小劑量電子輻照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
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【摘要】通常情況下，工業(yè)上電子輻照所需的劑量很大，故工業(yè)電子加速器的劑量率一般都很大，而在對半導(dǎo)體進(jìn)行輻照時(shí)，通常需要較小的劑量。本文推導(dǎo)了高頻諧振工業(yè)電子加速器的輻照劑量率，然后援用某種工業(yè)電子加速器的參數(shù)計(jì)算出半導(dǎo)體接受電子輻照的最小劑量率，并設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)現(xiàn)工業(yè)電子加速器對半導(dǎo)體的小劑量電子輻照。
【關(guān)鍵詞】工業(yè)電子加速器；電子輻照；小劑量；半導(dǎo)體
1引言
電子加速器輻照技術(shù)具有應(yīng)用廣、效率高、無污染等特點(diǎn)，[1~2]已經(jīng)應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮的作用越來越大。[3]電子加速器內(nèi)部的電磁鐵兩級之間有一個(gè)環(huán)形真空室，在交變電流的作用下，在其內(nèi)部形成很強(qiáng)的電場，這時(shí)電子被注入環(huán)形室，在電場的加速下獲得較高的能量，其速度甚至可以接近光速。[4]電子加速器輻照裝置按加速原理分為直流高壓型和高頻諧振型兩類。[5]直流高壓型，是用直流電產(chǎn)生連續(xù)束流，利用帶電粒子同性相斥異性相吸的原理使帶電粒子加速而獲得能量。[6]高頻諧振型電子加速器輻照裝置產(chǎn)生的是脈沖束流，它的工作原理是使電子束流多次經(jīng)過交變電場而使電子獲得一定的能量。[7]電子加速器能夠應(yīng)用于電線電纜、發(fā)泡材料以及有機(jī)PTC材料的輻射交聯(lián)和輻射接枝。[8]隨著電子加速器的發(fā)展，其應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷地?cái)U(kuò)大，在食品的殺菌、保鮮方面應(yīng)用廣泛。[9]電子加速器輻照裝置對半導(dǎo)體材料進(jìn)行照射，可以改變材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到改變材料理化性質(zhì)的目的。[10]用電子加速器還可以給寶石進(jìn)行改色，無色黃玉在經(jīng)過電子輻照和適當(dāng)處理后，可以變成淡藍(lán)色。[11]
2結(jié)果與討論
一般來說，工業(yè)上所需的電子輻照劑量很大，而大量的電子輻照會(huì)在半導(dǎo)體材料內(nèi)部產(chǎn)生大量的缺陷，而這些缺陷通常對半導(dǎo)體是有害的，故對半導(dǎo)體進(jìn)行電子輻照所需的劑量通常較小。工業(yè)電子加速器劑量率通常很大，不適用于半導(dǎo)體的電子輻照。本文推導(dǎo)出高頻諧振型工業(yè)電子加速器劑量率的表達(dá)式，并將某種工業(yè)電子加速器的參數(shù)代入計(jì)算出該加速器輻照的最小劑量率。然后，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，提出可借助傳送帶或者機(jī)器人小車實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體的小劑量電子輻照。降低輻照劑量通常有兩種途徑，分別是減小劑量率或者減小輻照的時(shí)間。限于工業(yè)電子加速器的電流等物理參數(shù)的值較大，工業(yè)電子加速器的最小劑量率通常比較大，故可通過減小輻照時(shí)間實(shí)現(xiàn)工業(yè)電子加速器的小劑量電子輻照。首先推導(dǎo)高頻諧振型電子加速器的劑量率表達(dá)式。此處劑量率是指單位時(shí)間內(nèi)被輻照的物體吸收的劑量。下文各字母的定義為：I為電子加速器脈沖電流數(shù)值，t為脈寬，q為一個(gè)電子的電量，f為脈沖電流的頻率，E0表示電子射入硅片之前的能量，即加速器的輻照能量，E1是電子射出硅片之后的能量，S1為電子加速器的輻照區(qū)域的面積，S2為半導(dǎo)體樣品的面積，d為半導(dǎo)體樣品的厚度，ρ為半導(dǎo)體樣品的密度。一個(gè)脈沖電流下輻照在半導(dǎo)體上的電量為：Q=It（1）一個(gè)脈沖電流下輻照在半導(dǎo)體上的電子個(gè)數(shù)為：n=Q/q=It/q（2）一個(gè)脈沖電流下輻照在半導(dǎo)體上的能量為：n•（E0-E1）（3）則單位時(shí)間單位面積的半導(dǎo)體接受的輻照能量為：n•（E0-E1）/S1÷1/f=n•（E0-E1）•f/S1（4）半導(dǎo)體的質(zhì)量為：m=S2•d•ρ（5）故電子輻照的劑量率為：D=n•（E0-E1）•f•S2/S2•d•ρ=It（E0-E1）f/qS1dρ（6）以某高頻諧振型工業(yè)電子加速器為例，計(jì)算其最小輻照劑量率。該電子加速器的具體參數(shù)如下：電子能量是10MeV，脈沖電流閾值可調(diào)范圍為50~260mA，脈寬可調(diào)范圍為4~18μs，頻率可調(diào)范圍為1~500Hz在電子輻照過程中硅片吸收的每個(gè)電子的能量為E0-E1=0.22MeV（由中國原子能科學(xué)研究院提供），輻照區(qū)域長80cm，寬4cm，故輻照面積S1=80cm•4cm=320cm2。本文中，所用半導(dǎo)體樣品是硅片，其面積為S1=1cm2，厚度d=600μm，密度ρ=2.33g/cm3。將脈沖電流/脈寬/頻率等參數(shù)的最小值，即I=50mA，t=4μs，f=1Hz，代入公式（6），可計(jì)算出該電子加速器的最小劑量率為1Gy/s。假設(shè)目標(biāo)輻照劑量為20Gy則硅片在輻照區(qū)域內(nèi)停留的時(shí)間為20s。由v=L/t（L為電子加速器輻照區(qū)域的寬度），可求出硅片經(jīng)過輻照區(qū)域的速度為0.2cm/s，最后只需將硅片固定在小車或者傳送帶上，利用傳送帶或者小車，攜帶硅片通過輻照區(qū)域，控制傳送帶的帶速或者小車的車速，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)劑量的電子輻照。由于電子加速器開和關(guān)時(shí)電子束流不穩(wěn)定，故應(yīng)該在其穩(wěn)定工作時(shí)對硅片進(jìn)行輻照。電子加速器裝置是由極板組成，上面的極板向下發(fā)射電子進(jìn)而對物體進(jìn)行輻照，故可以將硅片固定在傳送帶或者機(jī)器人小車上，通過控制傳送帶或機(jī)器人小車的速度，使硅片在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過輻照區(qū)域。由上文計(jì)算可知，只需要將傳送帶或小車的速度調(diào)至0.2cm/s，即可實(shí)現(xiàn)20Gy的電子輻照。通常，當(dāng)工業(yè)電子加速器的各參數(shù)同時(shí)調(diào)至最低時(shí)，電子輻照的束流可能不穩(wěn)定。故另取脈沖電流/脈寬/頻率的平均值代入公式（6），可得此條件下的劑量率為209Gy/s。當(dāng)目標(biāo)輻照劑量為20Gy時(shí)，硅片在輻照區(qū)域的停留時(shí)間為0.1s，可推算硅片經(jīng)過輻照區(qū)域的速度為40cm/s。當(dāng)需要硅片以更快的速度經(jīng)過輻照區(qū)域時(shí)，傳送帶可能無法滿足需求，故此種情況下可用小車攜帶硅片快速經(jīng)過輻照區(qū)域。
3結(jié)論
本文推導(dǎo)出高頻諧振型工業(yè)電子加速器輻照劑量率的表達(dá)式。根據(jù)目標(biāo)輻照劑量可計(jì)算出輻照時(shí)間。將半導(dǎo)體固定在傳送帶或者機(jī)器人小車上，通過調(diào)節(jié)傳送帶或者小車的速度，使半導(dǎo)體在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過輻照區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)高頻諧振型工業(yè)電子加速器的小劑量電子輻照。
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作者：陳逸飛 單位：石家莊市第二中學(xué)