اختبار الإشعاع للمكونات البصرية وأشباه الموصلات لمصابيح LED المقاومة للإشعاع

1. المقدمة والنظرة العامة

يتناول هذا العمل، الذي قُدم في مؤتمر RADECS 2018، تحدياً حاسماً للبنية التحتية في سيرن: استبدال إضاءة الفلورسنت والصوديوم القديمة في أنفاق المسرعات بتقنية LED الحديثة والفعالة. العقبة الرئيسية هي بيئة الإشعاع القاسية، حيث تتجاوز المستويات السنوية $5 \times 10^{12}$ n_eq/cm² (ما يعادل نيوترون 1 MeV في Si) وجرعة 1 kGy. تقدم الورقة تفاصيل حملة تشعيع منهجية لتأهيل المكونات الفردية - المواد البصرية وثنائيات إمداد الطاقة - لدمجها في مصابيح LED مقاومة للإشعاع.

2. المكونات قيد الاختبار

ركزت الدراسة على فئتين حاسمتين من المكونات داخل مصباح LED: العناصر البصرية وثنائيات التقويم في مزود الطاقة.

3. منهجية التشعيع والإعداد التجريبي

المواد البصرية: تم إجراء التشعيع بأشعة جاما باستخدام مصدر ⁶⁰Co. كان المقياس الرئيسي للتدهور هو التوهين المستحث بالإشعاع (RIA)، والذي تم قياسه باستخدام المقياس الطيفي. تم التحكم بعناية في معدل الجرعة والجرعة الكلية المتراكمة (حتى 100 كيلو جراي) لمحاكاة التعرض طويل الأمد في أنفاق المسرعات.

الثنائيات شبه الموصلة: تم إجراء التشعيع بالبروتونات عند 24 GeV/c في منشأة CERN IRRAD. آلية التدهور الأساسية هنا هي التلف الإزاحي، حيث تقوم الجسيمات عالية الطاقة بإزاحة الذرات من مواقعها في الشبكة البلورية، مما يخلق عيوباً تتسبب في تدهور الأداء الكهربائي. كانت مستويات الفيض المستهدفة تتجاوز $8 \times 10^{13}$ n_eq/cm².

4. النتائج والتحليل

5. الرؤى الأساسية وآليات التدهور

6. التحليل الأصلي: الفكرة الأساسية، التسلسل المنطقي، نقاط القوة والضعف، رؤى قابلة للتطبيق

الفكرة الأساسية: تقدم دراسة سيرن هذه حقيقة عملية قاسية لهندسة البيئات القاسية: عند مواجهة الإشعاع المؤين، فإن أصل المادة هو كل شيء، والمكونات التجارية الجاهزة تفشل بطرق متوقعة ومتدرجة. القيمة الحقيقية ليست فقط في تفضيل الكوارتز المصهور على البولي كربونات، بل في قياس فجوة الأداء تحت ظروف متطابقة وواقعية لدفع اختيار المكونات القابل للتطبيق.

التسلسل المنطقي: هيكل الورقة نموذج للبحث التطبيقي. يبدأ بمشكلة تشغيلية واضحة (إضاءة قديمة)، يحلل النظام إلى وحداته الفرعية الأكثر ضعفاً (البصريات، إلكترونيات الطاقة)، يعرض عينات ممثلة لضغوطات ذات صلة (جاما للبصريات، بروتونات للتلف الإزاحي في أشباه الموصلات)، ويرسم خريطة التدهور إلى الآليات الفيزيائية. سلسلة السبب والنتيجة هذه من احتياج النظام إلى علم المواد لا تشوبها شائبة.

نقاط القوة والضعف: القوة الرئيسية هي منهجيتها المقارنة. اختبار مواد متنوعة (الزجاج مقابل البوليمرات) وتقنيات أشباه الموصلات (Si مقابل SiC) جنباً إلى جنب تحت ظروف محكمة يوفر دليلاً قاطعاً. استخدام البروتونات عالية الطاقة لاختبار الثنائيات هو أيضاً نقطة قوة، حيث يحاكي بدقة بيئة المجال المختلط لنفق المسرع. ومع ذلك، فإن العيب هو عدم وجود اختبار للتأثيرات المشتركة. في المصباح الحقيقي، يتم تشعيع البصريات والإلكترونيات في وقت واحد؛ التأثيرات التآزرية (مثل الحرارة الناتجة عن تدهور الثنائيات المؤثر على البصريات البلاستيكية) لم يتم استكشافها. علاوة على ذلك، بينما تفوق SiC واضح، فإن الدراسة لا تخوض في تحليل التكلفة والعائد، وهو عامل حاسم للنشر على نطاق واسع في سيرن أو في المنشآت النووية.

رؤى قابلة للتطبيق: للمهندسين، الاستنتاج واضح: 1) البلاستيك القياسي غير مناسب للعناصر البصرية في مجالات مستوى الكيلو جراي. يجب أن يركز البحث على بوليمرات مقاومة للإشعاع أو الاعتماد على السيليكا المصهورة/الكوارتز. 2) SiC جاهز للاستخدام الرئيسي في إلكترونيات الطاقة لهذه البيئات. تدعم البيانات بقوة اعتماده بدلاً من Si للتقويم والتبديل. 3) يجب أن يكون نهج التأهيل على مستوى المكون هذا النموذج الأساسي لتقوية أي نظام معقد (أجهزة الاستشعار، الكاميرات، الروبوتات) للاستخدام في مسرعات الجسيمات، الفضاء (كما تدعمه بيانات اختبار المكونات التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية)، أو مفاعلات الانشطار/الاندماج النووية. لا تختبر النظام بأكمله أولاً؛ حدد واختبر بلا رحمة أضعف الحلقات.

7. التفاصيل التقنية والنماذج الرياضية

غالباً ما يتم نمذجة تدهور المواد البصرية بواسطة معامل التوهين المستحث بالإشعاع (RIA):

$\alpha_{RIA}(\lambda, D) = \frac{1}{L} \ln\left(\frac{T_0(\lambda)}{T_D(\lambda)}\right)$

حيث $\alpha_{RIA}$ هو معامل التوهين (سم⁻¹)، $L$ هو سمك العينة، $T_0$ هو النفاذية الأولية، $T_D$ هو النفاذية بعد الجرعة $D$، و $\lambda$ هو الطول الموجي.

لأشباه الموصلات، يتم قياس التلف الإزاحي بواسطة فقدان الطاقة غير المؤين (NIEL)، والذي يتناسب مع فيض الجسيمات $\Phi$ وعامل التلف $\kappa$:

$\Delta V_F \propto \kappa \cdot \Phi$

حيث $\Delta V_F$ هو التغير في الجهد الأمامي. عامل التلف $\kappa$ أقل بكثير لـ SiC منه لـ Si، مما يفسر صلادته الفائقة.

8. النتائج التجريبية ووصف المخططات

مخطط تصوري: النفاذية البصرية مقابل الجرعة

تخيل مخططاً بمحور X يمثل الجرعة الكلية المتراكمة (كيلو جراي، مقياس لوغاريتمي) ومحور Y يمثل النفاذية البصرية الطبيعية عند 500 نانومتر (%).

• خط الكوارتز المصهور (FQ): خط أفقي تقريباً، يظهر انخفاضاً طفيفاً من 100% إلى ~95% عند 100 كيلو جراي. يشير هذا إلى اسمرار ضئيل.
• خط البوروسيليكات (BS): خط منحدر بلطف، ينحدر من 100% إلى حوالي 70-80% عند 100 كيلو جراي.
• خطا PMMA و PC: منحنيان ينحدران بشدة. قد ينخفض PMMA إلى ~30% وPC إلى أقل من 20% نفاذية عند 100 كيلو جراي، مما يوضح فشلاً شديداً للتطبيقات البصرية.

مخطط تصوري: زيادة الجهد الأمامي للثنائي مقابل فيض البروتونات

مخطط بمحور X يمثل فيض 1 MeV n_eq (n/cm²، مقياس لوغاريتمي) ومحور Y يمثل النسبة المئوية للزيادة في الجهد الأمامي ($\Delta V_F / V_{F0}$ %).

• خط ثنائي السيليكون (Si): خط منحني صاعد بشدة، يظهر زيادات بنسبة 50%، 100%، أو أكثر عند فيض يتجاوز $10^{14}$ n/cm².
• خط ثنائي SiC JBS: زيادة ضحلة جداً، شبه خطية، تبقى أقل من زيادة 10-15% حتى عند أعلى الفيضات المختبرة، مما يبرز متانته.

9. إطار التحليل: دراسة حالة غير برمجية

السيناريو: فريق يصمم كاميرا معززة ضد الإشعاع لمراقبة داخل مبنى احتواء مفاعل نووي.

تطبيق الإطار من هذه الورقة:

1. تحليل النظام: تحديد المكونات الفرعية الحساسة للإشعاع: مستشعر الصورة (CMOS/CCD)، النافذة/العدسة الواقية، دائرة تنظيم الطاقة.
2. تحديد الضغط: تتميز البيئة بمعدلات جرعة جاما عالية وفيض النيوترونات. تسبب أشعة جاما بشكل أساسي تأثيرات الجرعة المؤينة الكلية (TID)، بينما تسبب النيوترونات تلفاً إزاحياً.
3. اختيار مكونات الاختبار:
   • البصريات: الحصول على عينات من مواد العدسات المرشحة: السيليكا المصهورة، زجاج مقاوم للإشعاع (مثل BK7G18)، والبلاستيك البصري القياسي.
   • الإلكترونيات: الحصول على منظمات الجهد المرشحة: منظمات الجهد الخطية القياسية من السيليكون وبدائل محتملة قائمة على SiC أو معززة من السيليكون.
4. تنفيذ التشعيع المقارن:
   • تشعيع جميع العينات البصرية بجاما Co-60 إلى الجرعة المتوقعة مدى الحياة (مثلاً 10 كيلو جراي). قياس RIA عبر النطاق الطيفي للمستشعر.
   • تشعيع المكونات الإلكترونية بالنيوترونات (أو البروتونات عالية الطاقة كبديل) إلى الفيض المتوقع. مراقبة المعلمات الرئيسية مثل جهد الانخفاض، الضوضاء، والتيار الساكن.
5. التحليل والاختيار: بناءً على البيانات، اختر المادة/المكون ذو التدهور المقبول. على سبيل المثال، قد تجبر البيانات على اختيار نافذة من السيليكا المصهورة ومنظم جهد معزز خصيصاً، مع استبعاد عدسات البلاستيك القياسية ومنظمات السيليكون التجارية.

يمنع هذا النهج المنظم الذي يركز على المكون أولاً، والمستوحى مباشرة من ورقة سيرن، حدوث إخفاقات مكلفة للأنظمة المتكاملة من خلال تحديد المعوقات الرئيسية على مستوى المادة في مرحلة التصميم المبكرة.

10. التطبيقات المستقبلية واتجاهات التطوير

• هندسة المواد المتقدمة: تطوير بوليمرات "مقاومة للإشعاع" بهياكل جزيئية مصممة لمقاومة تكوين مراكز اللون، ربما باستخدام المواد النانوية المركبة أو إضافات محددة لاحتجاز الجذور الحرة.
• هيمنة SiC في إلكترونيات الطاقة: اعتماد أوسع لـ MOSFETs، JFETs، وثنائيات JBS من SiC ليس فقط في الإضاءة بل في جميع وحدات تحويل الطاقة داخل البيئات المشعة (مثل مزودات طاقة المغناطيسات، طاقة الواجهة الأمامية للكاشفات).
• أنظمة الفوتونيات المتكاملة: اختبار وتعزيز الألياف البصرية، المقسمات، والمعدلات لنقل البيانات في المسرعات ومفاعلات الاندماج (مثل ITER)، حيث تنطبق مبادئ RIA مباشرة.
• التعلم الآلي للتنبؤ: استخدام مجموعات البيانات من دراسات كهذه لتدريب نماذج تتنبأ بعمر المكون والتدهور بناءً على خصائص المادة وأطياف الإشعاع، مما يسرع دورة التصميم للأنظمة المقاومة للإشعاع.
• التوسع إلى بيئات جديدة: تطبيق منهجية التأهيل هذه على مكونات لتطبيقات سطح القمر/المريخ (المعرضة للأشعة الكونية وأحداث الجسيمات الشمسية) ومفاعلات الانشطار النووي من الجيل التالي.

11. المراجع

1. J. D. Devine et al., "Radiation tests on LED-based lights for the LHC and other accelerator tunnels at CERN," IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 63, no. 2, pp. 841-847, Apr. 2016.
2. CERN Radiation Protection Group, "Calculated dose and fluence values in the LHC tunnels," CERN Internal Report, 2017.
3. A. Floriduz et al., "Radiation effects on high-power white GaN LEDs for accelerator lighting," Microelectronics Reliability, vol. 88-90, pp. 714-718, 2018.
4. M. Brugger et al., "Radiation damage studies on diodes and LEDs for the LHC and its injectors," CERN-ATS-Note-2013-004 PERF, 2013.
5. NASA Jet Propulsion Laboratory, "Silicon Carbide Electronics for Harsh Environments," [Online]. Available: https://www.jpl.nasa.gov.
6. European Space Agency (ESA), "Component Radiation Hardness Assurance Guidelines," ESCC Basic Specification No. 22900.
7. F. M. S. Lima et al., "Radiation-induced attenuation in optical fibers: A comprehensive review," IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 67, no. 5, pp. 912-924, 2020.
8. A. J. Lelis et al., "Basic mechanisms of threshold-voltage instability in SiC MOSFETs," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 65, no. 1, pp. 219-225, 2018.