ELEKTRONICZNA APARATURA DOZYMETRYCZNA

Dr inż. Andrzej Skoczeń KOiDC, WFiIS, AGH Rok akademicki 2018/2019 ELEKTRONICZNA APARATURA DOZYMETRYCZNA Wyk. 5 7 czerwiec 2019 Aktywny dozymetr OSL Zjawiska SEE RADMON aktywny dozymetr w LHC Kraków, Medycynie, stopień II, semestr 1, 2019 1

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 jednej 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. 2

Jonizacja Luminescencja wzbudzana optycznie Optically Stimulated Luminescent OSL Poziom pułapkowy Wzbudzenie optyczne Pasmo przewodzenia Wzbudzone centrum rekombinacyjne Emisja widzialna Poziom rekombinacyjny Naświetlanie Odczyt Pasmo walencyjne SrS:Ce,Sm Siarczek strontu domieszkowany cezem i samarem 3

Sygnał stymulacyjny F Stymulacja F S OSL Foto-czujnik Foto-czujnik Stymulacja Sygnał OSL S OSL Światło zielone Długość fali [nm] Widmo stymulacyjne CaS: Ce, Sm Długość fali [nm] Widmo emisyjne CaS : Ce, Sm 4

LED 940nm; 50 ma przez 20 s na 2 V Warstwa CaS 500µm Fotodioda o szerokiej przerwie energetycznej z GaAsP lub GaP 5

Naświetlanie źródłem 60 Co Naświetlanie wiązką elektronów 6

Sygnał OSL W czasie naświetlania fosforu OSL N ładunków zostało złapanych. Wielkość N(D) jest funkcją dawki D. Pod wpływem stałego strumienia stymulacyjnego F na wyjściu wzmacniacza powstaje sygnał OSL S OSL (t). Czas narastania tego sygnału zależy tylko od stałej czasowej obwodu wejściowego wzmacniacza. Czas narastania luminescencji jest poniżej zakresu nanosekundowego. Przyjmujemy, że maksimum sygnału jest dla t = 0. Sygnał OSL dla dawki 4mGy promieniowania X. Zanik sygnału OSL można modelować funkcją wykładniczą: S t K N D F ( Ft) OSL ( ) = ( ) exp Stała czasowa: = 1 F Gdzie: F - strumień stumulującego światła, σ - przekrój czynny procesu stymulowanego uwalniania złapanych ładunków. 7

Sygnał OSL Dwa sposoby pomiaru: Maksimum S OSL ( max 0) = S = K N( D) F Wystarczy tylko pomiar wartości maksymalnej, ale wartość ta zależy od parametrów diody LED. Całkowy K S OSL ( t ) dt = N( D 0 Wymagane jest całkowanie całego sygnału, ale wynik nie jest zależny wprost od strumienia wzbudzającego. Jednak degradacja diody LED może wprowadzać także niezaniedbywalny błąd do pomiaru dawki. Niższy strumień światła wymaga dłuższego czasu odczytu i pogarsza się stosunek sygnału do szumu. ) 8

Uszkodzenia strukturalne diody LED Równanie Messengera-Spratta opisuje uszkodzenia strukturalne diody LED: L0 = 1+ 0K L Gdzie: L natężenie światła z diody LED po naświetleniu; L 0 natężenie światła z diody LED przed naświetleniem; τ 0 czas życia nośników mniejszościowych [s]; Φ fluencja wiązki elektronów [cm -2 ]; K τ - współczynnik uszkodzeń [cm 2 s -1 ]. Współczynnik uszkodzeń K τ zależy od: typu i energi cząstek, początkowych parametrów krzemu, poziomu wstrzykiwania i temperatury. L L 0 Fluencja [cm -2 ] Naświetlanie elektronami o energii 12 MeV 9

STE 8 G V LED V ref + _ 9 1 2 6 5 7 I/V V OSL 4 3 1 Wzmacniacz błędu 2 Źródło prądu sterowane napięciem Komórka sprzężenia zwrotnego 3 podczerwony LED i krzemowa fotodioda 4 Pasywny przetwornik prąd - napięcie Komórka pomiarowa 5 podczerwony LED i fotodioda GaAsP 6 Warstwa luminoforu OSL - SrS:Ce,Sm 7 Aktywny przetwornik prąd napięcie 8 Monitor prądu LED-ów 9 Klucz załączający stymulację (odczyt) 10

STE V ref + _ 1 9 2 8 G V LED Degradację emisji diody LED można skompensować przez podnoszenie prądu przewodzenia tej diody w pętli sprzężenia zwrotnego. 6 5 7 I/V V OSL Emisja jest mierzona za pomocą drugiej diody LED połączonej szeregowo z diodą stymulacyjną. 4 3 Druga fotodioda (krzemowa) mierzy emisję dodatkowej diody LED, a jej sygnał prądowy przetworzony na napięcie jest porównywany z napięciem odniesienia V ref. Wzmacniacz błędu 1 podnosi wartość prądu 2 sterującego diodę stymulacyjną LED, aż do ponownego wyłączenia się komparatora. Pętla regulacji jest zamknięta tylko w czasie gdy sygnał żądania odczytu STE (STimulation Enable) zamknie klucz 9 na wyjściu komparatora. Rozpoczyna się odczyt, który trwa około 4s i kończy się powrotem czujnika do początkowego stanu zerowej dawki. 11

Znormaliozwana czułość Fluencja [cm -2 ] Porównanie stabilności czułości dozymetru prostego i odpornego na degradację diody LED przy naświetlaniu elektronami o energii 12 MeV. 12

Cztery skrętki łączą czujnik z układem akwizycji: Napięcie referencyjne V ref, Sygnał zezwolenia na odczyt STE, Sygnal V LED z informacją o degradacji diody LED, Sygnał V OSL z informacją o dawce. 13

Krzywa kalibracyjna dozymetru OSL naświetlanego promieniowaniem γ 60 Co. Dozymetr znajduje się na końcu 20 metrowego kabla i stoswane są różne moce dawki. 14

Ionisation Przejściowe SEE Single Event Effects Oxide Ion Silicon + - + - + + - + - - + -+ + + p+ Trapped charges Jonizacyjne TID Total Ionising Dose Interface traps e- p+ + + + + + + + + + + - - + - + - + - - - Oxide Silicon Strukturalne DD Displacement Damages Atomic displacement Interstitials Vacancies p+ (e-) Oxide Silicon Ion 2nd Pogorszenie parametrów Utrata funkcjonalności SET : transient SEU : upset SEL : latch-up SEB : burn-out SEGR : rupture Czas życia Bezpieczeństwo pracy Niezawodność Performances Hot pixels RTS RTS Random Telegraph Signals 15

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 16

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. 17

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. 18

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). 19

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. 20

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 21

Single Event Latch-Up 22

Tyrystor 23

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 N A = 6.022 10 23 atom/mol A = 28.086 g/mol (krzem) 24

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 Typowe wartości SER dla układów elektronicznych mieszczą się w przedziale od 100 (ok. jeden błąd na 1000 lat) do 100 000 FIT (ok. jeden błąd na rok) 25

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 26

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. 27

Single Event Effects Cząstka, która ma szanse doprowadzić do zakłócenia (upset) pracy elektroniki charakteryzuje się tym, że na bardzo krótkiej drodze w półprzewodniku deponuje dużą wartość energii czyli ma wysoki przekaz energii (Linear Energy Transfer - LET). Wtórne cząstki naładowane pochodzące z elektromagnetycznych oddziaływań mają za niskie wartości przekazu energii LET i nie są zdolne do wywołania zakłóceń (upset). 28

Single Event Effects Liniowy przekaz energii LET to ilość energii tracona przez cząstkę na jednostce drogi tej cząstki w materiale. Stosuje się też pojęcie zdolności hamowania (stopping power). Jest to wielkość charakteryzująca sposób w jaki cząstka traci energię. Dwie składowe: Elektronowa zderzenia z elektronami atomów materiału, prowadzące do tworzenia par e-h czyli do jonizacji. Dominuje w obszarze energii poniżej 1MeV. Jądrowa - zderzenia z jądrami atomów materiału, prowadzące do przesunięć atomów. Dominuje w obszarze energii powyżej 1MeV. LET = ΔE Δx MeV μm Wartości zwykle pochodzą z symulatora SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter) http://www.srim.org LET zależy od rodzaju jonu, jego energii i materiału tarczy. Tarczą jest dla nasz krzem Z=14. Im wyższy ładunek jonu tym wyższy jest pik Bragga i przy wyższej energii występuje. 29

Single Event Effects 30

Całość zależności LET od energii padającego jonu opisują trzy teorie: Region w [MeV] Teoria Uwagi małe energie E i << 1MeV pośrednie energie wysokie energie E i > 1GeV LET zależy liniowo od prędkości jonu (Lindhard-Sharff) Teoria dielektryka. Przejście cząstki lokalnie modyfikuje stałą dielektryczną materiału. Powstaje zmiana pola elektrycznego w kierunku przeciwnym do ruchu cząstki. To pole spowalnia jej ruch. Kwantowa teoria Bethe ego. W przypadku nierelatywistycznym LET opisuje formuła Bethe-Bloch: de dx 2 z Z 2 v w praktyce dane doświadczalne są fitowane do potegowej zależności od energii występuje wyraźne maksimum zwane pikiem Bragga Z liczba atomowa materiału z liczba atomowa padającej cząstki v prędkość padającej cząstki 31

LET = ΔE Δx MeV μm LET = 1 ρ ΔE Δx MeV cm mg 2 1 MeV MeV MeV cm = 4, 31 1μm 4 mg 10 cm 2, 32 mg 3 cm 2 Gęstość krzemu: ρ = 2,32 mg cm 2 1MeV 1μm 7 1, 60210 pc 10 3, 6eV 1μm 6 ev = 0, 0446 pc μm Energia wytworzenia pary e-h w krzemie: E e-h = 3,6 ev na e=1,602 10-7 pc MeV cm 1 mg 2 10 fc μm 32

Zasięg R to długość drogii jaką musi przebyć jon w materiale aż ulegnie całkowitemu zatrzymaniu. R = E i 0 de LET Dla danej energii początkowej E i zasięg jest tym większy im lżejsza jest cząstka. Lekkie cząstki mają małe LET i duże R, a ciężkie cząstki mają duże LET i małe R. 33

Szkliwo BPSG Dielektryczne szkliwo (BoroPhosphorSilicate Glass - BPSG) tworzące warstwy rozdzielające metalowe ścieżki łaczące elementy układu lub zabezpieczające powierzchnie układu scalonego. Dodatek boru obniża napięcie powierzchniowe ciekłego szkliwa co zapewnia zaokraglone krawędzie. Ścieżka połączeniowa - aluminium BPSG Podłoże krzemowe 34

Mechanizm powstawania zakłóceń SEU indukowanych neutronami w pamięciach SRAM najczęściej polega na wychwycie neutronu przez jądro boru obecne w elementach mikroelektronicznych. Bor jest szeroko używany jako domieszka lub implantacja akceptorowa w krzemie lub jako składnik dielektrycznego szkliwa (BoroPhosphorSilicate Glass - BPSG) rozdzielającego warstwy metalu lub zabezpieczającego powierzchnie układu scalonego. Wychwyt termicznego neutronu przez jądro boru: 10 B(n,α) 7 Li, Bardzo wysoki przekrój czynny dla izotopu 10 B, który stanowi 20% boru naturalnego. Produktami tego procesu są dwie wysokojonizujące cząstki: Energia kinetyczna [MeV] Zasięg w krzemie [µm] α 1,5 2,5 7 Li 0,8 5 35

Projektowanie o zwiększonej odporności na SEE Stosowanie kodów korekcyjnych i detekcyjnych w kanałach transmisji danych i/lub pamięciach. ECC Error Correcting Codes Zasada potrojenia modułów. 36

Potrojenie układów TMR Triple Module Redundancy 37

Dozymetria SEE Liczba komórek pamięci, które zmieniły swój stan logiczny jest liniowo zależna od fluencji hadronów, jaką naświetlono pamięć. Dwa przykłady praktyczne: Projekt NEUTOR dla radioterapi, ALTER Technology, Hiszpania, Projekt RADMON dla LHC, CERN. 38

Dozymetr SRAM - medyczny Detektor SRAM w systemie radioterapeutycznym Alter Group and Hirex Engineering in the project NEUTOR; 2009 System składa się z 8 płyt PCB (10cm 9cm) każda z 16 układami SRAM (każdy zawiera 512 KB pamięci). Daje to 64 MB całkowitej pojemności. Płyta procesora systemu połączona jest do komputera poprzez łącze. Pozwala to na szybkie skanowanie całej pamieci. Zajmuje to około 20 s. Przed naświetleniem zawartość pamięci jest zapisana stałym wzorcem bitowym. Po zakończeniu naświetlania pamięć jest odczytywana i znajdujemy całkowitę liczbę błędów (upsets). Zawartość pamięci jest przywracana (reset) po każdym naświetleniu. 39

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. 40

Poziom odporności 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 statycznej pamięci SRAM do pomiaru strumienia hadronów o energii powyżej 20 MeV. 41

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 µc, a wszystkie użyte elementy sekwencyjne są potrojone i zaopatrzone w logikę głosującą (TMR Triple Module Redundancy) 42

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 zgodności trzy 16-bitowe liczniki są inkrementowane. Potrojenie liczników jest konieczne dla ochrony przed SEU. 43

Prezentacja - prosto z LHC 44

Prezentacja - prosto z LHC 45