輻射效應改變了振蕩器的頻率響應

石英是具備抗磁性的,當OscillatorCrystal沒有被電離輻射硬化時,電容阻力可以增加大到足以停止振蕩,但是磁場會影響石英晶體單元安裝線路結(jié)構(gòu),電極和外殼中的磁性材料會將在金屬部件中引起渦流并且形成時變電場,磁場電離輻射還會影響振蕩器電路中的電感器等其它元件,當設計石英晶體振蕩器以小化磁場的影響時,靈敏度可以遠低于電子元器件,因此在專為低磁場靈敏度設計的晶體單元中都會測量了其磁場靈敏度.

石英中主要關注的雜質(zhì)缺陷是具有相關的間隙電荷補償劑的取代Al3+缺陷,其可以是H +,Li+或Na+離子,或空穴,該缺陷代替Si4+在石英格子里,輻射可導致弱邊界補償器的位置變化,這改變了石英晶振的彈性常數(shù),從而導致頻率變化,離子的移動還導致晶體Q的減少,即晶體等效串聯(lián)電阻的增加,特別是在暴露于電離輻射脈沖時,如果振蕩器的增益裕度不足,增加的電阻可以使振蕩停止持續(xù)數(shù)秒,高電平的電離輻射脈沖將在電路中產(chǎn)生光電流,這導致瞬間停止振蕩,與諧振器中使用的石英類型無關,在振蕩器中使用正確設計的振蕩器電路和由掃頻石英制成的諧振器.

電離輻射改變石英晶體振蕩器的頻率主要是因為晶體單元中輻射產(chǎn)生的變化在某些條件下,輻射還會使晶體單元的等效串聯(lián)電阻增加,圖1顯示了晶體振蕩器對電離輻射脈沖的理想頻率響應,答復由兩部分組成,最初,存在瞬態(tài)頻率變化,這主要是由于能量突然沉積到晶體單元中引起的熱瞬態(tài)效應,這種效應是前面討論的動態(tài)f對T效應的表現(xiàn),在由高純度石英制成的SC切割諧振器中不存在瞬態(tài)效應,在響應的第二部分中,在達到穩(wěn)定狀態(tài)之后,存在永久頻率偏移,其是輻射劑量和晶體單元的性質(zhì)的函數(shù).

頻率變化與劑量的關系是非線性的,低劑量時每徑的變化比大劑量時大得多,在高于1千伏(SiO2)的劑量下,頻率隨劑量變化的速率取決于石英雜質(zhì)缺陷,例如,在1兆拉德劑量下,當晶體單元由天然石英制成時,頻率變化可以高達10ppm,當晶振由培養(yǎng)的石英制成時,它通常為1至幾ppm,當晶體由掃過的培養(yǎng)石英制成時,它可以小至0.02ppm,在低劑量(例如,幾個rad)下,每rad的頻率變化可高達每輻射10-9,低劑量效應尚不清楚,它不依賴于雜質(zhì),并且在約300拉德處飽和,在非常高的劑量下(即>>1Mrad),雜質(zhì)依賴性頻移也飽和,因為由于晶體中缺陷的數(shù)量是有限的，因此與缺陷相互作用的輻射的影響也是有限的.

當快中子沖入晶格并與原子碰撞時,它像臺球一樣散落,單個這樣的中子可以產(chǎn)生許多空位,間隙和破碎的原子間鍵,這種"位移損傷"對振蕩器頻率的影響主要取決于中子注量,OSC晶振振蕩頻率與中子注量以速率幾乎線性增加:8×10點-21每平方厘米的中子(N/厘米2),以10的注量范圍11到1012N/厘米2,5×10-21/n/cm2在1012至1013n/cm2,和0.7×10-21/N/厘米21017到1018牛頓/厘米2,掃描是一種高溫,電場驅(qū)動的固態(tài)凈化過程,其中弱結(jié)合的堿補償劑從晶格中擴散出來,并被更緊密結(jié)合的H+離子和空穴所取代,在典型的掃描過程中,將導電電極施加到石英棒的Z表面上,將棒加熱到約500℃,并施加電壓以便沿Z產(chǎn)生約1千伏/厘米的電場方向.

在通過32.768K晶振的電流衰減由于雜質(zhì)的擴散到某個恒定Q值之后,晶體棒緩慢冷卻,除去電壓,然后除去電極,由掃描石英制成的晶體單元既不表現(xiàn)出輻射誘導的降解,也不表現(xiàn)出大的輻射引起的頻移.當功率應用于頻率標準時,在達到平衡頻率穩(wěn)定性之前需要有限的時間,振蕩器的預熱時間取決于諧振器的熱特性,振蕩器電路和柱箱結(jié)構(gòu),輸入功率以及開啟前振蕩器的溫度.

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