Jak elektronika radzi sobie z promieniowaniem jonizującym?

Niezbędne w większości gałęzi fizyki systemy detekcyjne oparte są w dużej mierze na układach elektronicznych. Wiele z takich układów pracuje w warunkach narażenia na promieniowanie jonizujące, dlatego ciągle prowadzone są badania, m.in. nad półprzewodnikami, scyntylatorami, czy fotopowielaczami, w celu lepszego zrozumienia ich zachowania w takim środowisku.

Półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej znalazły zastosowanie w układach elektronicznych, zwłaszcza w optoelektronice. Materiały takie jak azotek galu (GaN), czy azotek indowo-galowy (InGaN), są używane do produkcji m.in. diod LED, elementów laserów lub tranzystorów. Badane jest także zastosowanie ich w sensorach i fotodetektorach. Tego typu azotki wykazują dużą odporność na wysokie temperatury i promieniowanie, stanowią więc doskonały materiał do produkcji paneli fotowoltaicznych do wykorzystania w satelitach.

O ile azotek galu jest półprzewodnikiem bardzo dokładnie zbadanym, to w przypadku InGaN skutki działania promieniowania jonizującego nie są dokładnie znane i wciąż prowadzone są nowe eksperymenty i badania nad tym materiałem. Wyniki badań przeprowadzonych w Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa we współpracy z Zakładem Technologii Plazmowych i Jonowych NCBJ opublikowano w październiku, w czasopiśmie Physical Chemistry Chemical Physics. Artykuł zatytułowany "Damage in InGaN/GaN bilayers upon Xe and Pb swift heavy ion irradiation" został uznany jako 2022 HOT Article przez wydawców czasopisma.

W ramach eksperymentu przeprowadzonego przez autorów napromieniowano próbki składające się z warstwy InGaN oraz GaN. Były one naniesione na podłoże z szafiru, a poddano je napromienianiu wiązkami jonów ksenonu oraz ołowiu o energiach rzędu odpowiednio kilkudziesięciu MeV i ponad 1 GeV, czyli klasyfikowanych jako szybkie ciężkie jony (ang. swift heavy ion, SHI). Próbki, zarówno przed, jak i po napromieniowaniu, przebadano pod względem uszkodzeń radiacyjnych. Badacze wykorzystywali w tym celu techniki spektrometrii rozpraszania wstecznego, dyfraktometrii rentgenowskiej, a także spektroskopii Ramana.

Na podstawie analiz, naukowcy stwierdzili, że InGaN jest bardziej podatny na działanie promieniowania jonizującego, niż czysty azotek galu, przy czym większa energia jonów oddziałujących z materiałem nie powodowała drastycznego zwiększenia ilości powstałych uszkodzeń. „Jony oddziałujące z półprzewodnikami potrafią powodować powstawanie tzw. torów, wzdłuż których materiał przechodzi przemianę fazową i zwyczajnie się topi, co zmienia jego właściwości”– opisuje dr Przemysław Jóźwik z Zakładu Technologii Plazmowych i Jonowych NCBJ, pierwszy autor pracy. „W miarę schładzania, struktura krystaliczna może być częściowo odbudowywana. Z badań wynika, że czysty azotek galu ma większe możliwości odbudowy, niż InGaN. Po zwiększaniu zawartości azotku indu, w półprzewodniku mogą formować się stabilne zgrupowania defektów, co utrudnia ponowną krystalizację. Zmiany w strukturze krystalicznej mogą zaś powodować zmianę właściwości materiału, np. szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika.”

Wyniki badań zostały wsparte symulacjami Monte Carlo w programie McChasy-1, który powstał i wciąż jest rozwijany w NCBJ. „Dzięki połączeniu eksperymentu i symulacji dowiedzieliśmy się, że najbardziej podatny na zniszczenia wskutek oddziaływania z szybkimi ciężkimi jonami (SHI) jest obszar przypowierzchniowy badanych materiałów” – dodaje dr Jóźwik. ”To ważna wskazówka, np. dla produkcji elektroniki, która miałaby być wykorzystywana w przestrzeni kosmicznej, przy eksperymentach z fizyki wysokich energii czy w zastosowaniach militarnych”.

Na rynku półprzewodników dostępne są komercyjne materiały specjalnie stworzone z myślą o narażeniu na promieniowanie jonizujące, tzw. materiały rad-hard (radiation hardened). Ich zwiększona wytrzymałość na działanie promieniowania może wynikać zarówno z użytej technologii produkcji, jak i rozwiązań sprzętowych, kompensujących efekty potencjalnych zniszczeń radiacyjnych. Ich wykorzystanie w obecnych czasach jednak maleje. Związane jest to z szybkim rozwojem technologicznym elektroniki, za którym rynek materiałów odpornych na uszkodzenia radiacyjne nie jest w stanie nadążyć. Dodatkowo, w celu zachowania wydajności dorównującej nowoczesnym technologiom, komercyjne układy rad-hard bardzo często mają większe rozmiary, masę i pobór energii. Z tego powodu dokładne poznanie właściwości materiałów i ich wrażliwości na potencjalne zniszczenia radiacyjne ma duże znaczenie praktyczne.

Problem narażenia elementów elektroniki na uszkodzenia spowodowane przez promieniowanie jonizujące jest istotnym elementem badań, również w innych Departamentach NCBJ, zwłaszcza w związku z przygotowywaniem aparatury dla misji kosmicznych. „Naukowcy Departamentu Aparatury i Technik Jądrowych NCBJ biorą udział w przygotowaniu eksperymentu POLAR-2, który w ciągu najbliższych lat ma zostać umieszczony na pokładzie Chińskiej Stacji Kosmicznej (CSS)” – opowiada mgr inż. Dominik Rybka z Zakładu Elektroniki i Systemów Detekcyjnych. „Natura eksperymentu badającego polaryzację rozbłysków gamma, ale i samo umieszczenie go na orbicie 340-420 km nad powierzchnią Ziemi sprawia, że jego podzespoły będą narażone na działanie promieniowania kosmicznego”. Przeprowadzane są badania odporności pojedynczych elementów, takich jak scyntylatory i fotopowielacze, na uszkodzenia spowodowane oddziaływaniem z protonami (stanowiącymi niemal 90% promieniowania kosmicznego), ale także gotowych układów. Tego typu badania są sporym wyzwaniem. Komponenty rad-hard są obecnie używane wyłącznie w misjach kosmicznych o dużym budżecie i tam, gdzie muszą pełnić krytyczne funkcje z punktu widzenia niezawodności systemu. W misjach niskobudżetowych, ale też w dużych konstelacjach satelitów, inżynierowie wybierają elementy np. z przemysłu samochodowego, które charakteryzują się wysoką wytrzymałością, zwłaszcza na ekstremalną temperaturę. Elementy te są następnie badane pod względem odporności na uszkodzenia radiacyjne, aby upewnić się, że w trakcie trwania misji dawka promieniowania jonizującego jaką przyjmą, nie spowoduje ich nieprawidłowego działania, bądź całkowitego uszkodzenia. „Tak naprawdę nie ma tanich rozwiązań, jeśli szukamy niezawodności” – dodaje dr inż. Tomasz Rajkowski z Zakładu Elektroniki i Systemów Detekcyjnych. „Albo płacimy producentowi komponentów rad-hard, albo ponosimy koszt kwalifikacji radiacyjnej wykonywanej po naszej stronie. Szukanie oszczędności najczęściej wiąże się z poświęcaniem części niezawodności – i to też może być akceptowalne, o ile główne założenia misji będą spełnione.”

Częstą metodą, używaną do określenia dawki jaką mogą przyjąć elementy elektroniki, jest wystawienie ich na działanie źródeł promieniotwórczych takich jak kobalt-60. W Zakładzie Elektroniki i Systemów Detekcyjnych, we współpracy z Zakładem Fizyki i Techniki Akceleracji Cząstek, badana jest alternatywna metoda: wykorzystywanie liniowych akceleratorów elektronów, które w wyniku zderzenia elektronów z tarczą wolframową, produkują wiązki promieniowania X. Badania te prowadzone są w ramach rozwijania testów systemowych, ale zaczynają być również stosowane komercyjnie, np. dla firm z polskiego przemysłu kosmicznego.

Elementy samych akceleratorów, zarówno przemysłowych, jak i medycznych, również są narażone na działanie promieniowania jonizującego. W akceleratorach, jakimi w NCBJ zajmuje się  m.in. Zakład Aparatury Jądrowej HITEC, wykorzystywane są matryce i sterowniki bardziej odporne na działanie promieniowania, a ich dobór jest wynikiem wieloletnich doświadczeń konstrukcyjnych.

Poza protonami i promieniowaniem gamma, naukowcy badają również wpływ promieniowania neutronowego, np. na scyntylatory. Napromienianiem takich materiałów wiązkami neutronów zajmują się naukowcy z Departamentu Aparatury i Technik Jądrowych NCBJ oraz Zakładu Badań Reaktorowych NCBJ. Badane próbki umieszczane są w rdzeniu reaktora badawczego MARIA. W ten sposób przeprowadzone zostało naświetlanie scyntylatora EJ-276, stosowanego w detektorach neutronów prędkich.

Zagadnienie odporności materiałów na uszkodzenia radiacyjne - zarówno materiałów konstrukcyjnych, jak i materiałów wykorzystywanych w układach elektronicznych - jest istotną częścią badań w wielu gałęziach fizyki, od misji kosmicznych, do akceleratorów przemysłowych i medycznych. Wciąż udoskonalane są metody badawcze, a do poszukiwania nowych rozwiązań wykorzystywane są coraz częściej narzędzia numeryczne. Rozwija się współpraca naukowców zajmujących się nieraz bardzo odległymi od siebie obszarami.

Publikacje naukowe:

P. Jóźwik et al. Damage in InGaN/GaN bilayers upon Xe and Pb swift heavy ion irradiation, Phys. Chem. Chem. Phys., 2022, 24, 25773, https://doi.org/10.1039/D2CP02526D

Mianowski, S, De Angelis, N., Hulsman, J. et al. Proton irradiation of SiPM arrays for POLAR-2. Exp Astron (2022). https://doi.org/10.1007/s10686-022-09873-6

S Mianowski et al. Neutron hardness of EJ-276 scintillation material, 2020 JINST 15 P10012, https://doi.org/10.1088/1748-0221/15/10/P10012