Radiation Effects on Semiconductor Devices in High Energy Heavy Ion Accelerators
Radiation Effects on Semiconductor Devices in High Energy Heavy Ion Accelerators
Radiation effects on semiconductor devices in GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research are becoming more and more significant with the increase of beam intensity due to upgrades. Moreover a new accelerator is being constructed on the basis of GSI within the project of facility for antiproton and ion research (FAIR). Beam intensities will be increased by factor of 100 and energies by factor of 10. Radiation fields in the vicinity of beam lines will increase more than 2 orders of magnitude and so will the effects on semiconductor devices. It is necessary to carry out a study of radiation effects on semiconductor devices considering specific properties of radiation typical for high energy heavy ion accelerators. Radiation effects on electronics in accelerator environment may be divided into two categories: short-term temporary effects and long-term permanent degradation. Both may become critical for proper operation of some electronic devices. This study is focused on radiation damage to CCD cameras in radiation environment of heavy ion accelerator. Series of experiments with irradiation of devices under test (DUTs) by secondary particles produced during ion beam losses were done for this study. Monte Carlo calculations were performed to simulate the experiment conditions and conditions expected in future accelerator. Corresponding comparisons and conclusions were done. Another device typical for accelerator facilities - industrial Ethernet switch was tested in similar conditions during this study. Series of direct irradiations of CCD and MOS transistors with heavy ion beams were done as well. Typical energies of the primary ion beams were 0.5-1 GeV/u. Ion species: from Na to U. Intensities of the beam up to 1e9 ions/spill with spill length of 200-300 ns. Criteria of reliability and lifetime of DUTs in specific radiation conditions were formulated, basing on experimental results of the study. Predictions of electronic device reliability and lifetime were formulated for radiation conditions expected in future at FAIR, basing on Monte Carlo simulations. In addition to main results a new type of CCD-based beam loss monitor (BLM) was proposed and discussed.
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.
