[科普中国]-永久辐射效应

永久辐射效应是辐射效应的一种。辐射效应是指射线同物质的相互作用。所有的射线，不管它是带电的或是不带电的，也不管是粒子还是电磁波，它们都能与物质发生相互作用，当它们穿过物质时，或者是被物质部分地或全部地吸收，或者是从一定厚度的物质中穿透出去。

材料或器件受高能粒子轰击后，晶格原子发生位移和电离，室温下，其性能在长时间（大于1000s）内不能恢复正常。

产生背景随着核武器、空间技术和核能技术的发展，越来越多的电子设备需要在辐射（包括空间辐射）环境中工作，而辐射会对电子设备产生影响，特别是对半导体器件的作用尤为灵敏。一般说来，辐射会降低电子材料、元件、器件和设备的电性能。研究核辐射效应的目的，是为了揭示各种辐射的规律及其影响程度。就辐射效应的作用时间来说，如辐射源除去后，效应立即消除，称为瞬时效应；如永远不能恢复，则称为永久效应；也有经一段时间后恢复的称为半永久效应。为了进一步弄清辐射如何产生影响，需要对损伤机制进行研究。

内涵核辐射效应有两方面的涵义，一是通常所指的涵义，即核辐射对电子材料、元件、器件和设备的影响效应；另一是指核辐射直接转换为电磁场的效应，即核电磁脉冲效应。

凡是能量大于200eV的中子入射时，都能使晶格原子产生位移。被位移的原子称为间隙原子，在原子原来的位置留下一个空位。晶体内形成的间隙原子-空穴通常称为弗兰克尔（Frenkel）缺陷，又称为简单缺陷或点缺陷。在室温下，这种缺陷是不稳定的，空位可在晶格内移动，移动过程中可与间隙原子复合。但如移动至杂质附近，形成杂质-空位复合体，或两个空位形成双空位，则在室温下，它就相当稳定，将长期影响半导体材料的性能；只有在数百C高温退火条件下这种缺陷才会消失。高能中子辐射一般在半导体材料内形成缺陷群，在室温下更为稳定。

入射电子时，如果其能量甚高，足以克服库仑屏蔽而充分接近晶格原子核，则会发生库仑散射，电子将部分能量传递给原子，使其位移，也产生弗兰克尔缺陷，在晶体中留下永久性损伤。Y射线入射时，通过光电效应、康普顿效应及电子对产生三种过程产生高能电子，该电子再与晶格原子核作用，此时情况就与入射电子时相同。质子与晶格原子作用也类似于电子，只是情况更为复杂。重离子与晶格原子的作用则类似于中子，形了成的体损伤在室温下都不能恢复。

另外，当瞬时电离辐射足够强时，它在反向偏置的半导体结内形成的光电流足够大，就足以使结烧毁，给器件造成的损伤也不能恢复。在y射线脉冲作用下，PN结隔离的TTL集成电路的NPNP闭锁，也会使结造成永久性损伤。

永久性辐射损伤永久性辐射损伤一般与下列因素有关:辐射粒子的注量、能谱和剂量率；受辐照样品的温度、材料类型、掺杂浓度和非活性杂质浓度；原始缺陷数量；切片晶向；辐射时少数载流子的注入电平；辐照后样品经历、时间、温度和测量时的注入电平等1。

组成内容表面效应在一些半导体器件的钝化层界面上产生的电离和缺陷，有时也称为表面效应。基于材料的损伤，对不同原理、不同结构和工艺的元件器件又会产生不同的电性能影响。可用微观损伤的物理模型，解释辐射引起宏观电参数的变化规律。实际上,各种辐射效应往往并不是单一地存在；不过,在某种特定条件下，其中某一种效应是主要的。例如，位移效应一般属于永久效应，但在退火条件下也可部分或全部恢复；电离效应一般属于瞬时效应，但在结击穿条件下也可能成为永久效应。为了保证电子设备能适应预定的辐射环境而正常工作，一般需要进行抗辐射加固的研究和设计，包括元件器件的加固、电路的加固和结构、材料的加固等。对一个实际的电子系统的抗辐射加固技术很复杂,除了理论分析之外,往往需要通过实验和借助电子计算机进行反复的模拟和辅助设计。经过专门加固的电子系统，可使抗辐射能力提高2～3个数量级以上。辐射效应、损伤机制和加固技术的研究逐步发展，紧密结合，已形成一门崭新的分支学科──抗辐射电子学2。

早在50年代初期，由于反应堆技术和核武器的发展，人们对辐射效应开展了研究工作。60年代，由于核武器和空间技术的进一步发展，另一方面由于半导体器件的广泛应用，在抗辐射电子学方面不仅更加系统地开展辐射效应的研究，而且利用核物理和固体物理等各种先进技术基本上弄清了微观的损伤机制；同时也开展了器件加固技术的研究。70年代，核加固技术的研究已取得很大成就，从研究阶段进入到工程应用阶段。抗辐射电子学是一门多学科交叉的边缘学科，特别是核物理、固体（半导体）物理及电子学互相渗透的学科。

电磁脉冲核电磁脉冲是另外一种重要的辐射效应，即由核爆炸时辐射出的极强脉冲γ射线产生的电磁效应。不论高空、低空、地面或地下核爆炸都伴随产生电磁脉冲现象。这种电磁场具有场强高(～10伏/米)分布范围广(高空核爆炸时可达数千公里)频谱宽(从数千赫到数百兆赫)等特点。它的破坏力极强，而防护却比较困难。由于这种核电磁脉冲为核爆炸时周围的介质（如空气）所产生，有时也称为环境电磁脉冲。

此外,在70年代后期,人们广泛地研究了辐射电荷转移效应产生的其他一些类型的电磁脉冲现象，如强脉冲γ射线直接打到金属壳体在内部激励产生的电磁场，称为内电磁脉冲；又如脉冲γ射线或 X射线打到金属壳体上产生高速飞离的电子，引起金属中电荷的再分布而感生的电磁场，称为系统感生电磁脉冲。这两种电磁脉冲的场强，也都能达到10伏/米以上，而且无法用外部电磁屏蔽的方法来防止。因此，研究其产生机制、分布规律、对电子系统的影响，以及防护技术，在军事上，特别对于空间飞行器具有极为重要的意义。

主要危害编辑辐射对材料造成的损伤，主要有三大类：

①、使材料的原子离开原来的晶格位置，产生位移，称为辐射位移效应；

②、使材料中的原子电离，称为辐射电离效应；

③、高能辐射产生的次级荷电粒子，在运动中穿过材料界面，因电荷转移形成瞬时电流和场，称为电荷转移效应。

本词条内容贡献者为:

李炜炜 - 高级工程师 - 环境保护部核与辐射安全中心