Milad Khani

Milad Khani M.Sc.

+49 6151 16-20588
+49 6151 16-20582

Fraunhoferstraße 4
64283 Darmstadt

Raum: S3|21 309

Forschungsthema

Strahlungsfeste Leistungselektronik für Teilchenbeschleuniger

Mittels leistungselektronscher Systeme / Stromrichter können sowohl Magnete (Kickermagnete, Dipole, Quadrupole etc.) hochdynamisch angesteuert als auch Spannungen an Elektroden mit hoher Geschwindigkeit im Bereich einiger kV/µs gestellt werden. Aus Gründen der Dynamik sowie auch der erzielbaren Genauigkeit ist es sinnvoll, die leistungselektronischen Systeme möglichst in der Nähe der Stellglieder, d.h. der Beschleunigerkomponenten (Magnete, Kicker, Septa), zu platzieren.

Allerdings werden in diesem Fall sowohl die Leistungshalbleiter als auch die notwendigen Treiber- und Signalverarbeitungs-Bausteine einer erhöhten Strahlungsbelastung ausgesetzt. Dies kann zu Ausfällen leistungselektronischer Systeme führen. Da man den Einfluss der Strahlung nicht einschätzen kann, vermeidet man heute möglichst die Lokalisierung am Strahlweg und stellt diese abgesetzt in eigenen Betriebsräumen auf. Hinzu kommt elektromagnetische Einstrahlung, die zwar nicht zur unmittelbaren Zerstörung, aber zu einer Fehlfunktion von Signalwegen und damit zu einer Sekundärschädigung führen kann.

Abbildung 1: Single-Event-Burnout (links) und Anlagerung positiver Ladungsträger im Gateoxid (rechts) in einem n-Kanal-MOSFET
Abbildung 1: Single-Event-Burnout (links) und Anlagerung positiver Ladungsträger im Gateoxid (rechts) in einem n-Kanal-MOSFET

Radioaktive Strahlung ruft eine Vielzahl an Effekten in Leistungshalbleitern hervor. So können radioaktive Teilchen beim Durchdringen der Raumladungszone des Halbleiters entlang ihres Pfads Elektronen-Loch-Paare bilden. Die Folge ist ein elektrisch leitfähiger Pfad (siehe Abbildung 1 links). Dies führt zum Kurzschluss und unweigerlich zur Zerstörung des Leistungshalbleiters (auch Single-Event-Burnout genannt). Ein weiterer Effekt ist die Ansammlung positiver Ladungen im Gateoxid. Durch radioaktive Strahlung entstehen im Gateoxid Elektronen-Loch-Paare. Die hochbeweglichen Elektronen werden durch die anliegende Gatespannung aus dem Oxid transportiert, während die Löcher verharren. Das Oxid wird positiv geladen, welches zu einem Herabsenken der Gate-Threshold-Spannung führt (siehe Abbildung 1 rechts). Die Folge ist das unbeabsichtigte Einschalten des Schalters.

Es existieren noch viele andere Mechanismen, welche durch radioaktive Teilchen hervorgerufen werden. Ein weiteres Beispiel: Hochenergetische Teilchen können Defekte im Siliziumkristall hervorrufen, indem sie das Siliziumatom aus dem Gitter herausschlagen.

Ziele

• Analyse und Bewertung der relevanten Strahlenbelastung (Beta, Gamma, Nukleonen, Myonen, Pionen) am Strahlengang in Beschleunigeranlagen.

• Einfluss vorbeifliegender Teilchenpakete auf leistungselektronische Schaltungen (EMV).

• Ermittlung der Fehlerrate in Abhängigkeit der Strahlenbelastung, Stromtragfähigkeit und Durchbruchspannung des Leistungsschalters.

• Ableitung einer Auslegungsrichtlinie für den Betrieb von Leistungshalbleitern in unmittelbarer Nähe zum Strahlgang.

• Realisierung einer taktenden Schaltung als Technologiedemonstrator und Betrieb bei paralleler Erfassung der Strahlungsbelastung.

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