Ujian Sinaran bagi Komponen Optik dan Semikonduktor untuk Armatur LED Tahan Sinaran

1. Pengenalan & Gambaran Keseluruhan

Kajian ini, yang dibentangkan di persidangan RADECS 2018, menangani cabaran infrastruktur kritikal di CERN: menggantikan lampu pendarfluor dan natrium yang lapuk di terowong pemecut dengan teknologi LED moden yang cekap. Halangan utama ialah persekitaran sinaran yang keras, dengan tahap tahunan melebihi $5 \times 10^{12}$ n_eq/cm² (setara neutron 1 MeV dalam Si) dan dos 1 kGy. Kertas kerja ini memperincikan kempen penyinaran sistematik untuk melayakkan komponen individu—bahan optik dan diod bekalan kuasa—untuk diintegrasikan ke dalam armatur LED tahan sinaran.

2. Komponen yang Diuji

Kajian ini memfokuskan kepada dua kategori komponen kritikal dalam armatur LED: elemen optik dan diod penerus dalam bekalan kuasa.

3. Metodologi Penyinaran & Persediaan Eksperimen

Bahan Optik: Penyinaran sinar gama dilakukan menggunakan sumber ⁶⁰Co. Metrik utama untuk kemerosotan ialah Attenuasi Teraruh Sinaran (RIA) yang diukur secara spektrofotometri. Kadar dos dan jumlah dos bersepadu (sehingga 100 kGy) dikawal dengan teliti untuk mensimulasikan pendedahan jangka panjang di terowong pemecut.

Diod Semikonduktor: Penyinaran proton pada 24 GeV/c dijalankan di fasiliti CERN IRRAD. Mekanisme kemerosotan utama di sini ialah kerosakan anjakan, di mana zarah bertenaga tinggi mengeluarkan atom dari tapak kekisi mereka, mencipta kecacatan yang merosot prestasi elektrik. Tahap fluens yang disasarkan adalah melebihi $8 \times 10^{13}$ n_eq/cm².

4. Keputusan & Analisis

5. Wawasan Utama & Mekanisme Kemerosotan

6. Analisis Asal: Wawasan Teras, Aliran Logik, Kekuatan & Kelemahan, Wawasan Boleh Tindak

Wawasan Teras: Kajian CERN ini menyampaikan kebenaran praktikal yang keras untuk kejuruteraan persekitaran keras: apabila berhadapan dengan sinaran mengion, keturunan bahan adalah segalanya, dan komponen sedia ada komersial (COTS) gagal dengan cara yang boleh diramal dan berstrata. Nilai sebenar bukan hanya dalam mengkedudukan Kuarsa Tersatu lebih tinggi daripada polikarbonat, tetapi dalam mengkuantifikasi jurang prestasi di bawah keadaan yang sama dan realistik untuk mendorong pemilihan komponen yang boleh ditindak.

Aliran Logik: Struktur kertas kerja ini adalah model penyelidikan gunaan. Ia bermula dengan masalah operasi yang jelas (pencahayaan lapuk), menguraikan sistem kepada sub-unit paling terdedah (optik, elektronik kuasa), mendedahkan sampel perwakilan kepada tekanan berkaitan (gama untuk optik, proton untuk kerosakan anjakan dalam semikonduktor), dan memetakan kemerosotan kepada mekanisme fizikal. Rantai sebab-akibat dari keperluan sistem ke sains bahan ini adalah sempurna.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatan utamanya ialah metodologi perbandingannya. Menguji pelbagai bahan (kaca vs. polimer) dan teknologi semikonduktor (Si vs. SiC) secara berdampingan di bawah keadaan terkawal menyediakan panduan muktamad. Penggunaan proton bertenaga tinggi untuk ujian diod juga merupakan kekuatan, mensimulasikan dengan tepat persekitaran medan campuran terowong pemecut. Walau bagaimanapun, kelemahannya ialah kekurangan ujian kesan gabungan. Dalam armatur sebenar, optik dan elektronik disinari serentak; kesan sinergi (contohnya, haba dari kemerosotan diod yang menjejaskan optik plastik) tidak diterokai. Tambahan pula, walaupun keunggulan SiC jelas, kajian tidak menyelami analisis kos-faedah, faktor kritikal untuk penyebaran berskala besar di CERN atau fasiliti nuklear.

Wawasan Boleh Tindak: Untuk jurutera, pengajaran adalah jelas: 1) Plastik piawai tidak boleh digunakan untuk elemen optik dalam medan tahap kGy. Pencarian harus memfokuskan pada polimer gred sinaran atau kembali kepada silika tersatu/kuarsa. 2) SiC sudah bersedia untuk elektronik kuasa dalam persekitaran ini. Data menyokong kuat penggunaannya menggantikan Si untuk penerusan dan pensuisan. 3) Pendekatan kelayakan peringkat komponen ini harus menjadi cetak biru untuk mengeraskan mana-mana sistem kompleks (penderia, kamera, robotik) untuk digunakan dalam pemecut zarah, angkasa (seperti yang disokong oleh data ujian komponen ESA), atau reaktor pembelahan/pelakuran. Jangan uji keseluruhan sistem dahulu; kenal pasti dan uji tanpa belas kasihan pautan terlemah.

7. Butiran Teknikal & Model Matematik

Kemerosotan bahan optik sering dimodelkan oleh pekali Attenuasi Teraruh Sinaran (RIA):

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

di mana $\alpha_{RIA}$ ialah pekali attenuasi (cm⁻¹), $L$ ialah ketebalan sampel, $T_0$ ialah transmisi awal, $T_D$ ialah transmisi selepas dos $D$, dan $\lambda$ ialah panjang gelombang.

Untuk semikonduktor, kerosakan anjakan dikuantifikasi oleh Kehilangan Tenaga Bukan Pengionan (NIEL), yang berkadar dengan fluens zarah $\Phi$ dan faktor kerosakan $\kappa$:

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

di mana $\Delta V_F$ ialah perubahan voltan hadapan. Faktor kerosakan $\kappa$ jauh lebih rendah untuk SiC berbanding Si, menjelaskan ketahanan unggulnya.

8. Keputusan Eksperimen & Penerangan Carta

Carta Konsep: Transmisi Optik vs. Dos

Bayangkan carta dengan Jumlah Dos Bersepadu (kGy, skala log) pada paksi-X dan Transmisi Optik Dinormalisasi pada 500 nm (%) pada paksi-Y.

• Garis Kuarsa Tersatu (FQ): Garis hampir mendatar, menunjukkan penurunan sedikit dari 100% ke ~95% pada 100 kGy. Ini menunjukkan penggelapan minimum.
• Garis Borosilikat (BS): Garis landai perlahan, menurun dari 100% ke sekitar 70-80% pada 100 kGy.
• Garis PMMA & PC: Dua lengkung yang menjunam curam. PMMA mungkin jatuh ke ~30% dan PC ke bawah 20% transmisi pada 100 kGy, menunjukkan kegagalan teruk untuk aplikasi optik.

Carta Konsep: Peningkatan Voltan Hadapan Diod vs. Fluens Proton

Carta dengan Fluens setara n 1 MeV (n/cm², skala log) pada paksi-X dan Peratusan Peningkatan Voltan Hadapan ($\Delta V_F / V_{F0}$ %) pada paksi-Y.

• Garis Diod Si: Garis curam melengkung ke atas, menunjukkan peningkatan 50%, 100%, atau lebih pada fluens melebihi $10^{14}$ n/cm².
• Garis Diod SiC JBS: Peningkatan yang sangat cetek, hampir linear, kekal di bawah peningkatan 10-15% walaupun pada fluens ujian tertinggi, menonjolkan keteguhannya.

9. Kerangka Analisis: Kajian Kes Bukan Kod

Skenario: Sebuah pasukan mereka bentuk kamera tahan sinaran untuk pemantauan di dalam bangunan penyelenggaraan reaktor nuklear.

Aplikasi Kerangka dari Kertas Kerja Ini:

1. Uraikan Sistem: Kenal pasti sub-komponen kritikal yang sensitif sinaran: Penderia imej (CMOS/CCD), tingkap/kanta pelindung, litar pengawalaturan kuasa.
2. Tentukan Tekanan: Persekitaran mempunyai kadar dos gama tinggi dan fluks neutron. Gama terutamanya menyebabkan kesan dos pengionan total (TID), neutron menyebabkan kerosakan anjakan.
3. Pilih Komponen Ujian:
   • Optik: Sumber sampel bahan kanta calon: silika tersatu, kaca tahan sinaran (contohnya, BK7G18), dan plastik optik piawai.
   • Elektronik: Sumber pengatur voltan calon: LDO Si piawai dan alternatif berasaskan SiC atau Si yang dikeraskan.
4. Laksanakan Penyinaran Perbandingan:
   • Sinari semua sampel optik dengan gama Co-60 ke dos jangka hayat yang dijangkakan (contohnya, 10 kGy). Ukur RIA merentasi julat spektrum penderia.
   • Sinari komponen elektronik dengan neutron (atau proton bertenaga tinggi sebagai proksi) ke fluens yang dijangkakan. Pantau parameter utama seperti susutan voltan, hingar, dan arus rehat.
5. Analisis & Pilih: Berdasarkan data, pilih bahan/komponen dengan kemerosotan yang boleh diterima. Contohnya, data mungkin memaksa pemilihan tingkap silika tersatu dan pengatur voltan yang dikeraskan khas, sambil menolak kanta plastik piawai dan pengatur Si komersial.

Pendekatan berstruktur, komponen-dahulu ini, yang diilhamkan secara langsung oleh kertas kerja CERN, menghalang kegagalan sistem bersepadu yang mahal dengan mengenal pasti halangan utama pada peringkat bahan awal dalam proses reka bentuk.

10. Aplikasi Masa Depan & Hala Tuju Pembangunan

• Kejuruteraan Bahan Lanjutan: Pembangunan polimer "gred sinaran" dengan struktur molekul direka untuk menentang pembentukan pusat warna, berpotensi menggunakan nano-komposit atau bahan tambahan khusus untuk mengumpul radikal.
• Dominasi SiC dalam Elektronik Kuasa: Penggunaan meluas MOSFET SiC, JFET, dan diod JBS bukan hanya dalam pencahayaan tetapi dalam semua unit penukaran kuasa dalam persekitaran sinaran (contohnya, bekalan kuasa magnet, kuasa hadapan pengesan).
• Sistem Fotonik Bersepadu: Ujian dan pengerasan gentian optik, pembahagi, dan modulator untuk penghantaran data dalam pemecut dan reaktor pelakuran (contohnya, ITER), di mana prinsip RIA boleh digunakan secara langsung.
• Pembelajaran Mesin untuk Ramalan: Menggunakan set data dari kajian seperti ini untuk melatih model yang meramalkan jangka hayat dan kemerosotan komponen berdasarkan sifat bahan dan spektrum sinaran, mempercepatkan kitaran reka bentuk untuk sistem tahan sinaran.
• Pengembangan ke Persekitaran Baru: Mengaplikasikan metodologi kelayakan ini kepada komponen untuk aplikasi permukaan bulan/Mars (terdedah kepada sinar kosmik dan peristiwa zarah suria) dan reaktor pembelahan nuklear generasi seterusnya.

11. Rujukan

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.