CN107885253B - 一种用于半导体器件剂量率效应实验的精密控温装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于半导体器件剂量率效应实验的精密控温装置，用于高温高剂量环境下的半导体器件辐照损伤实验，在大幅缩减辐照时间的情况下，达到模拟低剂量率损伤增强实验的目的；该精密控温装置包括耐高温结构陶瓷外壳、耐高温结构陶瓷管、电阻丝、隔热层、粒子入射窗口，粒子出射窗口、电缆接口、热电偶、样品盒、绝热环、电气控制柜、温控仪和计算机；所述精密控温装置耐高温结构陶瓷外壳设计为长方体形状，内壁设计为圆柱体形状。该装置可长时间工作于伽马射线辐照环境中，实时监测样品盒内部温度。控温精度高，温度场分布均匀。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件物理实验领域，具体涉及一种用于半导体剂量率效应实验的精密温度加载与控制装置。
背景技术
双极型器件被大量应用于航空航天仪器仪表、核医疗器械以及核电站设备等领域。由于工作在辐射环境下，这类半导体器件受到辐照后，功能将出现退化，对电子学系统性能产生严重的影响，进而对设备整体可靠性带来极大隐患。自上世纪60年代发现半导体器件在空间受到粒子辐照后导致性能失效以来，半导体器件的辐射损伤效应引起科学家们广泛的关注。1991年，美国E. W. Enlow等人发现双极型器件具有低剂量辐射损伤增强效应（Enhanced Low Dose Rate Sensitivity， ELDRS），即某些特定结构的器件在受到低剂量率辐照下产生的辐射损伤，比在高剂量率条件下产生的损伤要大得多。
为了评估使役环境下半导体器件辐射损伤效应的影响，研究人员通常采用地面辐照实验开展模拟研究。但是对于ELDRS中典型剂量率(10-4 ～10-2rad(Si)/s)的模拟实验，存在辐照实验耗时长、费用高等弊端。为了解决这一难题，研究人员相继提出多种模拟低剂量率损伤增强实验的方法。其中高温高剂量率辐照实验即为一种有效的等效实验手段，利用该方法可大幅缩减辐照实验时间，进而降低实验成本。
为顺利开展高温高剂量辐照实验，有两个因素必不可少。一是稳定且剂量率可调的辐射场环境；二是可工作于高剂量辐照环境，对伽马射线几乎“透明”的高精度、温度均匀性良好的温度加载装置。对于第一个条件，国内多家科研院所及高校如中科院新疆理化物理所、中科院近代物理所、中物院核物理与化学研究所、北京大学和哈尔滨工业大学等均可提供满足条件的辐射场环境。但对于第二个条件，由于限制因素诸多，尚未发现有企业或科研机构提供完全满足要求的高温加载设备。鉴于此，本申请人设计了一种用于半导体器件剂量率效应实验的精密控温装置。
发明内容
本发明的发明目的是提供了一种用于半导体器件剂量率效应实验的精密控温装置，该装置，特别适用于高剂量伽马射线辐照环境下，模拟低剂量率损伤增强实验。
本发明的技术方案如下：
一种用于半导体器件剂量率效应实验的精密控温装置，其特征在于，包括：耐高温陶瓷结构、远程控制线缆、电气温控结构和计算机，耐高温陶瓷结构用于放置样品，耐高温陶瓷结构通过远程控制线缆连接电气温控结构，电气温控结构连接计算机。
对于上述耐高温陶瓷结构，具体设计如下：
所述耐高温陶瓷结构为外壳和内壁形成的双层结构，外壳和内壁均采用耐高温陶瓷制作，所述陶瓷的主要成分为三氧化二铝，受到长时间辐照不会产生活化效应。所述内壁呈筒状，中间设置样品盒，样品盒的两端通过绝热环径向安装于内壁的中间位置；所述外壳也呈筒状，外壳和内壁之间的空腔内设置有若干同轴向环形均匀分布的耐高温的陶瓷管，可以沿轴向按等间距排列设置多圈陶瓷管，陶瓷管内均设置有贯穿陶瓷管的电阻丝；所述外壳和内壁之间的空腔内，陶瓷管周围填充隔热层，隔热层采用陶瓷纤维制作。
所述内壁的两个端口分别为粒子入射窗口和粒子出射窗口，内壁的中空部分为粒子流通道，通入的粒子流穿过样品盒中的样品。所述粒子入射窗口和粒子出射窗口均采用二氧化硅或铝材料制作，不会影响伽马射线入射到辐照样品表面。
所述样品盒采用铝材制作，样品盒设计为圆柱体形状，样品盒与精密控温装置内壁之间设计有绝热环，避免内壁与样品盒之间发生接触式热传导效应。进一步的，所述样品盒有多种规格，可根据辐照样品尺寸任意更换。所述外壳的上端设置有用于与远程控制线缆连接的电缆接口；所述电阻丝穿过陶瓷管连接于电缆接口上，通过电缆接口与远程控制线缆连接。
对于上述电气温控结构，具体设计如下：所述电气温控结构包括电气控制柜和温控仪，温控仪安装于电气控制柜上并通过线缆与电气控制柜内的热电偶连接；所述热电偶为K型或S型热电偶。
对于精密控温装置整体而言，电阻丝通过电缆接口连接远程控制线缆，远程控制线缆连接电气控制柜，通过与热电偶连接的温控仪，可实时监测样品盒内部温度。
所述精密控温装置的控温范围为：室温~250摄氏度，控温精度优于1摄氏度。
所述电阻丝加热产生热辐射方式控温，相比聚光灯加热方式，聚光灯加热的发光组件不可长时间工作于高剂量辐照环境，且光辐射加热通常工作在开放区间，不利于对温度精度和均匀性的控制。
加热时，采用分段加温控制方式，通过实时采集安装在不同加温区间的热电偶反馈温度信息，对相应加热段的电阻丝的功率进行调节。此项设计的优势在于，常规的电阻丝热辐射加热炉在整个加热区内仅通过一组电阻丝进行热辐射加热，导致加温区间存在中间温度高，两端温度低的温度梯度分布现象，这将导致辐照样品在粒子入射一侧和粒子出射一侧的表面温度差异，进而对实验结果的准确性带来误差。采用分区控温设计以后，上述误差将得到有效的降低。
所述精密控温装置，基于PID 算法，自主编译控温程序，可实时保存温度时间曲线。通过该程序，基于串口或TCP/IP协议实现对精密控温装置的远程控制，数据通讯电缆为耐辐射类型。
所述精密控温装置，可长时间用于伽马射线辐照环境中。
本发明的有益效果如下：
本发明结构简单，简单易实现；该装置特别适用于高剂量伽马射线辐照环境下，模拟低剂量率损伤增强实验。
附图说明
图1为本发明的用于半导体剂量率效应实验的精密控温装置原理图。
图2为本发明的用于半导体剂量率效应实验的精密控温装置的左视图。
图3为本发明的用于半导体剂量率效应实验的精密控温装置的样品盒示意图。
图中，附图标记为：1.外壳，2.陶瓷管，3.电阻丝，4.内壁，5.粒子入射窗口，6.粒子出射窗口，7.样品盒，8.样品，9.绝热环，10.隔热层，11.电缆接口，12.温控仪，13.电气控制柜，14.计算机，15.远程控制线缆，16.数据通讯线缆。
具体实施方式
为使本发明的内容、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。需要说明的是，本申请中的实施例中的特征可以互相任意组合。
如图1所示，一种用于半导体器件剂量率效应实验的精密控温装置，包括耐高温陶瓷结构、远程控制线缆15、电气温控结构和计算机14，耐高温陶瓷结构用于放置样品8，耐高温陶瓷结构通过远程控制线缆15连接电气温控结构，电气温控结构通过数据通讯线缆16连接计算机14。
如图2、3所示，对于上述耐高温陶瓷结构，具体设计如下：
所述耐高温陶瓷结构为外壳1和内壁4形成的双层结构，外壳1和内壁4均采用耐高温陶瓷制作，所述陶瓷的主要成分为三氧化二铝，受到长时间辐照不会产生活化效应。所述内壁4呈筒状，中间设置样品盒7，样品盒7的两端通过绝热环9径向安装于内壁4的中间位置；所述外壳1也呈筒状，外壳1和内壁4之间的空腔内设置有若干同轴向环形均匀分布的耐高温的陶瓷管2，可以沿轴向按等间距排列设置多圈陶瓷管2，陶瓷管2内均设置有贯穿陶瓷管的电阻丝3；所述外壳1和内壁4之间的空腔内，陶瓷管2周围填充隔热层10，隔热层10采用陶瓷纤维制作。
在本实施例中，所述外壳1设计为长方体形状，长×宽×高为25厘米×20厘米×20厘米；所述内壁4设计成中空圆筒状，圆筒状的直径为10厘米。
所述内壁4的两个端口分别为粒子入射窗口5和粒子出射窗口6，内壁4的中空部分为粒子流通道，通入的粒子流穿过样品盒7中的样品8。所述粒子入射窗口5和粒子出射窗口6均采用二氧化硅或铝材料制作，不会影响伽马射线入射到辐照样品表面。
所述样品盒7采用铝材制作，样品盒7设计为圆柱体形状，样品盒7与精密控温装置内壁4之间设计有绝热环9，避免内壁4与样品盒7之间发生接触式热传导效应。进一步的，所述样品盒7有多种规格，可根据辐照样品尺寸任意更换。
所述外壳1的上端设置有用于与远程控制线缆15连接的电缆接口11；所述电阻丝3穿过陶瓷管2连接于电缆接口11上，通过电缆接口11与远程控制线缆15连接。
如图1所示，对于上述电气温控结构，具体设计如下：所述电气温控结构包括电气控制柜13和温控仪12，温控仪12安装于电气控制柜13上并通过线缆与电气控制柜13内的热电偶连接；所述热电偶为K型或S型热电偶。
对于精密控温装置整体而言，电阻丝3通过电缆接口11连接远程控制线缆15，远程控制线缆15连接电气控制柜13，通过与热电偶连接的温控仪12，可实时监测样品盒7内部温度。
所述精密控温装置的控温范围为：室温~250摄氏度，控温精度优于1摄氏度。
所述电阻丝3加热产生热辐射方式控温，相比聚光灯加热方式，聚光灯加热的发光组件不可长时间工作于高剂量辐照环境，且光辐射加热通常工作在开放区间，不利于对温度精度和均匀性的控制。
加热时，采用分段加温控制方式，通过实时采集安装在不同加温区间的热电偶反馈温度信息，对相应加热段的电阻丝的功率进行调节。此项设计的优势在于，常规的电阻丝热辐射加热炉在整个加热区内仅通过一组电阻丝进行热辐射加热，导致加温区间存在中间温度高，两端温度低的温度梯度分布现象，这将导致辐照样品在粒子入射一侧和粒子出射一侧的表面温度差异，进而对实验结果的准确性带来误差。采用分区控温设计以后，上述误差将得到有效的降低。
在伽马辐照环境下，利用本发明中公开的精密控温装置开展高温高剂量辐照损伤实验。首先在60Co源提供的伽马射线辐射场中（60Co源放置于水中），利用屏蔽材料，如铅，搭建一个小型剂量率稳定的辐射场环境；然后，根据待照射半导体器件尺寸，选择合适的样品盒7，并将半导体器件样品8放置于选定的样品盒7中；随后，实验人员在将精密控温装置安装在伽马射线辐射场中，在样品盒7的位置，安装热释光标定计；接下来，将60Co源从水中提升至预定的位置，通过热释光标定计标定样品盒处的剂量；将60Co源重新置于水中，取出热释光标定计得到样品盒处剂量率后，将样品盒7放置于精密控温装置内部的指定位置，实验人员离开现场，并再次将60Co源提升至指定位置；实验人员根据实测的伽马射线剂量率水平，通过远程控制设置待辐照样品8的加热时间和加热温度，以确保实验人员人身安全。需要注意的是，开始正式测量之前，该精密控温装置需要20分钟的预热时间。稳定加热过程中，三组加热电阻丝2分别由对应的温控仪12+晶闸管根据三个温度区间的热电偶实时反馈的温度信息进行PID控制，确保加温区间的温度精度和均匀性。辐照实验结束以后，需要对精密控温装置以及辐照样品的表面剂量率水平进行测试，测试数据满足国家规定的安全标准后，方可将精密控温装置和辐照样品带离剂量监控区域，开展后续其他指标的测试实验。
Claims (9)
1.一种用于半导体器件剂量率效应实验的精密控温装置，其特征在于，包括：耐高温陶瓷结构、远程控制线缆（15）、电气温控结构和计算机（14），耐高温陶瓷结构用于放置样品（8），耐高温陶瓷结构通过远程控制线缆（15）连接电气温控结构，电气温控结构连接计算机（14）；所述耐高温陶瓷结构包括耐高温材质的外壳（1）和内壁（4），外壳（1）和内壁（4）之间形成有空腔，内壁（4）为中空的筒状；所述内壁（4）内设置有样品盒（7），样品盒（7）的两端通过绝热环（9）径向安装于内壁（4）的中间位置；所述外壳（1）也呈筒状，外壳（1）和内壁（4）之间的空腔内设置有若干同轴向环形均匀分布的耐高温的陶瓷管（2），陶瓷管（2）内均设置有贯穿陶瓷管（2）的电阻丝（3）；所述外壳（1）和内壁（4）之间的空腔内，陶瓷管（2）周围填充有隔热层（10）；所述精密控温装置采用电阻丝（3）加热产生热辐射方式控温；加热时，采用分段加温控制方式，通过实时采集安装在不同加温区间的热电偶反馈温度信息，对相应加热段的电阻丝（3）的功率进行调节；
所述内壁（4）的两个端口分别为粒子入射窗口（5）和粒子出射窗口（6），内壁（4）的中空部分为粒子流通道，通入的粒子流穿过样品盒（7）中的样品（8）；所述粒子入射窗口（5）和粒子出射窗口（6）均采用二氧化硅或铝材料制作。
2.根据权利要求1所述的一种用于半导体器件剂量率效应实验的精密控温装置，其特征在于，所述外壳（1）和内壁（4）均采用耐高温的陶瓷制作，所述陶瓷的主要成分为三氧化二铝；所述隔热层（10）为陶瓷纤维。
3.根据权利要求1所述的一种用于半导体器件剂量率效应实验的精密控温装置，其特征在于，所述内壁（4）外侧沿轴向可按等间距排列设置多圈陶瓷管（2）。
4.根据权利要求1所述的一种用于半导体器件剂量率效应实验的精密控温装置，其特征在于，所述样品盒（7）采用铝材制作，样品盒（7）设计为圆柱体形状；所述样品盒（7）背部装有便于从加热装置中安装和取出的扣环。
5.根据权利要求1所述的一种用于半导体器件剂量率效应实验的精密控温装置，其特征在于，所述外壳（1）的上端设置有用于与远程控制线缆（15）连接的电缆接口（11）；所述电阻丝（3）穿过陶瓷管（2）连接于电缆接口（11）上，通过电缆接口（11）与远程控制线缆（15）连接。
6.根据权利要求1所述的一种用于半导体器件剂量率效应实验的精密控温装置，其特征在于，所述电气温控结构包括电气控制柜（13）和温控仪（12），温控仪（12）安装于电气控制柜（13）上并通过线缆与电气控制柜（13）内的热电偶连接；所述热电偶为K型或S型热电偶。
7.根据权利要求6所述的一种用于半导体器件剂量率效应实验的精密控温装置，其特征在于，所述电阻丝（3）通过电缆接口（11）连接远程控制线缆（15），远程控制线缆（15）连接电气控制柜（13），通过与热电偶连接的温控仪（12）实时监测样品盒（7）内部温度。
8.根据权利要求1所述的一种用于半导体器件剂量率效应实验的精密控温装置，其特征在于，所述精密控温装置的控温范围为：室温~250摄氏度，控温精度优于1摄氏度。
9.根据权利要求1所述的一种用于半导体器件剂量率效应实验的精密控温装置，其特征在于，所述精密控温装置适用于长时间的伽马射线辐照环境中。
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