বিকিরণ-সহনশীল এলইডি আলোকসজ্জার জন্য অপটিক্যাল ও সেমিকন্ডাক্টর উপাদানের বিকিরণ পরীক্ষা

1. ভূমিকা ও সারসংক্ষেপ

২০১৮ সালের RADECS সম্মেলনে উপস্থাপিত এই গবেষণাটি CERN-এ একটি গুরুত্বপূর্ণ অবকাঠামোগত চ্যালেঞ্জের সমাধান করে: ত্বরক টানেলগুলিতে পুরনো ফ্লুরোসেন্ট ও সোডিয়াম আলোকে আধুনিক, দক্ষ এলইডি প্রযুক্তি দ্বারা প্রতিস্থাপন করা। প্রধান বাধা হলো কঠোর বিকিরণ পরিবেশ, যেখানে বার্ষিক মাত্রা $5 \times 10^{12}$ n_eq/cm² (সিলিকনে 1 MeV নিউট্রন সমতুল্য) এবং 1 kGy ডোজ অতিক্রম করে। এই গবেষণাপত্রটি বিকিরণ-সহনশীল এলইডি আলোকসজ্জায় একীভূতকরণের জন্য পৃথক উপাদান—অপটিক্যাল উপাদান ও বিদ্যুৎ সরবরাহ ডায়োড—যোগ্যতা অর্জনের জন্য একটি পদ্ধতিগত বিকিরণ অভিযানের বিস্তারিত বর্ণনা দেয়।

2. পরীক্ষাধীন উপাদানসমূহ

এই গবেষণা একটি এলইডি আলোকসজ্জার মধ্যে দুটি গুরুত্বপূর্ণ উপাদান বিভাগের উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করে: অপটিক্যাল উপাদান এবং বিদ্যুৎ সরবরাহের সংশোধনকারী ডায়োড।

3. বিকিরণ পদ্ধতি ও পরীক্ষামূলক সেটআপ

অপটিক্যাল উপাদান: গামা-রশ্মি বিকিরণ একটি ⁶⁰Co উৎস ব্যবহার করে সম্পাদিত হয়েছিল। অবনতির মূল মেট্রিক ছিল প্ররোচিত বিকিরণ-প্ররোচিত ক্ষয় (RIA), যা স্পেকট্রোফোটোমেট্রিকভাবে পরিমাপ করা হয়েছিল। ত্বরক টানেলে দীর্ঘমেয়াদী এক্সপোজার অনুকরণ করার জন্য ডোজ রেট এবং মোট সমন্বিত ডোজ (100 kGy পর্যন্ত) সাবধানে নিয়ন্ত্রণ করা হয়েছিল।

সেমিকন্ডাক্টর ডায়োড: 24 GeV/c এ প্রোটন বিকিরণ CERN IRRAD সুবিধায় পরিচালিত হয়েছিল। এখানে প্রধান অবনতি প্রক্রিয়া হলো স্থানচ্যুতি ক্ষতি, যেখানে উচ্চ-শক্তির কণাগুলি পরমাণুগুলিকে তাদের জালি স্থান থেকে বের করে দেয়, ত্রুটি সৃষ্টি করে যা বৈদ্যুতিক কার্যকারিতা হ্রাস করে। লক্ষ্য করা ফ্লুয়েন্স মাত্রা ছিল $8 \times 10^{13}$ n_eq/cm² এর বাইরে।

4. ফলাফল ও বিশ্লেষণ

5. মূল অন্তর্দৃষ্টি ও অবনতি প্রক্রিয়া

6. মূল বিশ্লেষণ: কেন্দ্রীয় অন্তর্দৃষ্টি, যৌক্তিক প্রবাহ, শক্তি ও দুর্বলতা, কার্যকরী অন্তর্দৃষ্টি

কেন্দ্রীয় অন্তর্দৃষ্টি: এই CERN গবেষণাটি কঠোর-পরিবেশ প্রকৌশলের জন্য একটি নির্মমভাবে ব্যবহারিক সত্য প্রদান করে: আয়নাইজিং বিকিরণের মুখোমুখি হলে, উপাদানের বংশপরিচয়ই সবকিছু, এবং বাণিজ্যিক অফ-দ্য-শেলফ (COTS) উপাদানগুলি পূর্বাভাসযোগ্য, স্তরবদ্ধ উপায়ে ব্যর্থ হয়। প্রকৃত মূল্য শুধুমাত্র পলিকার্বনেটের চেয়ে ফিউজড কোয়ার্টজকে র্যাঙ্কিং-এ নয়, বরং অভিন্ন, বাস্তবসম্মত অবস্থার অধীনে কার্যকারিতার ব্যবধান পরিমাপ করে কার্যকরী উপাদান নির্বাচনকে চালিত করায়।

যৌক্তিক প্রবাহ: গবেষণাপত্রের কাঠামোটি প্রয়োগকৃত গবেষণার একটি আদর্শ। এটি একটি স্পষ্ট কার্যকরী সমস্যা (অপ্রচলিত আলোকসজ্জা) দিয়ে শুরু হয়, সিস্টেমটিকে তার সবচেয়ে ঝুঁকিপূর্ণ উপ-ইউনিটে (অপটিক্স, পাওয়ার ইলেকট্রনিক্স) বিভক্ত করে, প্রতিনিধিত্বমূলক নমুনাগুলিকে প্রাসঙ্গিক চাপের (অপটিক্সের জন্য গামা, সেমিকন্ডাক্টরে স্থানচ্যুতি ক্ষতির জন্য প্রোটন) অধীন করে এবং অবনতিকে ভৌত প্রক্রিয়ার সাথে ম্যাপ করে। সিস্টেমের প্রয়োজন থেকে উপাদান বিজ্ঞানে এই কারণ-প্রভাব শৃঙ্খলটি নিখুঁত।

শক্তি ও দুর্বলতা: প্রধান শক্তি হলো এর তুলনামূলক পদ্ধতি। নিয়ন্ত্রিত অবস্থার অধীনে বিভিন্ন উপাদান (কাচ বনাম পলিমার) এবং সেমিকন্ডাক্টর প্রযুক্তি (সিলিকন বনাম সিলিকন কার্বাইড) পাশাপাশি পরীক্ষা করা একটি সুনির্দিষ্ট নির্দেশিকা প্রদান করে। ডায়োড পরীক্ষার জন্য উচ্চ-শক্তি প্রোটনের ব্যবহারও একটি শক্তি, যা একটি ত্বরক টানেলের মিশ্র-ক্ষেত্র পরিবেশের সঠিক অনুকরণ করে। তবে, একটি দুর্বলতা হলো সম্মিলিত-প্রভাব পরীক্ষার অভাব। একটি বাস্তব আলোকসজ্জায়, অপটিক্স এবং ইলেকট্রনিক্স একই সাথে বিকিরিত হয়; সমন্বিত প্রভাব (যেমন, ডায়োড অবনতি থেকে তাপ প্লাস্টিক অপটিক্সকে প্রভাবিত করা) অন্বেষণ করা হয়নি। তদুপরি, সিলিকন কার্বাইডের শ্রেষ্ঠত্ব স্পষ্ট হলেও, গবেষণাটি ব্যয়-সুবিধা বিশ্লেষণে গভীরভাবে যায় না, যা CERN বা পারমাণবিক সুবিধাগুলিতে বৃহৎ আকারের স্থাপনার জন্য একটি গুরুত্বপূর্ণ বিষয়।

কার্যকরী অন্তর্দৃষ্টি: প্রকৌশলীদের জন্য, গ্রহণযোগ্য বার্তাটি দ্ব্যর্থহীন: 1) kGy-স্তরের ক্ষেত্রে অপটিক্যাল উপাদানের জন্য মানক প্লাস্টিকগুলি শুরুই করা যায় না। অনুসন্ধানটি বিকিরণ-গ্রেড পলিমার বা ডিফল্টভাবে ফিউজড সিলিকা/কোয়ার্টজের উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করা উচিত। 2) এই পরিবেশগুলির জন্য পাওয়ার ইলেকট্রনিক্সে সিলিকন কার্বাইড প্রাইম টাইমের জন্য প্রস্তুত। তথ্যগুলি সংশোধন ও সুইচিং-এর জন্য সিলিকনের উপর এর গ্রহণের জন্য দৃঢ়ভাবে সমর্থন করে। 3) এই উপাদান-স্তরের যোগ্যতা অর্জনের পদ্ধতিটি যেকোনো জটিল সিস্টেম (সেন্সর, ক্যামেরা, রোবোটিক্স) কণা ত্বরক, মহাকাশ (ESA-এর উপাদান পরীক্ষার তথ্য দ্বারা সমর্থিত), বা ফিশন/ফিউশন রিঅ্যাক্টরে ব্যবহারের জন্য কঠোর করার ব্লুপ্রিন্ট হওয়া উচিত। প্রথমে পুরো সিস্টেম পরীক্ষা করবেন না; দুর্বলতম লিঙ্কগুলি চিহ্নিত করুন এবং নির্মমভাবে পরীক্ষা করুন।

7. প্রযুক্তিগত বিবরণ ও গাণিতিক মডেল

অপটিক্যাল উপাদানের অবনতি প্রায়শই বিকিরণ-প্ররোচিত ক্ষয় (RIA) সহগ দ্বারা মডেল করা হয়:

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

যেখানে $\alpha_{RIA}$ হলো ক্ষয় সহগ (cm⁻¹), $L$ হলো নমুনার পুরুত্ব, $T_0$ হলো প্রাথমিক ট্রান্সমিশন, $T_D$ হলো ডোজ $D$ এর পরে ট্রান্সমিশন, এবং $\lambda$ হলো তরঙ্গদৈর্ঘ্য।

সেমিকন্ডাক্টরের জন্য, স্থানচ্যুতি ক্ষতি নন-আয়নাইজিং এনার্জি লস (NIEL) দ্বারা পরিমাপ করা হয়, যা কণা ফ্লুয়েন্স $\Phi$ এবং একটি ক্ষতি ফ্যাক্টর $\kappa$ এর সাথে স্কেল করে:

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

যেখানে $\Delta V_F$ হলো ফরওয়ার্ড ভোল্টেজের পরিবর্তন। ক্ষতি ফ্যাক্টর $\kappa$ সিলিকনের তুলনায় সিলিকন কার্বাইডের জন্য উল্লেখযোগ্যভাবে কম, যা এর উচ্চতর কঠোরতা ব্যাখ্যা করে।

8. পরীক্ষামূলক ফলাফল ও চার্ট বর্ণনা

ধারণাগত চার্ট: অপটিক্যাল ট্রান্সমিশন বনাম ডোজ

একটি চার্ট কল্পনা করুন যেখানে X-অক্ষে মোট সমন্বিত ডোজ (kGy, লগ স্কেল) এবং Y-অক্ষে 500 nm এ স্বাভাবিকীকৃত অপটিক্যাল ট্রান্সমিশন (%) রয়েছে।

• ফিউজড কোয়ার্টজ (FQ) লাইন: একটি প্রায় অনুভূমিক রেখা, 100 kGy-এ 100% থেকে ~95% পর্যন্ত সামান্য হ্রাস দেখায়। এটি ন্যূনতম অন্ধকারভাব নির্দেশ করে।
• বোরোসিলিকেট (BS) লাইন: একটি মৃদু ঢালু রেখা, 100 kGy-এ 100% থেকে প্রায় 70-80% পর্যন্ত নেমে গেছে।
• PMMA ও PC লাইন: দুটি খাড়াভাবে নিম্নগামী বক্ররেখা। 100 kGy-এ PMMA প্রায় ~30% এবং PC 20% এর নিচে ট্রান্সমিশনে নেমে যেতে পারে, যা অপটিক্যাল প্রয়োগের জন্য গুরুতর ব্যর্থতা প্রদর্শন করে।

ধারণাগত চার্ট: ডায়োড ফরওয়ার্ড ভোল্টেজ বৃদ্ধি বনাম প্রোটন ফ্লুয়েন্স

একটি চার্ট যেখানে X-অক্ষে 1 MeV n_eq ফ্লুয়েন্স (n/cm², লগ স্কেল) এবং Y-অক্ষে ফরওয়ার্ড ভোল্টেজের শতাংশ বৃদ্ধি ($\Delta V_F / V_{F0}$ %) রয়েছে।

• সিলিকন ডায়োড লাইন: একটি খাড়া, ঊর্ধ্বমুখী বক্ররেখা, $10^{14}$ n/cm² এর উপরের ফ্লুয়েন্সে 50%, 100%, বা তার বেশি বৃদ্ধি দেখায়।
• সিলিকন কার্বাইড JBS ডায়োড লাইন: একটি খুব অগভীর, প্রায় রৈখিক বৃদ্ধি, সর্বোচ্চ পরীক্ষিত ফ্লুয়েন্সেও 10-15% বৃদ্ধির নিচে থাকে, এর দৃঢ়তা তুলে ধরে।

9. বিশ্লেষণ কাঠামো: একটি নন-কোড কেস স্টাডি

পরিস্থিতি: একটি দল একটি পারমাণবিক চুল্লি কন্টেইনমেন্ট ভবনের ভিতরে পর্যবেক্ষণের জন্য একটি বিকিরণ-সহনশীল ক্যামেরা ডিজাইন করছে।

এই গবেষণাপত্র থেকে কাঠামোর প্রয়োগ:

1. সিস্টেমটিকে বিভক্ত করুন: গুরুত্বপূর্ণ, বিকিরণ-সংবেদনশীল উপ-উপাদানগুলি চিহ্নিত করুন: ইমেজ সেন্সর (CMOS/CCD), প্রতিরক্ষামূলক জানালা/লেন্স, পাওয়ার নিয়ন্ত্রণ সার্কিটরি।
2. চাপের উৎস সংজ্ঞায়িত করুন: পরিবেশে উচ্চ গামা ডোজ রেট এবং নিউট্রন ফ্লাক্স রয়েছে। গামা প্রাথমিকভাবে মোট আয়নাইজিং ডোজ (TID) প্রভাব সৃষ্টি করে, নিউট্রন স্থানচ্যুতি ক্ষতি সৃষ্টি করে।
3. পরীক্ষার উপাদান নির্বাচন করুন:
   • অপটিক্স: প্রার্থী লেন্স উপাদানের নমুনা সংগ্রহ করুন: ফিউজড সিলিকা, বিকিরণ-প্রতিরোধী কাচ (যেমন, BK7G18), এবং মানক অপটিক্যাল প্লাস্টিক।
   • ইলেকট্রনিক্স: প্রার্থী ভোল্টেজ রেগুলেটর সংগ্রহ করুন: মানক সিলিকন LDO এবং সম্ভাব্য সিলিকন কার্বাইড-ভিত্তিক বা কঠোরিত সিলিকন বিকল্প।
4. তুলনামূলক বিকিরণ সম্পাদন করুন:
   • সমস্ত অপটিক্যাল নমুনাকে প্রত্যাশিত জীবনকাল ডোজ (যেমন, 10 kGy) পর্যন্ত Co-60 গামা দ্বারা বিকিরিত করুন। সেন্সরের বর্ণালী পরিসরে RIA পরিমাপ করুন।
   • ইলেকট্রনিক উপাদানগুলিকে প্রত্যাশিত ফ্লুয়েন্স পর্যন্ত নিউট্রন (বা একটি প্রক্সি হিসাবে উচ্চ-শক্তি প্রোটন) দ্বারা বিকিরিত করুন। ড্রপআউট ভোল্টেজ, নয়েজ এবং কুইসেন্ট কারেন্টের মতো মূল পরামিতিগুলি পর্যবেক্ষণ করুন।
5. বিশ্লেষণ ও নির্বাচন: তথ্যের ভিত্তিতে, গ্রহণযোগ্য অবনতি সহ উপাদান/উপাদান নির্বাচন করুন। উদাহরণস্বরূপ, তথ্যগুলি একটি ফিউজড সিলিকা জানালা এবং একটি বিশেষভাবে কঠোরিত ভোল্টেজ রেগুলেটর নির্বাচন করতে বাধ্য করতে পারে, যখন মানক প্লাস্টিক লেন্স এবং বাণিজ্যিক সিলিকন রেগুলেটর বাতিল করতে পারে।

CERN গবেষণাপত্র দ্বারা সরাসরি অনুপ্রাণিত এই কাঠামোবদ্ধ, উপাদান-প্রথম পদ্ধতিটি ডিজাইন প্রক্রিয়ার শুরুতে উপাদান স্তরে শো-স্টপার চিহ্নিত করে সমন্বিত সিস্টেমের ব্যয়বহুল ব্যর্থতা রোধ করে।

10. ভবিষ্যত প্রয়োগ ও উন্নয়নের দিকনির্দেশ

• উন্নত উপাদান প্রকৌশল: কালার সেন্টার গঠন প্রতিরোধের জন্য ডিজাইন করা আণবিক কাঠামো সহ "বিকিরণ-গ্রেড" পলিমারের উন্নয়ন, সম্ভাব্যভাবে ন্যানো-কম্পোজিট বা নির্দিষ্ট অ্যাডিটিভ ব্যবহার করে র্যাডিকেল অপসারণের জন্য।
• পাওয়ার ইলেকট্রনিক্সে সিলিকন কার্বাইডের আধিপত্য: শুধুমাত্র আলোকসজ্জায় নয়, বিকিরণ পরিবেশের মধ্যে সমস্ত পাওয়ার কনভার্সন ইউনিটে (যেমন, চৌম্বক বিদ্যুৎ সরবরাহ, ডিটেক্টর ফ্রন্ট-এন্ড পাওয়ার) সিলিকন কার্বাইড MOSFET, JFET, এবং JBS ডায়োডের ব্যাপক গ্রহণ।
• সমন্বিত ফোটোনিক সিস্টেম: ত্বরক এবং ফিউশন রিঅ্যাক্টরে (যেমন, ITER) ডেটা ট্রান্সমিশনের জন্য অপটিক্যাল ফাইবার, স্প্লিটার এবং মডুলেটরের পরীক্ষা ও কঠোরকরণ, যেখানে RIA-এর নীতিগুলি সরাসরি প্রযোজ্য।
• পূর্বাভাসের জন্য মেশিন লার্নিং: এই ধরনের গবেষণা থেকে ডেটাসেট ব্যবহার করে মডেল প্রশিক্ষণ দেওয়া যা উপাদান বৈশিষ্ট্য এবং বিকিরণ বর্ণালীর ভিত্তিতে উপাদানের জীবনকাল এবং অবনতি পূর্বাভাস দেয়, বিকিরণ-সহনশীল সিস্টেমের জন্য ডিজাইন চক্র ত্বরান্বিত করে।
• নতুন পরিবেশে সম্প্রসারণ: চন্দ্র/মঙ্গল পৃষ্ঠের প্রয়োগের জন্য (কসমিক রে এবং সৌর কণা ঘটনার সংস্পর্শে) এবং পরবর্তী প্রজন্মের পারমাণবিক ফিশন রিঅ্যাক্টরের জন্য উপাদানগুলিতে এই যোগ্যতা অর্জনের পদ্ধতি প্রয়োগ করা।

11. তথ্যসূত্র

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.