小劑量電子輻照實驗設計

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【摘要】通常情況下，工業上電子輻照所需的劑量很大，故工業電子加速器的劑量率一般都很大，而在對半導體進行輻照時，通常需要較小的劑量。本文推導了高頻諧振工業電子加速器的輻照劑量率，然后援用某種工業電子加速器的參數計算出半導體接受電子輻照的最小劑量率，并設計一個實驗方案，實現工業電子加速器對半導體的小劑量電子輻照。

【關鍵詞】工業電子加速器；電子輻照；小劑量；半導體

1引言

電子加速器輻照技術具有應用廣、效率高、無污染等特點，[1~2]已經應用于經濟社會的各個領域，在國民經濟中發揮的作用越來越大。[3]電子加速器內部的電磁鐵兩級之間有一個環形真空室，在交變電流的作用下，在其內部形成很強的電場，這時電子被注入環形室，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，是用直流電產生連續束流，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生的是脈沖束流，它的工作原理是使電子束流多次經過交變電場而使電子獲得一定的能量。[7]電子加速器能夠應用于電線電纜、發泡材料以及有機PTC材料的輻射交聯和輻射接枝。[8]隨著電子加速器的發展，其應用的領域也在不斷地擴大，在食品的殺菌、保鮮方面應用廣泛。[9]電子加速器輻照裝置對半導體材料進行照射，可以改變材料的內部結構，從而達到改變材料理化性質的目的。[10]用電子加速器還可以給寶石進行改色，無色黃玉在經過電子輻照和適當處理后，可以變成淡藍色。[11]

2結果與討論

一般來說，工業上所需的電子輻照劑量很大，而大量的電子輻照會在半導體材料內部產生大量的缺陷，而這些缺陷通常對半導體是有害的，故對半導體進行電子輻照所需的劑量通常較小。工業電子加速器劑量率通常很大，不適用于半導體的電子輻照。本文推導出高頻諧振型工業電子加速器劑量率的表達式，并將某種工業電子加速器的參數代入計算出該加速器輻照的最小劑量率。然后，設計一個實驗，提出可借助傳送帶或者機器人小車實現對半導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間。限于工業電子加速器的電流等物理參數的值較大，工業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間實現工業電子加速器的小劑量電子輻照。首先推導高頻諧振型電子加速器的劑量率表達式。此處劑量率是指單位時間內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值，t為脈寬，q為一個電子的電量，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域的面積，S2為半導體樣品的面積，d為半導體樣品的厚度，ρ為半導體樣品的密度。一個脈沖電流下輻照在半導體上的電量為：Q=It（1）一個脈沖電流下輻照在半導體上的電子個數為：n=Q/q=It/q（2）一個脈沖電流下輻照在半導體上的能量為：n•（E0-E1）（3）則單位時間單位面積的半導體接受的輻照能量為：n•（E0-E1）/S1÷1/f=n•（E0-E1）•f/S1（4）半導體的質量為：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電子加速器為例，計算其最小輻照劑量率。該電子加速器的具體參數如下：電子能量是10MeV，脈沖電流閾值可調范圍為50~260mA，脈寬可調范圍為4~18μs，頻率可調范圍為1~500Hz在電子輻照過程中硅片吸收的每個電子的能量為E0-E1=0.22MeV（由中國原子能科學研究院提供），輻照區域長80cm，寬4cm，故輻照面積S1=80cm•4cm=320cm2。本文中，所用半導體樣品是硅片，其面積為S1=1cm2，厚度d=600μm，密度ρ=2.33g/cm3。將脈沖電流/脈寬/頻率等參數的最小值，即I=50mA，t=4μs，f=1Hz，代入公式（6），可計算出該電子加速器的最小劑量率為1Gy/s。假設目標輻照劑量為20Gy則硅片在輻照區域內停留的時間為20s。由v=L/t（L為電子加速器輻照區域的寬度），可求出硅片經過輻照區域的速度為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域，控制傳送帶的帶速或者小車的車速，從而實現目標劑量的電子輻照。由于電子加速器開和關時電子束流不穩定，故應該在其穩定工作時對硅片進行輻照。電子加速器裝置是由極板組成，上面的極板向下發射電子進而對物體進行輻照，故可以將硅片固定在傳送帶或者機器人小車上，通過控制傳送帶或機器人小車的速度，使硅片在規定時間內通過輻照區域。由上文計算可知，只需要將傳送帶或小車的速度調至0.2cm/s，即可實現20Gy的電子輻照。通常，當工業電子加速器的各參數同時調至最低時，電子輻照的束流可能不穩定。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。當目標輻照劑量為20Gy時，硅片在輻照區域的停留時間為0.1s，可推算硅片經過輻照區域的速度為40cm/s。當需要硅片以更快的速度經過輻照區域時，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過輻照區域。

3結論

本文推導出高頻諧振型工業電子加速器輻照劑量率的表達式。根據目標輻照劑量可計算出輻照時間。將半導體固定在傳送帶或者機器人小車上，通過調節傳送帶或者小車的速度，使半導體在規定時間內通過輻照區域，從而實現高頻諧振型工業電子加速器的小劑量電子輻照。

參考文獻

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作者：陳逸飛 單位：石家莊市第二中學