ELEKTRONICZNA APARATURA DOZYMETRYCZNA Wyk. 6

Dr inż. Andrzej Skoczeń KOiDC, WFiIS, AGH Rok akademicki 2015/2016 ELEKTRONICZNA APARATURA DOZYMETRYCZNA Wyk. 6 12 kwiecień 2016 Dozymetr aktywny optycznie stymulowana luminescencja OSL Przejściowe zdarzenia radiacyjne SEE Dozymetry z wykorzystaniem SEE Ochrona systemów o krytycznym zanaczeniu dla bezpieczeństwa przed SEE Kraków, Medycynie, stopień II, semestr 1, 2016 1

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

Naświetlanie źródłem 60 Co Naświetlanie wiązką elektronów 3

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. S ł OSL dl d ki 4 G i i i X Sygnał OSL dla dawki 4mGy promieniowania X. Zanik sygnału OSL można modelować funkcją wykładniczą: Stała czasowa: 1 S ( ) τ = ( t ) = K N( D ) F exp σft σf S OSL Gdzie: F strumień stumulującego światła, σ przekrój czynny procesu stymulowanego uwalniania złapanych ładunków. 4

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 σ 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 doszumu. ) 5

Uszkodzenia strukturalne diody LED Równanie Messengera Spratta opisuje uszkodzenia strukturalne diody LED: α L0 = 1+ τ 0KτΦ L Gdzie: L natężenie ę światła z diody LED po naświetleniu; L 0 natężenie światła z diody LED przed naświetleniu; τ 0 czas życia i nośników ś mniejszościowych; ś i Φ fluencja wiązki elektronów; K τ współczynnik uszkodzeń; L L L 0 Fluencja [cm 2 ] Naświetlanie elektronami o energii 12 MeV 6

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) 7

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. 8

Zno ormaliozwa ana czułość ć Fluencja [cm 2 ] Porównanie stabilności czułości dozymetru prostego i odpornego na degradację diody dodyled przy naświetlaniu a elektronami e o energii e 12 MeV. 9

Cztery skrętki łączą czujnik z układem akwizycji: Napięcie referencyjne V ref, Sygnał zezwolenia na odczyt STE, Sygnal V LED zinformacją o degradacji diody LED, Sygnał V OSL z informacją o dawce. 10

Krzywa kalibracyjna dozymetru OSL naświetlanego promieniowaniem γ 60 Co. Dozymetr znajduje się na końcu 20 metrowego kabla i stoswane są różne moce dawki. 11

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 i 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 12

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) wpamięci i cacheserwera. 13

Definicja Single Event Effects SEE w elektronice obejmuje j 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). i d d) Błędy miękkie (Soft errors) powodują tylko zafałszowanie lub utratę informacji lub błąd funkcjonalny. Odzyskanie sprawnościś urządzenia wymaga tylko kasowania (reset) lub ponownego włączenia zasilania lub uaktualnienia informacji. 14

Single Event Effects Błędy miękkie W układach analogowych: Single Event Transients (SETs) albo Analog Single Event Transients (ASETs) to przejściowe impulsy we wzmacniaczach operacyjnych, komparatorach lub źródłach napięcia odniesienia. W układach kombinacyjnych: SETs to przejściowe impulsy wygenerowane w bramce logicznej i propagujące się aż do ewentualnego utrwalenia w elemencie sekwencyjnym. W układach sekwencyjnych: Single Event Upsets (SEU) to odwrócenie stanu komórki. Kiedy oddziaływanie jednej cząstki powoduje zmianę stanu wielu komórek k pamięci i to nazywa się to Multi Cell Upset (MCU), a gdy wiele bitów słowa zostaje zafałszowanych to nazywa się to Multi Bit Upset (MBU). 15

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 Latchup (SEL). Stan poboru wysokiego prądu spowodowany aktywacją pasożytniczej struktury dwóch tranzystorów bipolarnych istniejącej w każdej strukturze CMOS. Możebyć błędem twardym gdy dojdzie do przegrzania. 16

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 i (rewriting) ii elementu po czym urządzenie wraca do normalnej pracy, ale może spowodować system crash. Szczególnie czułeł 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 17

Single Event Latch-Up 18

Tyrystor 19

Przekrój czynny na błąd w jednym bicie Całkowity yprzekrój czynny yna odziaływania neutronu z krzemem spada od 1,95barn dla E=40MeV do 0,6barn dla E=200MeV. Przymiemy: 1barn = 10-24 cm 2 dla neutronu o energii 100MeV. Objętość jednego bitu to szescian o boku 1µm czyli liv V = (10-4 cm) 3 = 10-12 cm 3. Gęstość krzemu: ρ = 2,33 g/cm 3. N A n = ρ = 5 10 A Liczba atomów w jednym cm 3 krzemu: 3 22 atomów cm 2 22 atomów 12 3 24 2 14 cm σ V = n V σ = 5 10 10 cm 10 cm = 5 10 3 cm bit 20

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). 21

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. Q c i dd Przy założeniu, że zbieranie ładunku jest natychmiastowe i reszta układu nie ma czasu na odpowiedź. SRAM DRAM 1 2 fc 20 30 fc 22

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. 23

Single Event Effects Cząstka, która ma szanse doprowadzić do zkłócenia (upset) pracy elektroniki charakteryzuje sie 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). 24

Single Event Effects Liniowy przekaz energii LET to ilość energii tracona przez cząstkę na jednostce drogi tej czastki w materiale. Stosuje się też pojęcie zdolności hamowania (stopping power). Jest to wielkośc charakteryzjaca sposób w jaki czastka 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 = E x 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. 25

Single Event Effects 26

Całość zależności LET od energii padającego jonu opisują trzy teorie: Region w [MeV] Teoria Uwagi małe energie E i << 1MeV pośrednie energie LET zależy liniowoodprędkości 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. wysokie energie Kwantowa teoria Bethe ego ego. W E i > 1GeV przypadku nierelatywistycznym LET opisuje formuła Bethe Bloch: de dx z v 2 2 Z w praktyce dane doświadczalne są fitowane do potegowej zależności od energii występuje wyraźne maksimum zwane pikem Bragga Z liczba atomowa materiału z liczba atomowa padającej cząstki v prędkość padającej cząstki 27

LET E MeV = x µm LET = 1 ρ E MeV cm x mg 2 1 MV MeV MV MeV MV 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, 602 10 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 q=1,602 10-7 pc MeV cm 1 mg 2 10 fc µm 28

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 Ei zasięg jest tym większy im lżejsza jest cząstka. Lekkie czastki mają małe LET i duże R, a ciężkie czastki mają duże LET i małe R. 29

Szkliwo BPSG Dielektryczne szkliwo (BoroPhosphorSilicate Glass BPSG) tworzące warstwy rozdzielające metalowe ścieżki łaczące elemnty układu lub zabezpieczające powierzchnie układu scalonego. Dodatek boru obniża napięcie powierzchniowe ciekłego szkliwa co zapewnia zaokraglone krawędzie. Ścieżka połączeniowa aluminium BPSG Podłoże krzemowe 30

Mechanizm powstawania zakłóceń SEU indukowanych neutronami w pamięciach i SRAM najczęściej ś jpolega 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 31

Dozymetria SEE Liczba komórek pamięci, które zmieniły swójstanlogicznyjest liniowoi zależna ż od fluencji hadronów, jaką naświetlonoś pamięć. ć Dwa przykłady praktyczne: Projekt NEUTOR dla radioterapi, ALTER Technology, Hiszpania, Projket RADMON dla LHC, CERN. 32

Dozymetr SRAM - medyczny Detektor SRAM w systemie radioterapeutycznym Alter Group and Hirex Engineering in the project NEUTOR; 2009 System składa sięę 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. Zajmouje 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. ś i 33

Dozymetr SRAM - LHC Cylk odczyt porównanie zapis p 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. 34

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. WLHCzamontowano300takich urządzeń. Wyniki są wizualizowane w czasie rzeczywistym w sterowni LHC i gromadzone w bazie danych raz na sekundę. 35

RADMON Poziom odpornosci radiacyjnej do 200 Gy TID, 2x10 12 n/cm 2 (1 MeV eq.), 2x10 11 h/cm 2 (E > 20 MeV). Pole magnetyczne do 4.6 kgauss. Zawiera 9 czujników promieniowania: 2 PMOSFET y dopomiarudawkicałkowitej promieniowania jonizujacego (TID), 3 fotodiody połączone szeregowo do pomiaru fluencji neutronów równoważnej neutronom o energii 1 MeV 4 x4mbitstatycznejpamięci RAM do pomiaru strumienia hadronów o energi powyżej 20 MeV. 36

Dawka Złożone pole radiacyjne Parameteryzacja izwiązaneą z tym rodzaje uszkodzeń radiacyjnych i czujników. Hadrony >20 Mev TID Neutrony 1 Mev SEE RADFET y NIEL SRAM Diody PIN 37

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.)na1bit. 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) 38

Projektowanie o zwiekszonej odporności na SEE Stosowanie kodów korekcyjnych i detekcyjnych w kanałach transmisji danych i/lub pamięciach. ECC Error Correcting Codes Zasada potrojenia modułów. 39

Potrojenie układów TMR Ti Triple Module Redundancy d 40