Uchunguzi wa Mionzi kwa Vipengele vya Optiki na Semiconductor kwa Taa za LED Zilizostahimili Mionzi

1. Utangulizi na Muhtasari

Kazi hii, iliyowasilishwa katika mkutano wa RADECS wa 2018, inashughulikia changamoto muhimu ya miundombinu katika CERN: kubadilisha taa za zamani za fluorescent na sodiamu katika vitunusi vya kasi na teknolojia ya kisasa na yenye ufanisi ya LED. Kikwazo kikuu ni mazingira magumu ya mionzi, na viwango vya kila mwaka vikizidi $5 \times 10^{12}$ n_eq/cm² (sawa na neutroni 1 MeV katika Si) na dozi ya 1 kGy. Karatasi hii inaelezea kwa kina kampeni ya utaratibu wa uchunguzi wa mionzi ili kuhakikisha vipengele binafsi—nyenzo za optiki na diode za usambazaji wa umeme—vinavyoweza kuunganishwa katika taa za LED zilizostahimili mionzi.

2. Vipengele Vinavyochunguzwa

Utafiti huu ulilenga makundi mawili muhimu ya vipengele ndani ya taa ya LED: vipengele vya optiki na diode za urekebishaji katika usambazaji wa umeme.

3. Njia ya Uchunguzi wa Mionzi na Usanidi wa Majaribio

Nyenzo za Optiki: Uchunguzi wa mionzi ya gamma ulifanywa kwa kutumia chanzo cha ⁶⁰Co. Kipimo muhimu cha uharibifu kilikuwa Upungufu wa Mionzi-Unaosababishwa (RIA), uliopimwa kwa njia ya spektrofotometri. Kiwango cha dozi na jumla ya dozi iliyounganishwa (hadi 100 kGy) zilidhibitiwa kwa uangalifu ili kuiga mfiduo wa muda mrefu katika vitunusi vya kasi.

Diode za Semiconductor: Uchunguzi wa protoni kwa 24 GeV/c ulifanywa katika kituo cha CERN IRRAD. Mbinu kuu ya uharibifu hapa ni uharibifu wa uhamisho, ambapo chembe zenye nishati ya juu huwapiga atomi nje ya maeneo yao ya kimiani, na kusababisha kasoro zinazoharibu utendaji wa umeme. Viwango vya mtiririko vililengwa vilikuwa zaidi ya $8 \times 10^{13}$ n_eq/cm².

4. Matokeo na Uchambuzi

5. Ufahamu Muhimu na Mbinu za Uharibifu

6. Uchambuzi wa Asili: Ufahamu Msingi, Mtiririko wa Mantiki, Nguvu na Udhaifu, Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa

Ufahamu Msingi: Utafiti huu wa CERN unatoa ukweli wa vitendo sana kwa uhandisi wa mazingira magumu: wakati wa kukabiliana na mionzi ya ionizing, asili ya nyenzo ndiyo kila kitu, na vipengele vya kibiashara vinashindwa kwa njia zinazotabirika na zilizopangwa. Thamani halisi sio tu katika kuweka Quartz Iliyoyeyushwa juu ya polycarbonate, bali pia katika kupima tofauti ya utendaji chini ya hali sawa na za kweli ili kuongoza uteuzi unaoweza kutekelezwa wa vipengele.

Mtiririko wa Mantiki: Muundo wa karatasi hii ni kielelezo cha utafiti uliotumika. Huanza na tatizo wazi la uendeshaji (taa za zamani), hugawanya mfumo katika sehemu ndogo zilizo hatarini zaidi (optiki, elektroniki ya nguvu), hupeleka sampuli za mwakilishi kwenye vikwazo vinavyohusiana (gamma kwa optiki, protoni kwa uharibifu wa uhamisho katika semiconductor), na huweka uharibifu kwenye mbinu za kimwili. Mnyororo huu wa sababu na athari kutoka kwa hitaji la mfumo hadi sayansi ya nyenzo hauna dosari.

Nguvu na Udhaifu: Nguvu kuu ni njia yake ya kulinganisha. Kujaribu nyenzo tofauti (vioo dhidi ya polima) na teknolojia za semiconductor (Si dhidi ya SiC) kwa wakati mmoja chini ya hali zilizodhibitiwa hutoa mwongozo wa hakika. Matumizi ya protoni yenye nishati ya juu kwa ajili ya majaribio ya diode pia ni nguvu, na kuiga kwa usahihi mazingira ya uwanja mchanganyiko wa vitunusi vya kasi. Hata hivyo, udhaifu ni kukosekana kwa majaribio ya athari zilizounganishwa. Katika taa halisi, optiki na elektroniki huchunguzwa kwa mionzi kwa wakati mmoja; athari za ushirikiano (k.m., joto kutoka kwa uharibifu wa diode linaloathiri optiki ya plastiki) hazijachunguzwa. Zaidi ya hayo, ingawa ubora wa SiC ni wazi, utafiti hauingii kwenye uchambuzi wa gharama na faida, jambo muhimu kwa utumiaji wa kiwango kikubwa katika CERN au katika vituo vya nyuklia.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa wahandisi, hitimisho ni wazi: 1) Plastiki za kawaida hazifai kwa vipengele vya optiki katika uwanja wa kiwango cha kGy. Utafutaji unapaswa kulenga polima za kiwango cha mionzi au kutumia silica/quartz iliyoyeyushwa. 2) SiC iko tayari kwa matumizi makuu katika elektroniki ya nguvu kwa mazingira haya. Takwimu zinasaidia sana kupitishwa kwake badala ya Si kwa urekebishaji na kubadilisha. 3) Njia hii ya uhakikishaji wa kiwango cha kipengele inapaswa kuwa mpango wa kuimarisha mfumo wowote changamano (vihisi, kamera, roboti) kwa matumizi katika viharakishi vya chembe, anga-nje (kama inavyosaidiwa na takwimu za majaribio ya vipengele vya ESA), au vichocheo vya nyuklia vya mgawanyiko/kuunganishwa. Usijaribu mfumo mzima kwanza; tambua na ujaribu kwa ukali viungo duni.

7. Maelezo ya Kiufundi na Miundo ya Hisabati

Uharibifu wa nyenzo za optiki mara nyingi huigwa na mgawo wa Upungufu wa Mionzi-Unaosababishwa (RIA):

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

ambapo $\alpha_{RIA}$ ni mgawo wa upungufu (cm⁻¹), $L$ ni unene wa sampuli, $T_0$ ni usambazaji wa awali, $T_D$ ni usambazaji baada ya dozi $D$, na $\lambda$ ni urefu wa wimbi.

Kwa semiconductor, uharibifu wa uhamisho hupimwa kwa Hasara ya Nishati Isiyo ya Ionizing (NIEL), ambayo inalingana na mtiririko wa chembe $\Phi$ na sababu ya uharibifu $\kappa$:

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

ambapo $\Delta V_F$ ni mabadiliko ya voltage ya mbele. Sababu ya uharibifu $\kappa$ ni ya chini sana kwa SiC kuliko kwa Si, na kuelezea uthabiti wake bora.

8. Matokeo ya Majaribio na Maelezo ya Chati

Chati ya Dhana: Usambazaji wa Optiki dhidi ya Dozi

Fikiria chati yenye Jumla ya Dozi Iliyounganishwa (kGy, kiwango cha logi) kwenye mhimili wa X na Usambazaji wa Kawaida wa Optiki kwa 500 nm (%) kwenye mhimili wa Y.

• Mstari wa Quartz Iliyoyeyushwa (FQ): Mstari karibu usawa, unaonyesha kupungua kidogo kutoka 100% hadi ~95% kwa 100 kGy. Hii inaonyesha giza dogo.
• Mstari wa Borosilicate (BS): Mstari unaopanda polepole, unashuka kutoka 100% hadi takriban 70-80% kwa 100 kGy.
• Mistari ya PMMA & PC: Mikunjo miwili inayoshuka kwa kasi. PMMA inaweza kushuka hadi ~30% na PC hadi chini ya 20% usambazaji kwa 100 kGy, na kuonyesha kushindwa kwa kiwango kikubwa kwa matumizi ya optiki.

Chati ya Dhana: Ongezeko la Voltage ya Mbele ya Diode dhidi ya Mtiririko wa Protoni

Chati yenye Mtiririko wa 1 MeV n_eq (n/cm², kiwango cha logi) kwenye mhimili wa X na Ongezeko la Asilimia katika Voltage ya Mbele ($\Delta V_F / V_{F0}$ %) kwenye mhimili wa Y.

• Mstari wa Diode ya Si: Mstari mwinamo, unaopanda juu, unaonyesha ongezeko la 50%, 100%, au zaidi kwa viwango vya mtiririko zaidi ya $10^{14}$ n/cm².
• Mstari wa Diode ya SiC JBS: Ongezeko la chini sana, karibu la mstari, likibaki chini ya ongezeko la 10-15% hata kwa viwango vya juu zaidi vya mtiririko vilivyojaribiwa, na kuonyesha uthabiti wake.

9. Mfumo wa Uchambuzi: Utafiti wa Kesi Usio na Msimbo

Hali: Timu inabuni kamera iliyostahimili mionzi kwa ajili ya ufuatiliaji ndani ya jengo la ulinzi la kichocheo cha nyuklia.

Utumiaji wa Mfumo Kutoka kwa Karatasi Hii:

1. Gawanya Mfumo: Tambua sehemu ndogo muhimu, zinazohisi mionzi: Kihisi cha picha (CMOS/CCD), dirisha/lenzi la kinga, sakiti ya udhibiti wa umeme.
2. Fafanua Kikwazo: Mazingira yana viwango vya juu vya dozi ya gamma na mtiririko wa neutroni. Gamma hasa husababisha athari za jumla ya dozi ya ionizing (TID), neutroni husababisha uharibifu wa uhamisho.
3. Chagua Vipengele vya Majaribio:
   • Optiki: Pata sampuli za nyenzo za lenzi zinazowezekana: silica iliyoyeyushwa, kioo kilichostahimili mionzi (k.m., BK7G18), na plastiki za kawaida za optiki.
   • Elektroniki: Pata virekebishi vya voltage vinavyowezekana: LDO za kawaida za Si na mbadala zinazowezekana za msingi wa SiC au zilizostahimili mionzi za Si.
4. Tekeleza Uchunguzi wa Mionzi wa Kulinganisha:
   • Chunguza sampuli zote za optiki na gamma ya Co-60 hadi dozi inayotarajiwa ya maisha (k.m., 10 kGy). Pima RIA katika wigo wa spectral wa kihisi.
   • Chunguza vipengele vya elektroniki na neutroni (au protoni zenye nishati ya juu kama mbadala) hadi mtiririko unaotarajiwa. Fuatilia vigezo muhimu kama voltage ya kushuka, kelele, na mkondo wa utulivu.
5. Chambua na Chagua: Kulingana na takwimu, chagua nyenzo/kipengele chenye uharibifu unaokubalika. Kwa mfano, takwimu zinaweza kusababisha uteuzi wa dirisha la silica iliyoyeyushwa na kirekebishi cha voltage kilichostahimili mionzi, huku kikikataa lenzi za kawaida za plastiki na virekebishi vya kibiashara vya Si.

Njia hii ya muundo, inayoongozwa na kipengele kwanza, iliyochochewa moja kwa moja na karatasi ya CERN, huzuia kushindwa kwa gharama kubwa ya mifumo iliyounganishwa kwa kutambua vizuizi katika kiwango cha nyenzo mapema katika mchakato wa kubuni.

10. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo wa Maendeleo

• Uhandisi wa Nyenzo wa Kisasa: Maendeleo ya polima za "kiwango cha mionzi" zilizo na miundo ya molekuli iliyobuniwa kustahimili uundaji wa vituo vya rangi, kwa uwezekano wa kutumia mchanganyiko wa nano au viongezi maalum vya kukamata radikali.
• Uongozi wa SiC katika Elektroniki ya Nguvu: Upitishaji mpana zaidi wa MOSFETs, JFETs, na diode za JBS za SiC sio tu katika taa bali pia katika vitengo vyote vya ubadilishaji wa nguvu ndani ya mazingira ya mionzi (k.m., usambazaji wa umeme wa sumaku, nguvu ya mbele ya kigunduzi).
• Mifumo ya Pamoja ya Photonic: Kujaribu na kuimarisha nyuzi za optiki, vigawanyiko, na virekebishaji kwa usambazaji wa data katika viharakishi na vichocheo vya kuunganishwa (k.m., ITER), ambapo kanuni za RIA zinatumika moja kwa moja.
• Kujifunza kwa Mashine kwa Utabiri: Kutumia seti za data kutoka kwa utafiti kama huu kufundisha mifano inayotabiri maisha ya kipengele na uharibifu kulingana na sifa za nyenzo na wigo wa mionzi, na kuongeza kasi ya mzunguko wa kubuni kwa mifumo iliyostahimili mionzi.
• Kupanuliwa kwa Mazingira Mapya: Kutumia njia hii ya uhakikishaji kwa vipengele kwa matumizi ya uso wa mwezi/Mars (yanayofichuliwa kwa mionzi ya cosmic na matukio ya chembe za jua) na vichocheo vya nyuklia vya kizazi kijacho vya mgawanyiko.

11. Marejeo

1. J. D. Devine et al., "Majaribio ya mionzi kwenye taa za msingi wa LED kwa LHC na vitunusi vingine vya kasi katika CERN," IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 63, no. 2, pp. 841-847, Apr. 2016.
2. Kikundi cha Kinga ya Mionzi cha CERN, "Thamani za dozi na mtiririko zilizokokotolewa katika vitunusi vya LHC," Ripoti ya Ndani ya CERN, 2017.
3. A. Floriduz et al., "Athari za mionzi kwenye LED nyeupe za nguvu za juu za GaN kwa taa za kasi," Microelectronics Reliability, vol. 88-90, pp. 714-718, 2018.
4. M. Brugger et al., "Utafiti wa uharibifu wa mionzi kwenye diode na LED kwa LHC na viingizaji vyake," CERN-ATS-Note-2013-004 PERF, 2013.
5. Maabara ya Propulsion ya Jet ya NASA, "Elektroniki ya Silikoni Kabati kwa Mazingira Magumu," [Mtandaoni]. Inapatikana: https://www.jpl.nasa.gov.
6. Shirika la Anga la Ulaya (ESA), "Miongozo ya Uhakikisho wa Uthabiti wa Mionzi wa Kipengele," Uainishaji wa Msingi wa ESCC Nambari 22900.
7. F. M. S. Lima et al., "Upungufu unaosababishwa na mionzi katika nyuzi za optiki: Uhakiki kamili," IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 67, no. 5, pp. 912-924, 2020.
8. A. J. Lelis et al., "Mbinu za msingi za kutotulia kwa kizingiti cha voltage katika MOSFETs za SiC," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 65, no. 1, pp. 219-225, 2018.