آزمایش تابش اجزای نوری و نیمهرسانا برای چراغ‌های LED مقاوم در برابر تابش

1. مقدمه و مرور کلی

این کار، که در کنفرانس RADECS 2018 ارائه شد، به چالشی حیاتی در زیرساخت سرن می‌پردازد: جایگزینی روشنایی فلورسنت و سدیم منسوخ در تونل‌های شتاب‌دهنده با فناوری مدرن و کارآمد LED. مانع اصلی محیط تابشی خشن است، با سطوح سالانه بیش از $5 \times 10^{12}$ n_eq/cm² (معادل نوترون 1 مگاالکترون‌ولت در Si) و دز 1 کیلوگری. این مقاله به تفصیل یک کمپین تابشی سیستماتیک را برای تأیید صلاحیت اجزای منفرد—مواد نوری و دیودهای منبع تغذیه—برای ادغام در چراغ‌های LED مقاوم در برابر تابش شرح می‌دهد.

2. اجزای تحت آزمایش

این مطالعه بر دو دسته جزء حیاتی در یک چراغ LED متمرکز بود: عناصر نوری و دیودهای یکسوسازی در منبع تغذیه.

3. روش‌شناسی تابش و تنظیمات آزمایشی

مواد نوری: تابش پرتو گاما با استفاده از یک منبع ⁶⁰Co انجام شد. معیار کلیدی برای تخریب، تضعیف ناشی از تابش (RIA) القا شده بود که به صورت طیف‌سنجی اندازه‌گیری شد. نرخ دز و دز تجمعی کل (تا 100 کیلوگری) به دقت کنترل شد تا مواجهه طولانی‌مدت در تونل‌های شتاب‌دهنده شبیه‌سازی شود.

دیودهای نیمهرسانا: تابش پروتون در 24 GeV/c در تأسیسات IRRAD سرن انجام شد. مکانیسم تخریب اولیه در اینجا آسیب جابجایی است، جایی که ذرات پرانرژی اتم‌ها را از جایگاه شبکه‌ای خود خارج می‌کنند و عیوبی ایجاد می‌کنند که عملکرد الکتریکی را تخریب می‌کند. سطوح فلوئنس هدف فراتر از $8 \times 10^{13}$ n_eq/cm² بود.

4. نتایج و تحلیل

5. بینش‌های کلیدی و مکانیسم‌های تخریب

6. تحلیل اصلی: بینش هسته‌ای، جریان منطقی، نقاط قوت و ضعف، بینش‌های عملی

بینش هسته‌ای: این مطالعه سرن یک حقیقت به شدت عملی برای مهندسی محیط‌های خشن ارائه می‌دهد: هنگام مواجهه با تابش یونیزان، اصالت ماده همه چیز است و اجزای آماده تجاری (COTS) به روش‌های قابل پیش‌بینی و طبقه‌بندی‌شده شکست می‌خورند. ارزش واقعی فقط در رتبه‌بندی کوارتز ذوب‌شده نسبت به پلی‌کربنات نیست، بلکه در کمّی‌سازی شکاف عملکرد تحت شرایط یکسان و واقع‌بینانه برای هدایت انتخاب جزء عملی است.

جریان منطقی: ساختار مقاله الگویی از پژوهش کاربردی است. با یک مشکل عملیاتی واضح (روشنایی منسوخ) شروع می‌کند، سیستم را به آسیب‌پذیرترین زیرواحدهایش (اپتیک، الکترونیک قدرت) تجزیه می‌کند، نمونه‌های نماینده را در معرض عوامل استرس‌زای مرتبط (گاما برای اپتیک، پروتون برای آسیب جابجایی در نیمهرساناها) قرار می‌دهد و تخریب را به مکانیسم‌های فیزیکی نگاشت می‌دهد. این زنجیره علت و معلولی از نیاز سیستم تا علم مواد بی‌عیب است.

نقاط قوت و ضعف: نقطه قوت اصلی روش‌شناسی مقایسه‌ای آن است. آزمایش مواد متنوع (شیشه‌ها در مقابل پلیمرها) و فناوری‌های نیمهرسانا (Si در مقابل SiC) در کنار هم تحت شرایط کنترل‌شده، راهنمای قطعی ارائه می‌دهد. استفاده از پروتون‌های پرانرژی برای آزمایش دیود نیز یک نقطه قوت است که به طور دقیق محیط میدان مختلط یک تونل شتاب‌دهنده را شبیه‌سازی می‌کند. با این حال، یک ضعف عدم آزمایش اثرات ترکیبی است. در یک چراغ واقعی، اپتیک و الکترونیک به طور همزمان تابیده می‌شوند؛ اثرات هم‌افزایی (مانند گرمای ناشی از تخریب دیود که بر اپتیک پلاستیکی تأثیر می‌گذارد) بررسی نشده است. علاوه بر این، در حالی که برتری SiC واضح است، این مطالعه به تحلیل هزینه-فایده، یک عامل حیاتی برای استقرار در مقیاس بزرگ در سرن یا تأسیسات هسته‌ای، نمی‌پردازد.

بینش‌های عملی: برای مهندسان، نتیجه گیری واضح است: 1) پلاستیک‌های استاندارد برای عناصر نوری در میدان‌های سطح کیلوگری غیرقابل استفاده هستند. جستجو باید بر روی پلیمرهای درجه تابشی متمرکز شود یا به سیلیکای ذوب‌شده/کوارتز بازگردد. 2) SiC برای زمان اوج در الکترونیک قدرت برای این محیط‌ها آماده است. داده‌ها به شدت از پذیرش آن نسبت به Si برای یکسوسازی و کلیدزنی حمایت می‌کنند. 3) این رویکرد تأیید صلاحیت در سطح جزء باید الگویی برای مقاوم‌سازی هر سیستم پیچیده (حسگرها، دوربین‌ها، رباتیک) برای استفاده در شتاب‌دهنده‌های ذرات، فضا (همانطور که توسط داده‌های آزمایش جزء آژانس فضایی اروپا پشتیبانی می‌شود) یا رآکتورهای شکافت/گداخت باشد. ابتدا کل سیستم را آزمایش نکنید؛ ضعیف‌ترین حلقه‌ها را شناسایی و بی‌رحمانه آزمایش کنید.

7. جزئیات فنی و مدل‌های ریاضی

تخریب مواد نوری اغلب توسط ضریب تضعیف ناشی از تابش (RIA) مدل‌سازی می‌شود:

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

که در آن $\alpha_{RIA}$ ضریب تضعیف (سانتی‌متر⁻¹)، $L$ ضخامت نمونه، $T_0$ عبور اولیه، $T_D$ عبور پس از دز $D$، و $\lambda$ طول‌موج است.

برای نیمهرساناها، آسیب جابجایی توسط اتلاف انرژی غیر یونیزان (NIEL) کمّی‌سازی می‌شود که با فلوئنس ذره $\Phi$ و یک فاکتور آسیب $\kappa$ مقیاس می‌یابد:

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

که در آن $\Delta V_F$ تغییر در ولتاژ مستقیم است. فاکتور آسیب $\kappa$ برای SiC به طور قابل توجهی کمتر از Si است که برتری مقاومت آن را توضیح می‌دهد.

8. نتایج آزمایشی و توصیف نمودار

نمودار مفهومی: عبور نوری در مقابل دز

یک نمودار را تصور کنید که دز تجمعی کل (کیلوگری، مقیاس لگاریتمی) روی محور X و عبور نوری نرمال‌شده در 500 نانومتر (درصد) روی محور Y دارد.

• خط کوارتز ذوب‌شده (FQ): یک خط تقریباً افقی، که کاهش جزئی از 100% به ~95% در 100 کیلوگری را نشان می‌دهد. این نشان‌دهنده حداقل تیرگی است.
• خط بوروسیلیکات (BS): یک خط با شیب ملایم، که از 100% به حدود 80-70% در 100 کیلوگری نزول می‌کند.
• خطوط PMMA و PC: دو منحنی با سقوط شدید. PMMA ممکن است به ~30% و PC به کمتر از 20% عبور در 100 کیلوگری کاهش یابد که نشان‌دهنده شکست شدید برای کاربردهای نوری است.

نمودار مفهومی: افزایش ولتاژ مستقیم دیود در مقابل فلوئنس پروتون

یک نمودار با فلوئنس معادل نوترون 1 مگاالکترون‌ولت (n/cm²، مقیاس لگاریتمی) روی محور X و درصد افزایش در ولتاژ مستقیم ($\Delta V_F / V_{F0}$ %) روی محور Y.

• خط دیود Si: یک خط شیب‌دار و رو به بالا، که افزایش‌های 50%، 100% یا بیشتر را در فلوئنس‌های بالاتر از $10^{14}$ n/cm² نشان می‌دهد.
• خط دیود JBS کاربید سیلیکون: یک افزایش بسیار کم‌شیب، تقریباً خطی، که حتی در بالاترین فلوئنس‌های آزمایش شده زیر 15-10% افزایش باقی می‌ماند و استحکام آن را برجسته می‌کند.

9. چارچوب تحلیل: یک مطالعه موردی غیرکد

سناریو: یک تیم در حال طراحی یک دوربین مقاوم‌سازی‌شده در برابر تابش برای نظارت داخل ساختمان محفظه یک رآکتور هسته‌ای است.

کاربرد چارچوب از این مقاله:

1. تجزیه سیستم: شناسایی زیراجزای حیاتی و حساس به تابش: حسگر تصویر (CMOS/CCD)، پنجره/لنز محافظ، مدار تنظیم توان.
2. تعریف عامل استرس‌زا: محیط دارای نرخ دز گامای بالا و شار نوترون است. گاما عمدتاً باعث اثرات دز یونیزان کل (TID) می‌شود و نوترون‌ها باعث آسیب جابجایی می‌شوند.
3. انتخاب اجزای آزمایش:
   • اپتیک: نمونه‌هایی از مواد لنز کاندید تهیه کنید: سیلیکای ذوب‌شده، شیشه مقاوم در برابر تابش (مانند BK7G18)، و پلاستیک‌های نوری استاندارد.
   • الکترونیک: تنظیم‌کننده‌های ولتاژ کاندید تهیه کنید: LDOهای استاندارد Si و جایگزین‌های بالقوه مبتنی بر SiC یا مقاوم‌سازی‌شده Si.
4. اجرای تابش مقایسه‌ای:
   • همه نمونه‌های نوری را با گامای Co-60 تا دز عمر مورد انتظار (مثلاً 10 کیلوگری) تابش دهید. RIA را در محدوده طیفی حسگر اندازه‌گیری کنید.
   • اجزای الکترونیکی را با نوترون‌ها (یا پروتون‌های پرانرژی به عنوان جایگزین) تا فلوئنس مورد انتظار تابش دهید. پارامترهای کلیدی مانند ولتاژ افت، نویز و جریان بی‌بار را نظارت کنید.
5. تحلیل و انتخاب: بر اساس داده‌ها، ماده/جزئی را با تخریب قابل قبول انتخاب کنید. برای مثال، داده‌ها ممکن است انتخاب یک پنجره سیلیکای ذوب‌شده و یک تنظیم‌کننده ولتاژ مقاوم‌سازی‌شده ویژه را اجبار کنند، در حالی که لنزهای پلاستیکی استاندارد و تنظیم‌کننده‌های Si تجاری را رد می‌کنند.

این رویکرد ساختاریافته، جزء-اول، که مستقیماً از مقاله سرن الهام گرفته شده است، با شناسایی موانع اصلی در سطح ماده در مراحل اولیه فرآیند طراحی، از شکست‌های پرهزینه سیستم‌های یکپارچه جلوگیری می‌کند.

10. کاربردهای آینده و جهت‌های توسعه

• مهندسی مواد پیشرفته: توسعه پلیمرهای "درجه تابشی" با ساختارهای مولکولی طراحی‌شده برای مقاومت در برابر تشکیل مراکز رنگی، احتمالاً با استفاده از نانوکامپوزیت‌ها یا افزودنی‌های خاص برای جذب رادیکال‌ها.
• سلطه SiC در الکترونیک قدرت: پذیرش گسترده‌تر MOSFETها، JFETها و دیودهای JBS مبتنی بر SiC نه تنها در روشنایی بلکه در تمام واحدهای تبدیل توان در محیط‌های تابشی (مانند منابع تغذیه آهنربا، توان فرانت‌اند آشکارساز).
• سیستم‌های فوتونیک یکپارچه: آزمایش و مقاوم‌سازی فیبرهای نوری، تقسیم‌کننده‌ها و مدولاتورها برای انتقال داده در شتاب‌دهنده‌ها و رآکتورهای گداخت (مانند ITER)، جایی که اصول RIA مستقیماً قابل اعمال است.
• یادگیری ماشین برای پیش‌بینی: استفاده از مجموعه داده‌ها از مطالعاتی مانند این برای آموزش مدل‌هایی که عمر مفید و تخریب جزء را بر اساس خواص مواد و طیف‌های تابشی پیش‌بینی می‌کنند و چرخه طراحی سیستم‌های مقاوم در برابر تابش را تسریع می‌کنند.
• گسترش به محیط‌های جدید: اعمال این روش‌شناسی تأیید صلاحیت به اجزا برای کاربردهای سطح ماه/مریخ (در معرض پرتوهای کیهانی و رویدادهای ذرات خورشیدی) و رآکتورهای شکافت هسته‌ای نسل بعدی.

11. مراجع

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.