विकिरण-सहिष्णु एलईडी ल्यूमिनेयर्स के लिए ऑप्टिकल और सेमीकंडक्टर घटकों का विकिरण परीक्षण

1. Introduction & Overview

यह कार्य, जो 2018 RADECS सम्मेलन में प्रस्तुत किया गया था, CERN में एक महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचे की चुनौती को संबोधित करता है: त्वरक सुरंगों में पुराने फ्लोरोसेंट और सोडियम प्रकाश व्यवस्था को आधुनिक, कुशल LED प्रौद्योगिकी से बदलना। मुख्य बाधा कठोर विकिरण वातावरण है, जहाँ वार्षिक स्तर $5 \times 10^{12}$ n_eq/cm² (1 MeV neutron equivalent in Si) और 1 kGy खुराक से अधिक है। यह पत्र विकिरण-सहिष्णु LED ल्यूमिनेयर में एकीकरण के लिए व्यक्तिगत घटकों—ऑप्टिकल सामग्री और बिजली आपूर्ति डायोड—को योग्य बनाने के लिए एक व्यवस्थित विकिरण अभियान का विस्तार से वर्णन करता है।

2. परीक्षणाधीन घटक

अध्ययन ने एक एलईडी ल्यूमिनेयर के भीतर दो महत्वपूर्ण घटक श्रेणियों पर ध्यान केंद्रित किया: ऑप्टिकल तत्व और बिजली आपूर्ति में रेक्टिफिकेशन डायोड।

3. Irradiation Methodology & Experimental Setup

प्रकाशीय सामग्री: गामा-रे विकिरण एक ⁶⁰Co स्रोत का उपयोग करके किया गया था। अवक्रमण के लिए प्रमुख मीट्रिक प्रेरित Radiation-Induced Attenuation (RIA) था।, स्पेक्ट्रोफोटोमेट्रिक रूप से मापा गया। त्वरक सुरंगों में दीर्घकालिक एक्सपोजर का अनुकरण करने के लिए डोज़ दर और कुल एकत्रित डोज़ (100 kGy तक) को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया गया था।

सेमीकंडक्टर डायोड: 24 GeV/c पर प्रोटॉन विकिरण CERN IRRAD सुविधा पर किया गया। यहाँ प्राथमिक अवक्रमण तंत्र है विस्थापन क्षति, जहाँ उच्च-ऊर्जा कण जालक स्थलों से परमाणुओं को विस्थापित करते हैं, जिससे दोष उत्पन्न होते हैं जो विद्युतीय प्रदर्शन को ह्रासित करते हैं। लक्षित फ्लूएन्स स्तर $8 \times 10^{13}$ n से अधिक थे।_eq/cm².

4. Results & Analysis

5. Key Insights & Degradation Mechanisms

6. Original Analysis: Core Insight, Logical Flow, Strengths & Flaws, Actionable Insights

मुख्य अंतर्दृष्टि: This CERN study delivers a brutally practical truth for harsh-environment engineering: when facing ionizing radiation, material pedigree is everything, and commercial off-the-shelf (COTS) components fail in predictable, stratified ways. The real value isn't just in ranking Fused Quartz over polycarbonate, but in quantifying the प्रदर्शन अंतर कार्रवाई योग्य घटक चयन को प्रेरित करने के लिए समान, यथार्थवादी परिस्थितियों में।

Logical Flow: पेपर की संरचना अनुप्रयुक्त अनुसंधान का एक आदर्श उदाहरण है। यह एक स्पष्ट परिचालनात्मक समस्या (अप्रचलित प्रकाश व्यवस्था) से शुरू होता है, सिस्टम को उसके सबसे कमजोर उप-इकाइयों (ऑप्टिक्स, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स) में विघटित करता है, प्रतिनिधि नमूनों को प्रासंगिक तनाव कारकों (सेमीकंडक्टर्स में विस्थापन क्षति के लिए ऑप्टिक्स के लिए गामा, प्रोटॉन) के अधीन करता है, और गिरावट को भौतिक तंत्रों से जोड़ता है। सिस्टम आवश्यकता से सामग्री विज्ञान तक का यह कारण-प्रभाव श्रृंखला निर्दोष है।

Strengths & Flaws: प्रमुख शक्ति इसकी तुलनात्मक पद्धति. नियंत्रित परिस्थितियों में विभिन्न सामग्रियों (कांच बनाम पॉलिमर) और अर्धचालक प्रौद्योगिकियों (Si बनाम SiC) का साथ-साथ परीक्षण एक निश्चित मार्गदर्शन प्रदान करता है। डायोड परीक्षण के लिए उच्च-ऊर्जा प्रोटॉन का उपयोग भी एक मजबूत पक्ष है, जो एक त्वरक सुरंग के मिश्रित-क्षेत्र वातावरण का सटीक अनुकरण करता है। हालांकि, एक कमी यह है कि संयुक्त-प्रभाव परीक्षण का अभाव. एक वास्तविक प्रकाश स्रोत में, प्रकाशिकी और इलेक्ट्रॉनिक्स एक साथ विकिरित होते हैं; सहक्रियात्मक प्रभावों (जैसे, डायोड अवक्रमण से उत्पन्न ऊष्मा का प्लास्टिक प्रकाशिकी को प्रभावित करना) का अन्वेषण नहीं किया गया है। इसके अलावा, हालांकि SiC की श्रेष्ठता स्पष्ट है, अध्ययन लागत-लाभ विश्लेषण में गहराई से नहीं उतरता, जो CERN या परमाणु सुविधाओं में बड़े पैमाने पर तैनाती के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है।

कार्रवाई योग्य अंतर्दृष्टि: इंजीनियरों के लिए, निष्कर्ष स्पष्ट है: 1) Standard plastics are a non-starter kGy-स्तर के क्षेत्रों में प्रकाशिक तत्वों के लिए। खोज विकिरण-ग्रेड पॉलिमर पर केंद्रित होनी चाहिए या फ्यूज्ड सिलिका/क्वार्ट्ज को डिफ़ॉल्ट करना चाहिए। 2) SiC पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में प्राइम टाइम के लिए तैयार है। इन वातावरणों के लिए। डेटा दृढ़ता से रेक्टिफिकेशन और स्विचिंग के लिए Si पर इसके अपनाने का समर्थन करता है। 3) इस घटक-स्तरीय योग्यता दृष्टिकोण को होना चाहिए किसी भी जटिल प्रणाली को कठोर बनाने के लिए ब्लूप्रिंट। (सेंसर, कैमरे, रोबोटिक्स) जिनका उपयोग कण त्वरकों, अंतरिक्ष (जैसा कि ESA के घटक परीक्षण डेटा द्वारा समर्थित है), या विखंडन/संलयन रिएक्टरों में किया जा सके। पहले पूरी प्रणाली का परीक्षण न करें; सबसे कमजोर कड़ियों की पहचान करें और निर्दयतापूर्वक उनका परीक्षण करें।

7. Technical Details & Mathematical Models

The degradation of optical materials is often modeled by the Radiation-Induced Attenuation (RIA) था। गुणांक:

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

जहाँ $\alpha_{RIA}$ क्षीणन गुणांक (cm⁻¹) है, $L$ नमूने की मोटाई है, $T_0$ प्रारंभिक संप्रेषण है, $T_D$ खुराक $D$ के बाद संप्रेषण है, और $\lambda$ तरंगदैर्ध्य है।

अर्धचालकों के लिए, विस्थापन क्षति को मात्रात्मक रूप से व्यक्त किया जाता है Non-Ionizing Energy Loss (NIEL), जो कण प्रवाह $\Phi$ और एक क्षति कारक $\kappa$ के साथ समानुपाती होता है:

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

जहाँ $\Delta V_F$ फॉरवर्ड वोल्टेज में परिवर्तन है। SiC के लिए क्षति कारक $\kappa$, Si की तुलना में काफी कम है, जो इसकी श्रेष्ठ कठोरता की व्याख्या करता है।

8. Experimental Results & Chart Description

संकल्पनात्मक चार्ट: ऑप्टिकल ट्रांसमिशन बनाम डोज

एक चार्ट की कल्पना करें जिसमें X-अक्ष पर टोटल इंटीग्रेटेड डोज (kGy, लॉग स्केल) और Y-अक्ष पर 500 nm पर नॉर्मलाइज्ड ऑप्टिकल ट्रांसमिशन (%) है।

• Fused Quartz (FQ) Line: एक लगभग क्षैतिज रेखा, जो 100 kGy पर 100% से ~95% तक मामूली गिरावट दर्शाती है। यह न्यूनतम कालापन दर्शाता है।
• Borosilicate (BS) Line: एक धीरे से ढलान वाली रेखा, 100 kGy पर 100% से लगभग 70-80% तक उतरती हुई।
• PMMA & PC Lines: दो तेजी से गिरती हुई वक्र रेखाएँ। 100 kGy पर, PMMA का संचरण लगभग 30% और PC का 20% से नीचे गिर सकता है, जो प्रकाशीय अनुप्रयोगों के लिए गंभीर विफलता को दर्शाता है।

Conceptual Chart: Diode Forward Voltage Increase vs. Proton Fluence

1 MeV n के साथ एक चार्ट_eq X-अक्ष पर फ्लुएंस (n/cm², लॉग स्केल) और Y-अक्ष पर फॉरवर्ड वोल्टेज में प्रतिशत वृद्धि ($\Delta V_F / V_{F0}$ %).

• Si Diode Line: एक तीव्र, ऊपर की ओर वक्र रेखा, जो $10^{14}$ n/cm² से अधिक फ्लुएंस पर 50%, 100%, या अधिक की वृद्धि दर्शाती है।
• SiC JBS Diode Line: एक बहुत ही मंद, लगभग रैखिक वृद्धि, जो उच्चतम परीक्षित फ्लुएंस पर भी 10-15% वृद्धि से नीचे रहती है, जो इसकी मजबूती को उजागर करती है।

9. Analysis Framework: A Non-Code Case Study

परिदृश्य: एक टीम एक परमाणु रिएक्टर नियंत्रण भवन के अंदर निगरानी के लिए एक विकिरण-सहिष्णु कैमरा डिजाइन कर रही है।

इस पेपर से फ्रेमवर्क का अनुप्रयोग:

1. सिस्टम को विघटित करें: महत्वपूर्ण, विकिरण-संवेदनशील उप-घटकों की पहचान करें: इमेज सेंसर (CMOS/CCD), सुरक्षात्मक विंडो/लेंस, पावर रेगुलेशन सर्किट्री।
2. स्ट्रेसर को परिभाषित करें: पर्यावरण में उच्च गामा डोज दरें और न्यूट्रॉन फ्लक्स होते हैं। गामा मुख्य रूप से कुल आयनीकरण डोज (TID) प्रभाव पैदा करता है, न्यूट्रॉन विस्थापन क्षति का कारण बनते हैं।
3. परीक्षण घटकों का चयन करें:
   • प्रकाशिकी: उम्मीदवार लेंस सामग्री के स्रोत नमूने: फ्यूज्ड सिलिका, विकिरण-प्रतिरोधी कांच (उदाहरणार्थ, BK7G18), और मानक प्रकाशिकी प्लास्टिक।
   • इलेक्ट्रॉनिक्स: स्रोत उम्मीदवार वोल्टेज रेगुलेटर: मानक Si LDOs और संभावित SiC-आधारित या कठोर Si विकल्प।
4. तुलनात्मक विकिरण क्रियान्वित करें:
   • सभी ऑप्टिकल नमूनों को अपेक्षित जीवनकाल खुराक (उदाहरणार्थ, 10 kGy) तक Co-60 गामा से विकिरित करें। सेंसर के वर्णक्रमीय रेंज में RIA मापें।
   • इलेक्ट्रॉनिक घटकों को अपेक्षित फ्लूएंस तक न्यूट्रॉन (या प्रॉक्सी के रूप में उच्च-ऊर्जा प्रोटॉन) से विकिरणित करें। ड्रॉपआउट वोल्टेज, शोर और निष्क्रिय धारा जैसे प्रमुख पैरामीटरों की निगरानी करें।
5. Analyze & Select: डेटा के आधार पर, स्वीकार्य क्षरण वाली सामग्री/घटक का चयन करें। उदाहरण के लिए, डेटा फ्यूज्ड सिलिका विंडो और विशेष रूप से कठोर वोल्टेज रेगुलेटर के चयन को बाध्य कर सकता है, जबकि मानक प्लास्टिक लेंस और वाणिज्यिक Si रेगुलेटर को अस्वीकार कर सकता है।

CERN पेपर से सीधे प्रेरित यह संरचित, घटक-प्रथम दृष्टिकोण, डिज़ाइन प्रक्रिया के प्रारंभ में ही सामग्री स्तर पर गंभीर बाधाओं की पहचान करके एकीकृत प्रणालियों की महंगी विफलताओं को रोकता है।

10. Future Applications & Development Directions

• उन्नत सामग्री इंजीनियरिंग: "रेडिएशन-ग्रेड" पॉलिमर का विकास जिनके आणविक संरचनाओं को रंग केंद्र निर्माण का प्रतिरोध करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, संभावित रूप से नैनो-कम्पोजिट या विशिष्ट एडिटिव्स का उपयोग करके रेडिकल्स को निष्क्रिय करने के लिए।
• पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में SiC की प्रभुत्व: SiC MOSFETs, JFETs, और JBS diodes का व्यापक अपनाव केवल प्रकाश व्यवस्था में ही नहीं, बल्कि विकिरण वाले वातावरणों (जैसे, चुंबकीय शक्ति आपूर्ति, डिटेक्टर फ्रंट-एंड शक्ति) के भीतर सभी शक्ति रूपांतरण इकाइयों में।
• एकीकृत फोटोनिक प्रणालियाँ: त्वरकों और संलयन रिएक्टरों (जैसे, ITER) में डेटा संचरण के लिए ऑप्टिकल फाइबर, स्प्लिटर्स और मॉड्यूलेटर्स का परीक्षण और सुदृढ़ीकरण, जहाँ RIA के सिद्धांत सीधे लागू होते हैं।
• पूर्वानुमान के लिए मशीन लर्निंग: इस तरह के अध्ययनों से डेटासेट का उपयोग करके ऐसे मॉडल प्रशिक्षित करना जो सामग्री गुणों और विकिरण स्पेक्ट्रा के आधार पर घटक जीवनकाल और अवक्रमण की भविष्यवाणी करते हैं, जिससे रेड-हार्ड सिस्टम के डिज़ाइन चक्र में तेजी आती है।
• नए वातावरणों में विस्तार: इस योग्यता पद्धति को चंद्र/मंगल सतह अनुप्रयोगों (ब्रह्मांडीय किरणों और सौर कण घटनाओं के संपर्क में) और अगली पीढ़ी के परमाणु विखंडन रिएक्टरों के लिए घटकों पर लागू करना।

11. References

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., खंड 63, संख्या 2, पृष्ठ 841-847, अप्रैल 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.
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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.