摘要
当前全球航天活动范围已从近地空间逐步转向太阳系，太阳系中存在大量的高能带电粒子，高能带电粒子辐射航天器将对电子器件表面造成热/力损伤;同时，在电子器件中产生电荷累积，达到一定数量造成电子器件的暂态甚至永久失效，而航天器中电子器件主要由各类半导体材料组成。本文利用飞秒脉冲激光辐照单晶硅模拟空间高能带电粒子对航天器电子器件的辐射效应，研究半导体材料在飞秒脉冲激光辐照下的热/力响应和电输出特性，为进一步揭示空间辐射效应的物理机制、优化航天器电子器件加固设计提供理论参考。 本文以N型单晶硅为研究对象，通过建立飞秒脉冲激光辐照单晶硅的温度场测量系统、动态应力/应变测量系统、电荷收集系统和微观形貌观测系统，开展了飞秒脉冲激光辐照单晶硅的热/力耦合响应和电输出特性的实验研究和数值模拟，取得的主要研究成果如下： (1)利用飞秒脉冲激光器结合红外热成像仪与扫描电镜对飞秒脉冲激光辐照单晶硅的温度演化特征进行了研究，获得飞秒脉冲激光辐照不同厚度单晶硅的温度分布及演化规律，明确了靶板厚度与温度场演化特征的关联规律。激光辐照单晶硅产生的温升效应呈现辐照区温度震荡上升并逐渐趋于恒定的特征。 (2)利用DIC应力/应变测量系统对飞秒脉冲激光辐照单晶硅靶板产生的应力/应变分布与演化特征进行了测量。激光辐照单晶硅靶板产生的应力以热应力为主;飞秒脉冲激光辐照单晶硅产生的径向应力为Mpa量级，呈压应力状态;环向应力约为径向应力的1/10，呈拉应力状态;随着与辐照中心距离的增大，径向应力呈现先增大后减小的过程。 (3)利用在单晶硅两侧贴附铜箔的方式测量了飞秒脉冲激光辐照单晶硅产生的电荷累积效应以及电输出特性。 结果：表明铜箔电极内径越大，收集的电信号幅值越低;单晶硅厚度越薄，靶板在极短时间内被击穿，电信号持续时间短，且电流传输到电极的过程中电荷重组份额小，因此收集的电信号较强;单晶硅厚度越大，激光辐照点与铜箔电极间的电阻越大，收集的电信号越弱。 (4)利用电输出测量系统结合双温有限元模型对飞秒脉冲激光辐照单晶硅的辐照效应进行了数值模拟。飞秒脉冲激光作用单晶硅时，产生的电输出信号以光致电离信号为主;单晶硅靶板对激光入射能量的吸收随激光烧蚀深度的增加而减少;飞秒脉冲激光辐照单晶硅产生的电荷不具有累积效应;电子温度、晶格温度和电子密度随单脉冲激光入射能量的增大而增大，反射率随单脉冲能量的增大而减小。
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