Strahleneffekte auf Halbleiter-Bauelemente am GSI Helmholtz-Zentrum für Schwerionenforschung nehmen stark an Bedeutung zu wegen des Anstiegs an Strahlintensität aufgrund des Ausbaus der Anlagen. Darüber hinaus wird derzeit ein neuer Beschleuniger im Rahmen des Projektes Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) aufgebaut. Die Strahlintensitäten werden hier um den Faktor 100 und die Energien um den Faktor 10 erhöht werden. Die Strahlenfelder in der Umgebung der Strahlrohre werden um mehr als 2 Größenordnungen ansteigen, begleitet von einer entsprechenden Auswirkung auf Halbleiter-basierte Geräte. Daher ist es notwendig, eine Studie zur Strahlenwirkung auf elektronische Geräte unter Berücksichtigung der spezifischen Eigenschaften der Strahlung, die typisch für Hochenergie-Schwerionen-Beschleuniger ist, durch zu führen.
Strahleneffekte auf Elektronikkomponenten in einer Beschleunigerumgebung lassen sich in zwei Kategorien aufteilen: kurzzeitige zeitlich limitierte Effekte und Langzeiteffekte mit andauernder Schädigung. Beide können problematisch für die richtige Funktion elektronischer Geräte sein. Die vorliegende Arbeit bezieht sich auf Strahlenschäden von CCD-Kameras im Strahlenfeld von Schwerionenbeschleunigern. Es wurden verschiedene Serien von Experimenten mit Bestrahlung von Komponenten (Devices under Test DUT) durch Sekundärstrahlung durchgeführt, welche durch Strahlverluste entsteht. Dazu wurden Monte Carlo Berechnungen zur Simulation der experimentellen Bedingungen sowie der Bedingungen der zukünftigen Beschleuniger durchgeführt. Diese wurden verglichen und daraus Schlussfolgerungen gezogen. Weiterhin wurde eine weitere Komponente an Beschleunigereinrichtungen getestet, nämlich Ethernet Schalter. Zusätzlich wurden direkte Bestrahlungen von CCDs und MOS Chips mit Schwerionen durchgeführt. Die typischen Energien der Primärionen betrugen dabei 0,5 bis 1 GeV/u, die Ionensorten reichten von Natrium bis Uran, die Intensitäten des Strahls bis zu 1E9 Ionen pro Spill mit Spilldauern von 200 bis 300 ns.
Kriterien der Zuverlässigkeit und Lebensdauern der DUTs unter spezifischen Bestrahlungsbedingungen wurden formuliert, basierend auf den experimentellen Resultaten der Arbeit. Es wurden Vorhersagen getroffen zur elektronischen Bauteil-Zuverlässigkeit und Betriebslebensdauer unter den für FAIR erwarteten Bedingungen, basierend auf Monte Carlo Simulationen. Zusätzlich zu den Hauptergebnissen wurde ein neuartiger Typ von CCD-basiertem Strahlverlust-Monitor (beam loss monitor BLM) vorgeschlagen und diskutiert.
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