒子加速器控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)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(yùn)行。AS32S601ZIT2型MCU在工業(yè)自動(dòng)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(yùn)行，以確保實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(chǎng)和射頻系統(tǒng)，確保電子束的穩(wěn)定運(yùn)行。

5.4.2 工業(yè)機(jī)器人控制

工業(yè)機(jī)器人需要在高輻射環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，以確保生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)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(jī)器人控制算法。例如，在核廢料處理機(jī)器人中，芯片需要在高輻射環(huán)境下控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(guò)質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)、總劑量效應(yīng)試驗(yàn)及單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)，驗(yàn)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