Dr inż. Andrzej Skoczeń KOiDC, WFiIS, AGH Rok akademicki 2017/2018 ELEKTRONICZNA APARATURA DOZYMETRYCZNA Wyk. 5 8 czerwiec 2018 Rozwiązania układowe mosimetrów Efekt powiększenia dawki Minimalna wykrywalna dawka RADMON system monitorowania promieniowania w LHC Single Event Effects Kraków, Medycynie, stopień II, semestr 1, 2018 1
Zalety MOS-imetrów Bardzo małe rozmiary objętości czynnej dozymetrycznie (grubość jest mniejsza od 1μm) nieosiągalne za pomocą innych detektorów Podobieństwo do TLD polegające na tym, że na stałe przechowują informację o zakumulowanej dawce, a dodatkowo odczyt nie niszczy zapisanej informacji Niezależność od mocy dawki aż do 10 8 Gy/s Czułość może być dostrajana przez zmianę polaryzacji bramki podczas naświetlania co jest bardzo przydatne w wielu zastosowaniach w radioterapii Współczynnik temperaturowy może być zredukowany (nawet do zera) w sposób elektroniczny co jest nieosiągalne w przypadku dozymetrii diodowej 2
Powiększenie dawki Wewnętrzne: Zjawisko wynikające z obecności materiałów o wysokiej liczbie porządkowej Z w bezpośrednim sąsiedztwie tlenku bramki (czyli metalizacja bramki), w podłożu i innych elementach układu. Efekt ten spada przy wzroście grubości tlenku bramki. Dla typowego RadFET-a wpływ na odpowiedź jest mniejszy niż 10 % dla promieniowania X o energii 10 kev. Zewnętrzne: Zjawisko to jest spowodowane rozproszonymi elektronami powstałymi w oddziaływaniach promieniowania z materiałami o wysokim Z jak złoto, wolfram, nikiel-kobalt, które mogą być częścią obudowy. Podobnie dla dozymetrii neutronowej obecność materiałów o nikim Z (polyethylene i podobne polimery) może być bardzo istotna poprzez produkcję protonów odbitych. Zmierzono współczynniki wzrostu dawki od wartości 5-7 (neutrony) do wartości 20 (niskoenergetyczne fotony). Dlatego obudowy zastosowane do mosimetrów zależą od zastosowania, do którego dozymetr jest przeznaczony. 3
Minimalna wykrywalna dawka Zjawiska ograniczające minimalną wykrywalną dawkę: Annealing uwięzionego ładunku Neutralizacja uwięzionego w SiO 2 ładunku (anihilacja złapanych w pułapkach dziur) przez bezpośrednie tunelowanie elektronów z sąsiadującej warstwy krzemu. Szybko spada ze wzrostem grubości tlenku. Stany powierzchniowe Obserwuje się przyrost liczby stanów powierzchniowych nawet po zakończeniu naświetlania. Spowodowany tym przyrost napięcia progowego bywa nazywany odwróconym annealingiem. 4
Minimalna wykrywalna dawka Zjawiska ograniczające minimalną wykrywalną dawkę: Niestabilności związane z ładunkiem Q bt Napięcie progowe dryfuje w czasie w związku z istnieniem wolnych stanów w pobliżu granicy Si-SiO 2. Są one czułe na zmiany polaryzacji bramki i powodują zjawiska przejściowe w chwilach odczytu mosimetru. Początkowa szybkość dryfu jest mniejsza niż 1 mv na dekadę czasu pomiaru liczonego w sekundach i rośnie z grubością tlenku t ox. Ten dryf jest większy przy większych dawkach w związku z generacja stanów przygranicznych (border-trap). Wpływ temperatury Temperaturowa wrażliwość napięcia progowego V th rośnie ze wzrostem grubości tlenku t ox i zależy także od poziomu domieszkowania N D w warstwie krzemu. Stosuje się trzy podejścia eliminacji zjawisk temperaturowych: polaryzacja w czasie naświetlania prądem o zerowym dryfie temperaturowym, użycie dwóch mosimetrów o różnych polaryzacjach, odjęcie obliczonych poprawek w oparciu o współczynniki kalibracyjne. 5
Niestabilność temperaturowa Związana z temperaturową zależnością ruchliwości nośników ładunku. Metody kompensacji: Dobór prądu odczytu odpowiadającego punktowi termostabilnemu charakterystyki I D -V GS (Thomson, Polishchuk). Użycie złącza pn wewnętrznego w MOSFET-cie (przy drenie lub źródle) do bezpośredniego pomiaru temperatury w kanale tranzystora. Zastosowanie dwóch identycznych tranzystorów różnie spolaryzowanych. Odjęcie sygnałów z obu eliminuje zależność temperaturową (Thomson, Polishchuk). 6
I D Punkt termostabilny MOSFET-a 0 n ( Vout V 2 1 ( V C ox W L eff eff out th ) 2 V W th eff ) W μ 0n ruchliwość przy zerowym polu θ współczynnik spadku ruchliwości ze wzrostem pola V out W V GS L V eff DS L L 7
Punkt termostabilny MOSFET-a DS GS out th out th out D V V V V V V V I ) ( ) ( 1 2 2 Zależności od temperatury T i dawki D dla wielkości V th, β, θ: D D V T T T V V V th th th th ) ( 0 0 D D T T n 0 0 D D T T T ) ( 0 0 n - współczynnik charakteryzujący temperaturową zależność ruchliwości 8
Szum migotania Radiacyjny przyrost koncentracji stanów powierzchniowych n it zwiększa niskoczęstotliwościowy szum tranzystora obniżając dokładność odczytu dawki o około 5%. 9
Mosimetr w kosmosie Poczynając od minimalnej wykrywalnej dawki (typowa czułość 1 mv/cgy ) pozwala na pomiar całkowitej dawki w zakresie dwóch lub trzech rzędów wielkości. Z jedenej strony stałe przesuwanie się napięcia progowego umożliwia przechowywanie informacji przez cały czas lotu, Z drugiej strony monitorowanie małych przyrostów na dużym piedestale staje się coraz trudniejsze, W czasie lotu kosmicznego trzeba monitorować dawkę na każdej orbicie osobno. Potrzebne jest okresowe kasowanie dozymetru. 10
Zalety MOS-imetrów Konkluzje z prezentacji A.Rosenfelda (UoW): Pomimo, że komory jonizacyjne pozostają złotym standardem w radioterapii to diody półprzewodnikowe i MOSkin są przyszłością dozymetrii in vivo, dozymetria za pomocą MOSFET-ów jest wyjątkową metodą w dozymetrii skóry i powierzchni, MOSkin jest nową techniką typu MOSFET odpowiednią do wielu zastosowań w radioterapii gdzie mierzona powinna być dawka na skórę, projektowanie diod i ich obudów jest bardzo ważne dla ich radiacyjnej odpowiedzi i stanowi niebanalny problem projektowy. http://www.frascati.enea.it/accelerators/repository/biblioteca/wshop_erice2011/proceedings/rozenfeld_rev2.pdf 11
RADMON system monitorowania promieniowania w LHC Cel: Pomiar promieniowania w miejscu zamontowania urządzeń i dostarczenie wczesnego ostrzeżenia o podwyższonym poziomie dawek. Dostarcza bieżącego pomiaru: dawki, mocy dawki, strumienia cząstek, fluencji. W LHC zamontowano 300 takich urządzeń. Wyniki są wizualizowane w czasie rzeczywistym w sterowni LHC i gromadzone w bazie danych raz na sekundę. 12
Poziom odpornosci radiacyjnej do Pole magnetyczne do 4.6 kgauss. RADMON Zawiera 9 czujników promieniowania: 200 Gy TID, 2x10 12 n/cm 2 (1 MeV eq.), 2x10 11 h/cm 2 (E > 20 MeV). 2 PMOSFET-y do pomiaru dawki całkowitej promieniowania jonizującego (TID), 3 fotodiody połączone szeregowo do pomiaru fluencji neutronów równoważnej neutronom o energii 1 MeV 4 x 4 Mbit statyczne pamięci SRAM do pomiaru strumienia hadronów o energii powyżej 20 MeV. 13
Dawka Złożone pole radiacyjne Parameteryzacja i związane z tym rodzaje uszkodzeń radiacyjnych i czujników. Neutrony 1 Mev Hadrony >20 Mev TID SEE RADFET -y NIEL SRAM Diody PIN 14
RADFET-y (NMRC, Irlandia) 3 grubości tlenku of 100nm, 400nm i 1μm, które dają rozdzielczość dawki odpowiednio 100cGy/bit, 4cGy/bit i 1cGy/bit. fotodiody BPWFS34 (SIEMENS) przy zastosowaniu szeregowego połączenia 3 diod pomiar zmiany napięcia przewodzenia daje rozdzielczość fluencji neutronów 9 10 9 n/cm 2 (1 MeV eq.) na 1 bit. 16 Mbit statyczna pamięć SRAM TC554001AF-7L (Toshiba) Urządzenie nie zawiera układów FPGA ani CPU, a wszystkie użyte elementy sekwencyjne są potrojone i zaopatrzone w logikę głosującą (TMR Triple Module Redundancy) 15
Dozymetr SRAM - LHC Cylk odczyt-porównanie-zapis trwa 385ns, a dla całego 16Mb daje 6,16 ms. 16Mb Odczyt polega na pobraniu 8-bitów ze wskazanego adresu w pamięci i umieszczeniu go w rejestrze. Równocześnie wykonywany jest zapis wzorca do tej samej komórki. Zawartość rejestru jest sprawdzana czy wystąpił błąd poprzez porównanie z pierwotnym wzorcem w cyfrowym komparatorze. Gdy brak zagodności trzy 16- bitowe liczniki są inkrementowane. Potrojenie liczników jest konieczne dla ochrony przed SEU. 16
Prezentacja - prosto z LHC 17
Prezentacja - prosto z LHC 18
Ionisation Przejściowe SEE Single Event Effects Oxide Ion Silicon + - + - + + - + - - + -+ + + p+ Trapped charges Interface traps Jonizacyjne TID Total Ionising Dose e- p+ + + + + + + + + + + - - + - + - + - - - Oxide Silicon Strukturalne DD Displacement Damages Atomic displacement Interstitials Vacancies p+ (e-) Oxide Silicon Ion 2nd SET : transient SEU : upset SEL : latch-up SEB : burn-out SEGR : rupture Parametric drift Function loss Lifetime Operating safety Dependability Performances Hot pixels RTS 19
Historia - Single Event Effects Przypadek firmy Intel opublikowany w 1996 roku. Ceramiczne obudowy były skażone radioaktywnymi domieszkami pochodzącymi z wody używanej w procesie produkcji. The package factory had been built along a river, downstream from an old uranium mine. Waste from the mine had contaminated the water and, indirectly, the packages. Serwer Enterprise flagowy produkt firmy Sun. W 1999 roku klienci zgłaszali, że serwer kraszuje i musi być rebootowany 4 razy w okresie kilku miesięcy. Po miesiącach badań ustalono, że przyczyną były błędy (soft errors) w pamięci cache serwera. 20
Definicja Single Event Effects SEE w elektronice obejmuje wszystkie możliwe efekty wywołane przez oddziaływanie cząstek z elementami elektronicznymi. Błędy twarde (Hard errors) bezpowrotnie uszkadzają element: Single Event Burnout (SEB) w elementach dużej mocy MOS, IGBT, BJT, Przebicie dielektryka bramki tranzystora (SEGR) lub kondensatora Przesunięcie napięcia progowego wywołane małymi dawkami (microdose-induced). Błędy miękkie (Soft errors) powodują tylko zafałszowanie lub utratę informacji lub błąd funkcjonalny. Odzyskanie sprawności urządzenia wymaga tylko kasowania (reset) lub ponownego włączenia zasilania lub uaktualnienia informacji. 21
Single Event Effects Błędy miękkie W układach analogowych: Single Event Transients (SET) albo Analog Single Event Transients (ASET) to przejściowe impulsy we wzmacniaczach operacyjnych, komparatorach lub źródłach napięcia odniesienia. W układach kombinacyjnych: SET to przejściowe impulsy wygenerowane w bramce logicznej i propagujące się aż do ewentualnego utrwalenia w elemencie sekwencyjnym. W układach sekwencyjnych: Single Event Upset (SEU) to odwrócenie stanu komórki. Kiedy oddziaływanie jednej cząstki powoduje zmianę stanu wielu komórek pamięci to nazywa się to Multi-Cell Upset (MCU), a gdy wiele bitów słowa zostaje zafałszowanych to nazywa się to Multi-Bit Upset (MBU). 22
Single Event Effects Błędy miękkie W złożonych układach scalonych: Single-Event Functional Interrupt (SEFI). Utrata funkcji układu przez przypadkową zmianę w rejestrze sterującym, sygnale zegara (clock) lub kasowania (reset) i innych. Single-Event Latch-up (SEL). Stan poboru wysokiego prądu spowodowany aktywacją pasożytniczej struktury dwóch tranzystorów bipolarnych istniejącej w każdej strukturze CMOS. Może być błędem twardym gdy dojdzie do przegrzania. 23
Lokalne wydarzenia jonizacyjne SEE SEE Single Event Effects SEU Single Event Upset Zmiana warunków lub przełączenie spowodowane przez cząstkę jonizującą. Błąd (soft-error) na poziomie tranzystora, który powoduje stan wykasowania (reset) lub zapisania (rewriting) elementu po czym urządzenie wraca do normalnej pracy, ale może spowodować system-crash. Szczególnie czułe są FPGA routowane za pomocą SRAM. SEL Single Event Latch-Up Aktywacja struktury p-n-p-n powoduje zwarcie między VDD i VSS, które może być niszczące dla urządzenia. Bit-flip 24
Single Event Latch-Up 25
Tyrystor 26
Przekrój czynny na błąd w jednym bicie Całkowity przekrój czynny na odziaływania neutronu z krzemem spada od 1,95barn dla E=40MeV do 0,6barn dla E=200MeV. Przymiemy: σ = 1barn = 10-24 cm 2 dla neutronu o energii 100MeV. Objętość jednego bitu to szescian o boku 1µm czyli: V = (10-4 cm) 3 = 10-12 cm 3. Gęstość krzemu: ρ = 2,33 g/cm 3. N A n 510 A Liczba atomów w jednym cm 3 krzemu: 3 22 atomów cm V nv 510 22 atomów 10 3 cm 12 cm 3 10 24 cm 2 510 14 cm bit 2 27
Częstość błędów miękkich Soft Error Rate - SER Jednostka: 1 FIT (Failure In Time) = 1 błąd na 10 9 godzin. FIT = σ V Φ 10 9 σ V przekrój czynny 5 10-14 cm 2 /bit, Φ strumień neutronów 13 n/cm 2 /h, 1Mb 1048576 bitów, Czyli częstość błędów SER (Soft-Error Rate ): SER = 650 FIT/Mb 114 077 lat Typical SER values for electronic systems range between a few 100 and about 100,000 FIT (i.e., roughly one soft error per year). 28
Ładunek krytyczny critical charge Minimalny ładunek potrzebny do zakłócenia poprawnej pracy układu. Iloczyn całkowitej pojemności C i w danym węźle układu i napięcia zasilania V dd układu: Q c = C i V dd. Przy założeniu, że zbieranie ładunku jest natychmiastowe i reszta układu nie ma czasu na odpowiedź. SRAM DRAM 1 2 fc 20 30 fc 29
Symulacja ładunku krytycznego metodą analizy obwodów elektrycznych z użyciem narzędzi typu SPICE. Symulacja ładunku krytycznego metodą symulacji przestrzennych 3D fizyki elementów półprzewodnikowych. Podstawowa komórka pamięci SRAM w technologii CMOS składa się z dwóch zapętlonych inwerterów. Impuls prądu jest wstrzykiwany przy drenie tranzystora NMOS. 30