耐辐射LED灯具用光学与半导体组件的辐照测试

1. 引言与概述

本项在2018年RADECS会议上发表的工作，旨在解决欧洲核子研究中心（CERN）面临的一项关键基础设施挑战：用现代高效的LED技术替换加速器隧道中过时的荧光灯和钠灯。主要障碍在于严酷的辐射环境，其年辐射水平超过 $5 \times 10^{12}$ n_eq/cm²（1 MeV中子等效于硅）和1 kGy的剂量。本文详述了一项系统的辐照测试活动，旨在对单个组件——光学材料和电源二极管——进行鉴定，以便集成到耐辐射LED灯具中。

2. 被测组件

本研究聚焦于LED灯具内的两个关键组件类别：光学元件和电源中的整流二极管。

3. 辐照方法与实验设置

光学材料： 使用⁶⁰Co源进行伽马射线辐照。性能退化的关键指标是诱发的辐射诱导衰减（RIA），通过分光光度法测量。精确控制剂量率和总累积剂量（高达100 kGy），以模拟加速器隧道中的长期暴露。

半导体二极管： 在CERN的IRRAD设施进行24 GeV/c的质子辐照。此处的主要退化机制是位移损伤，即高能粒子将原子从其晶格位置击出，产生缺陷，从而降低电学性能。目标注量水平超过 $8 \times 10^{13}$ n_eq/cm²。

4. 结果与分析

5. 关键见解与退化机制

6. 原创分析：核心见解、逻辑脉络、优势与不足、可操作建议

核心见解： 这项CERN研究为恶劣环境工程揭示了一个极其实用的真相：面对电离辐射时，材料的“血统”决定一切，商用现货（COTS）组件会以可预测的、分层的方式失效。其真正价值不仅在于将熔融石英排在聚碳酸酯之上，更在于在相同、现实的条件下量化性能差距，从而驱动可操作的组件选择。

逻辑脉络： 本文结构是应用研究的典范。它从一个明确的操作问题（过时的照明）开始，将系统分解为最脆弱的子单元（光学、电力电子），使代表性样品经受相关应力源（伽马射线用于光学，质子用于半导体位移损伤），并将退化映射到物理机制。这种从系统需求到材料科学的因果链条是无懈可击的。

优势与不足： 主要优势在于其比较方法论。在受控条件下并排测试不同材料（玻璃 vs. 聚合物）和半导体技术（Si vs. SiC），提供了明确的指导。使用高能质子进行二极管测试也是一个优势，准确模拟了加速器隧道的混合场环境。然而，一个不足是缺乏组合效应测试。在实际灯具中，光学和电子组件同时受到辐照；协同效应（例如，二极管退化产生的热量影响塑料光学元件）未被探索。此外，虽然碳化硅的优越性显而易见，但该研究未深入探讨成本效益分析，而这对于CERN或核设施的大规模部署是一个关键因素。

可操作建议： 对于工程师而言，结论是明确的：1) 标准塑料在kGy级辐射场中完全不适用于光学元件。应聚焦于寻找抗辐射级聚合物或默认使用熔融石英。2) 碳化硅已准备好用于此类环境中的电力电子设备。数据强烈支持在整流和开关应用中采用碳化硅替代硅。3) 这种组件级鉴定方法应成为强化任何复杂系统（传感器、相机、机器人）以用于粒子加速器、太空（如欧空局组件测试数据所支持）或裂变/聚变反应堆的蓝图。不要先测试整个系统；识别并严格测试最薄弱的环节。

7. 技术细节与数学模型

光学材料的退化通常用辐射诱导衰减（RIA）系数建模：

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

其中 $\alpha_{RIA}$ 是衰减系数（cm⁻¹），$L$ 是样品厚度，$T_0$ 是初始透射率，$T_D$ 是剂量 $D$ 后的透射率，$\lambda$ 是波长。

对于半导体，位移损伤通过非电离能量损失（NIEL）量化，其与粒子注量 $\Phi$ 和损伤因子 $\kappa$ 成比例：

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

其中 $\Delta V_F$ 是正向电压的变化。碳化硅的损伤因子 $\kappa$ 显著低于硅，这解释了其优越的抗辐射能力。

8. 实验结果与图表描述

概念图表：光学透射率 vs. 剂量

想象一个图表，X轴为总累积剂量（kGy，对数刻度），Y轴为500 nm处的归一化光学透射率（%）。

• 熔融石英（FQ）线： 一条近乎水平的线，显示从100%轻微下降到100 kGy时的约95%。这表明变暗程度极小。
• 硼硅酸盐（BS）线： 一条平缓倾斜的线，从100%下降到100 kGy时的约70-80%。
• PMMA 和 PC 线： 两条急剧下降的曲线。在100 kGy时，PMMA可能降至约30%，PC则低于20%的透射率，表明其在光学应用中的严重失效。

概念图表：二极管正向电压增加 vs. 质子注量

一个图表，X轴为1 MeV n_eq 注量（n/cm²，对数刻度），Y轴为正向电压百分比增加（$\Delta V_F / V_{F0}$ %）。

• 硅二极管线： 一条陡峭、向上弯曲的线，显示在注量超过 $10^{14}$ n/cm²时，增加50%、100%或更多。
• 碳化硅JBS二极管线： 一条非常平缓、几乎线性的增加线，即使在最高测试注量下也保持在10-15%以下的增幅，突显了其鲁棒性。

9. 分析框架：一个非代码案例研究

场景： 一个团队正在设计一款用于监测核反应堆安全壳内部的耐辐射相机。

应用本文框架：

1. 分解系统： 识别关键的、对辐射敏感的子组件：图像传感器（CMOS/CCD）、保护窗口/镜头、电源调节电路。
2. 定义应力源： 环境具有高伽马剂量率和中子通量。伽马射线主要引起总电离剂量（TID）效应，中子引起位移损伤。
3. 选择测试组件：
   • 光学元件： 获取候选镜头材料样品：熔融石英、抗辐射玻璃（如BK7G18）和标准光学塑料。
   • 电子元件： 获取候选电压调节器：标准硅低压差线性稳压器和潜在的碳化硅基或加固硅替代品。
4. 执行比较辐照：
   • 使用Co-60伽马射线辐照所有光学样品至预期寿命剂量（例如，10 kGy）。测量传感器光谱范围内的RIA。
   • 使用中子（或作为替代的高能质子）辐照电子组件至预期注量。监测关键参数，如压差、噪声和静态电流。
5. 分析与选择： 基于数据，选择性能退化可接受的材料/组件。例如，数据可能迫使选择熔融石英窗口和特殊加固的电压调节器，同时排除标准塑料镜头和商用硅调节器。

这种结构化的、组件优先的方法直接受到CERN论文的启发，通过在设计过程的早期在材料层面识别“致命”问题，从而防止集成系统发生代价高昂的故障。

10. 未来应用与发展方向

• 先进材料工程： 开发“抗辐射级”聚合物，其分子结构设计用于抵抗色心形成，可能使用纳米复合材料或特定添加剂来清除自由基。
• 碳化硅在电力电子中的主导地位： 更广泛地采用碳化硅MOSFET、JFET和JBS二极管，不仅用于照明，还用于辐射环境中的所有功率转换单元（例如，磁体电源、探测器前端电源）。
• 集成光子学系统： 测试和强化用于加速器和聚变反应堆（如ITER）中数据传输的光纤、分路器和调制器，其中RIA原理直接适用。
• 用于预测的机器学习： 利用此类研究的数据集训练模型，根据材料特性和辐射谱预测组件寿命和退化，加速耐辐射系统的设计周期。
• 扩展到新环境： 将此鉴定方法应用于月球/火星表面应用（暴露于宇宙射线和太阳粒子事件）以及下一代核裂变反应堆的组件。

11. 参考文献

1. J. D. Devine 等人，“用于CERN大型强子对撞机及其他加速器隧道的LED基照明灯的辐射测试，”《IEEE核科学汇刊》，第63卷，第2期，第841-847页，2016年4月。
2. CERN辐射防护组，“大型强子对撞机隧道中的计算剂量和注量值，”CERN内部报告，2017年。
3. A. Floriduz 等人，“辐射对用于加速器照明的高功率白色GaN LED的影响，”《微电子可靠性》，第88-90卷，第714-718页，2018年。
4. M. Brugger 等人，“用于大型强子对撞机及其注入器的二极管和LED的辐射损伤研究，”CERN-ATS-Note-2013-004 PERF，2013年。
5. 美国宇航局喷气推进实验室，“用于恶劣环境的碳化硅电子器件，”[在线]。可访问：https://www.jpl.nasa.gov。
6. 欧洲空间局（ESA），“组件辐射硬度保证指南，”ESCC基本规范第22900号。
7. F. M. S. Lima 等人，“光纤中的辐射诱导衰减：全面综述，”《IEEE核科学汇刊》，第67卷，第5期，第912-924页，2020年。
8. A. J. Lelis 等人，“碳化硅MOSFET中阈值电压不稳定的基本机制，”《IEEE电子器件汇刊》，第65卷，第1期，第219-225页，2018年。