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核电站严重事故条件下电子设备的辐射效应、抗辐射设计技术及仿真工具概述

期刊:Progress in Nuclear EnergyDOI:10.1016/j.pnucene.2019.02.008

本文档属于类型b,即一篇综述性学术论文。以下是对该文档的详细介绍:

作者与期刊信息
本文的主要作者是Qiang Huang和Jin Jiang,他们来自加拿大西安大略大学(University of Western Ontario)的电气与计算机工程系。该论文发表于2019年3月的《Progress in Nuclear Energy》期刊。

论文主题
本文的主题是“核电站在严重事故条件下对电子设备的辐射效应、抗辐射设计技术及仿真工具的综述”。文章旨在为核电站事故后监测系统的电子设备设计提供全面的技术指导,特别是在辐射环境下如何保护电子设备免受辐射影响。

主要观点与论据

1. 辐射对电子设备的影响
文章首先详细讨论了辐射对电子设备的影响机制。辐射主要包括α粒子、β粒子、γ射线、X射线和中子粒子。这些辐射粒子与半导体材料的相互作用会导致位移损伤(Displacement Damage, DD)、总电离剂量(Total Ionizing Dose, TID)和单粒子效应(Single Event Effect, SEE)。位移损伤是由于高能粒子将原子从晶格中击出,导致电子器件性能退化;总电离剂量则是辐射粒子通过半导体材料时沉积的总能量,会导致器件阈值电压漂移、漏电流增加等问题;单粒子效应则是单个高能粒子击中器件后引发的瞬时或永久性故障。文章引用了大量文献,详细解释了这些效应的物理机制及其对电子设备的具体影响。

2. 抗辐射设计技术
文章的第二部分重点介绍了抗辐射设计技术。这些技术可以从器件级、电路级和系统级三个层面进行。在器件级,通过增加晶体管的尺寸、采用特殊的布局设计(如环形晶体管)、使用绝缘衬底(如硅上绝缘体SOI)以及设计保护环等方法,可以提高器件的抗辐射能力。在电路级,通过冗余设计、时间滤波、差分电荷消除(Differential Charge Cancellation, DCC)和自修复电路等技术,可以有效减少辐射引发的故障。在系统级,采用冗余元件、重新初始化恢复和刷新技术等手段,可以进一步提升系统的可靠性。文章详细列举了每种技术的具体实现方法,并引用了相关文献作为支持。

3. 辐射效应建模与仿真工具
文章的第三部分介绍了辐射效应的建模与仿真工具。为了在设计阶段评估抗辐射技术的有效性,研究者开发了多种建模和仿真工具。例如,蒙特卡罗方法(Monte Carlo Method)被广泛用于辐射屏蔽的仿真,常用的软件包括FLUKA、GEANT4和PHITS等。对于位移损伤、总电离剂量和单粒子效应的仿真,研究者开发了多种专用工具,如SRIM、MRED和TCAD等。这些工具可以帮助设计者快速评估不同抗辐射技术的效果,从而优化设计方案。文章还指出,尽管仿真工具可以提供有价值的指导,但它们无法完全替代实际的辐射测试。

论文的意义与价值
本文的学术价值在于它系统性地总结了辐射对电子设备的影响机制、抗辐射设计技术以及建模与仿真工具。通过对大量文献的梳理,文章为电子工程师和核电站设计人员提供了全面的技术参考,特别是在核电站事故后监测系统的设计中,如何提高电子设备的抗辐射能力。此外,文章还指出了当前研究中的一些不足,例如文献分散、仿真工具的局限性等,为未来的研究提供了方向。

总结
本文通过三大部分详细探讨了辐射对电子设备的影响、抗辐射设计技术以及建模与仿真工具。文章不仅为相关领域的研究者提供了丰富的文献参考,还为核电站事故后监测系统的设计提供了实用的技术指导。其综合性和系统性使其成为该领域的重要综述文献。

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