耐輻射LED照明燈具之光學與半導體元件輻射測試

1. 簡介與概述

這項於2018年RADECS會議上發表的研究，旨在解決歐洲核子研究組織（CERN）的一項關鍵基礎設施挑戰：以現代、高效的LED技術取代加速器隧道中過時的螢光燈和鈉燈。主要障礙在於惡劣的輻射環境，其年輻射水準超過 $5 \times 10^{12}$ n_eq/cm²（1 MeV中子等效於Si）和1 kGy的劑量。本文詳細介紹了一項系統性的輻射測試計畫，旨在對個別元件——光學材料和電源二極體——進行資格認證，以便整合到耐輻射LED照明燈具中。

2. 受測元件

本研究聚焦於LED照明燈具內的兩個關鍵元件類別：光學元件和電源中的整流二極體。

2.1 光學元件

選取了四種商用級材料，代表燈具中的常見選擇：

硼矽酸鹽（BS）玻璃： 常用於保護視窗。
熔融石英（FQ）： 以高純度和熱穩定性著稱。
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）： 用於透鏡和導光管的常見塑膠。
聚碳酸酯（PC）： 因其韌性和抗衝擊性而用於二次光學元件。

所有樣品均為直徑40 mm、厚度約3 mm的拋光圓盤，接受高達100 kGy的伽馬射線輻射。

2.2 半導體二極體

使用24 GeV/c的質子輻射來測試兩種二極體技術，以誘發位移損傷：

矽（Si）橋式整流器： 用於交流轉直流轉換的標準元件。
碳化矽（SiC）接面勢壘蕭特基（JBS）二極體： 一種寬能隙半導體元件，具有潛在的卓越耐輻射性。

3. 輻射方法與實驗設置

光學材料： 使用⁶⁰Co射源進行伽馬射線輻射。劣化的關鍵指標是測量到的輻射誘導衰減（RIA），透過分光光度法測量。劑量率和總累積劑量（高達100 kGy）均受到嚴格控制，以模擬加速器隧道中的長期暴露。

半導體二極體： 在CERN的IRRAD設施進行24 GeV/c的質子輻射。此處的主要劣化機制是位移損傷，高能粒子將原子撞出其晶格位置，產生缺陷，從而降低電氣性能。目標的注量水準超過 $8 \times 10^{13}$ n_eq/cm²。

4. 結果與分析

4.1 光學材料劣化

結果清晰地按耐輻射性對材料進行了分層：

卓越性能（熔融石英）： 在整個可見光譜範圍內表現出最低的輻射誘導衰減（RIA）。其簡單、純淨的SiO₂結構最大限度地減少了色心（吸收光的缺陷）的形成。
良好性能（硼矽酸鹽玻璃）： 顯示出中等程度的變暗。玻璃中的雜質和改性劑（如硼）為缺陷形成提供了額外的位點。
性能不佳（塑膠 - PMMA 與 PC）： 遭受嚴重光學劣化。聚合物會發生鏈斷裂、交聯和大量的色心形成，導致強烈的黃化/褐化，以及衰減的急劇增加，特別是在較短（藍色）波長處。

4.2 半導體二極體性能

二極體測試揭示了寬能隙技術的顯著優勢：

矽橋式整流器： 顯示正向電壓降（$V_F$）隨質子注量顯著增加。這是由於基區產生複合中心，增加了串聯電阻。在高注量下性能明顯下降。
SiC JBS 二極體： 表現出卓越的耐輻射性。即使在非常高的注量下，$V_F$和反向漏電流的增加也微乎其微。SiC中強大的原子鍵結（更寬的能隙，4H-SiC的 $E_g \approx 3.26$ eV，而Si為 $1.12$ eV）使其更能抵抗位移損傷，因為需要更多能量才能產生穩定的缺陷。

5. 關鍵見解與劣化機制

光學材料：純度是關鍵

劣化主要由色心形成驅動。具有純淨、簡單原子結構的材料（熔融石英）表現最佳。雜質和複雜的聚合物鏈（PMMA、PC）為輻射誘導缺陷提供了豐富的位點，導致光學吸收。

半導體：鍵結強度至關重要

劣化主要由位移損傷產生晶格缺陷（空位、間隙原子）所驅動。SiC的位移閾值能量高於Si，使其本質上更耐輻射。這與美國國家航空暨太空總署噴射推進實驗室關於太空應用SiC元件的研究結果一致。

系統層級影響

對於耐輻射燈具：使用熔融石英作為視窗，避免在關鍵光學元件中使用塑膠，並在電源中採用SiC二極體。這種組合解決了本研究中確定的兩個最薄弱環節。

6. 原創分析：核心見解、邏輯脈絡、優缺點、可行建議

核心見解： 這項CERN研究為惡劣環境工程提供了一個極其實用的真相：面對游離輻射時，材料的「血統」決定一切，而商用現成（COTS）元件的失效方式是可預測且分層的。其真正價值不僅在於將熔融石英排在聚碳酸酯之上，更在於在相同、真實的條件下量化性能差距，從而推動可行的元件選擇。

邏輯脈絡： 本文結構是應用研究的典範。它從一個明確的運營問題（過時照明）開始，將系統分解為最脆弱的子單元（光學、功率電子），讓代表性樣品接受相關應力源（光學用伽馬射線、半導體位移損傷用質子），並將劣化映射到物理機制。這種從系統需求到材料科學的因果鏈條無懈可擊。

優點與缺點： 主要優點是其比較方法論。在受控條件下並排測試多樣化的材料（玻璃 vs. 聚合物）和半導體技術（Si vs. SiC），提供了明確的指南。使用高能質子進行二極體測試也是一個優點，準確模擬了加速器隧道的混合場環境。然而，一個缺點是缺乏綜合效應測試。在真實燈具中，光學和電子元件同時受到輻射；協同效應（例如，二極體劣化產生的熱量影響塑膠光學元件）未被探討。此外，雖然SiC的優越性很明顯，但研究並未深入探討成本效益分析，而這對於CERN或核設施的大規模部署至關重要。

可行建議： 對於工程師而言，結論是明確的：1) 標準塑膠不適用於kGy級輻射場中的光學元件。應聚焦於尋找耐輻射級聚合物或預設使用熔融矽/石英。2) SiC已準備好應用於此類環境的功率電子中。數據強烈支持在整流和開關應用中以SiC取代Si。3) 這種元件層級的資格認證方法應成為強化任何複雜系統（感測器、相機、機器人）以用於粒子加速器、太空（如歐洲太空總署元件測試數據所支持）或核分裂/核融合反應爐的藍圖。不要先測試整個系統；應識別並嚴格測試最薄弱的環節。

7. 技術細節與數學模型

光學材料的劣化通常用輻射誘導衰減（RIA）係數來建模：

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

其中 $\alpha_{RIA}$ 是衰減係數（cm⁻¹），$L$ 是樣品厚度，$T_0$ 是初始透射率，$T_D$ 是劑量 $D$ 後的透射率，$\lambda$ 是波長。

對於半導體，位移損傷透過非游離能量損失（NIEL）來量化，其與粒子注量 $\Phi$ 和損傷因子 $\kappa$ 成比例：

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

其中 $\Delta V_F$ 是正向電壓的變化。SiC的損傷因子 $\kappa$ 顯著低於Si，這解釋了其優越的耐輻射性。

8. 實驗結果與圖表說明

概念圖：光學透射率 vs. 劑量

想像一個圖表，X軸為總累積劑量（kGy，對數刻度），Y軸為500 nm處的歸一化光學透射率（%）。

熔融石英（FQ）線： 一條近乎水平的線，顯示從100%略微下降到100 kGy時的約95%。這表示變暗程度極小。
硼矽酸鹽玻璃（BS）線： 一條平緩傾斜的線，從100%下降到100 kGy時的約70-80%。
PMMA 與 PC 線： 兩條急劇下降的曲線。在100 kGy時，PMMA的透射率可能降至約30%，PC則低於20%，顯示對於光學應用而言已嚴重失效。

概念圖：二極體正向電壓增加 vs. 質子注量

一個圖表，X軸為1 MeV n_eq 注量（n/cm²，對數刻度），Y軸為正向電壓百分比增加（$\Delta V_F / V_{F0}$ %）。

矽二極體線： 一條陡峭、向上彎曲的線，顯示在注量超過 $10^{14}$ n/cm²時，增加50%、100%或更多。
SiC JBS 二極體線： 一條非常平緩、幾乎線性的增加，即使在最高測試注量下也保持在10-15%的增加以下，突顯了其穩健性。

9. 分析框架：非程式碼案例研究

情境： 一個團隊正在設計一款用於監控核反應爐安全殼內部的耐輻射相機。

應用本文框架：

分解系統： 識別關鍵的、對輻射敏感的子元件：影像感測器（CMOS/CCD）、保護視窗/透鏡、電源調節電路。
定義應力源： 環境具有高伽馬劑量率和中子通量。伽馬射線主要引起總游離劑量（TID）效應，中子則引起位移損傷。
選擇測試元件：
- 光學元件： 採購候選透鏡材料樣品：熔融矽、耐輻射玻璃（例如BK7G18）和標準光學塑膠。
- 電子元件： 採購候選穩壓器：標準矽低壓差穩壓器和潛在的SiC基或強化矽替代品。
執行比較性輻射測試：
- 用Co-60伽馬射線輻射所有光學樣品至預期壽命劑量（例如10 kGy）。在感測器的光譜範圍內測量RIA。
- 用中子（或高能質子作為替代）輻射電子元件至預期注量。監測關鍵參數，如壓降、雜訊和靜態電流。
分析與選擇： 根據數據，選擇劣化程度可接受的材料/元件。例如，數據可能迫使選擇熔融矽視窗和特殊強化的穩壓器，同時排除標準塑膠透鏡和商用矽穩壓器。

這種結構化、元件優先的方法，直接受到CERN論文的啟發，透過在設計過程早期識別材料層級的「致命缺陷」，防止了整合系統的昂貴失效。

10. 未來應用與發展方向

先進材料工程： 開發「耐輻射級」聚合物，其分子結構設計用於抵抗色心形成，可能使用奈米複合材料或特定添加劑來清除自由基。
SiC在功率電子中的主導地位： 更廣泛地採用SiC MOSFET、JFET和JBS二極體，不僅在照明領域，還包括輻射環境中的所有功率轉換單元（例如磁鐵電源、偵測器前端電源）。
整合光子系統： 測試和強化用於加速器和核融合反應爐（如ITER）中資料傳輸的光纖、分光器和調變器，其中RIA原理直接適用。
用於預測的機器學習： 利用此類研究的資料集來訓練模型，根據材料特性和輻射能譜預測元件壽命和劣化，加速耐輻射系統的設計週期。
擴展至新環境： 將此資格認證方法應用於月球/火星表面應用（暴露於宇宙射線和太陽粒子事件）以及下一代核分裂反應爐的元件。

11. 參考文獻

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