小剂量电子辐照实验设计

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【摘要】通常情况下，工业上电子辐照所需的剂量很大，故工业电子加速器的剂量率一般都很大，而在对半导体进行辐照时，通常需要较小的剂量。本文推导了高频谐振工业电子加速器的辐照剂量率，然后援用某种工业电子加速器的参数计算出半导体接受电子辐照的最小剂量率，并设计一个实验方案，实现工业电子加速器对半导体的小剂量电子辐照。

【关键词】工业电子加速器；电子辐照；小剂量；半导体

1引言

电子加速器辐照技术具有应用广、效率高、无污染等特点，[1~2]已经应用于经济社会的各个领域，在国民经济中发挥的作用越来越大。[3]电子加速器内部的电磁铁两级之间有一个环形真空室，在交变电流的作用下，在其内部形成很强的电场，这时电子被注入环形室，在电场的加速下获得较高的能量，其速度甚至可以接近光速。[4]电子加速器辐照装置按加速原理分为直流高压型和高频谐振型两类。[5]直流高压型，是用直流电产生连续束流，利用带电粒子同性相斥异性相吸的原理使带电粒子加速而获得能量。[6]高频谐振型电子加速器辐照装置产生的是脉冲束流，它的工作原理是使电子束流多次经过交变电场而使电子获得一定的能量。[7]电子加速器能够应用于电线电缆、发泡材料以及有机PTC材料的辐射交联和辐射接枝。[8]随着电子加速器的发展，其应用的领域也在不断地扩大，在食品的杀菌、保鲜方面应用广泛。[9]电子加速器辐照装置对半导体材料进行照射，可以改变材料的内部结构，从而达到改变材料理化性质的目的。[10]用电子加速器还可以给宝石进行改色，无色黄玉在经过电子辐照和适当处理后，可以变成淡蓝色。[11]

2结果与讨论

一般来说，工业上所需的电子辐照剂量很大，而大量的电子辐照会在半导体材料内部产生大量的缺陷，而这些缺陷通常对半导体是有害的，故对半导体进行电子辐照所需的剂量通常较小。工业电子加速器剂量率通常很大，不适用于半导体的电子辐照。本文推导出高频谐振型工业电子加速器剂量率的表达式，并将某种工业电子加速器的参数代入计算出该加速器辐照的最小剂量率。然后，设计一个实验，提出可借助传送带或者机器人小车实现对半导体的小剂量电子辐照。降低辐照剂量通常有两种途径，分别是减小剂量率或者减小辐照的时间。限于工业电子加速器的电流等物理参数的值较大，工业电子加速器的最小剂量率通常比较大，故可通过减小辐照时间实现工业电子加速器的小剂量电子辐照。首先推导高频谐振型电子加速器的剂量率表达式。此处剂量率是指单位时间内被辐照的物体吸收的剂量。下文各字母的定义为：I为电子加速器脉冲电流数值，t为脉宽，q为一个电子的电量，f为脉冲电流的频率，E0表示电子射入硅片之前的能量，即加速器的辐照能量，E1是电子射出硅片之后的能量，S1为电子加速器的辐照区域的面积，S2为半导体样品的面积，d为半导体样品的厚度，ρ为半导体样品的密度。一个脉冲电流下辐照在半导体上的电量为：Q=It（1）一个脉冲电流下辐照在半导体上的电子个数为：n=Q/q=It/q（2）一个脉冲电流下辐照在半导体上的能量为：n•（E0-E1）（3）则单位时间单位面积的半导体接受的辐照能量为：n•（E0-E1）/S1÷1/f=n•（E0-E1）•f/S1（4）半导体的质量为：m=S2•d•ρ（5）故电子辐照的剂量率为：D=n•（E0-E1）•f•S2/S2•d•ρ=It（E0-E1）f/qS1dρ（6）以某高频谐振型工业电子加速器为例，计算其最小辐照剂量率。该电子加速器的具体参数如下：电子能量是10MeV，脉冲电流阈值可调范围为50~260mA，脉宽可调范围为4~18μs，频率可调范围为1~500Hz在电子辐照过程中硅片吸收的每个电子的能量为E0-E1=0.22MeV（由中国原子能科学研究院提供），辐照区域长80cm，宽4cm，故辐照面积S1=80cm•4cm=320cm2。本文中，所用半导体样品是硅片，其面积为S1=1cm2，厚度d=600μm，密度ρ=2.33g/cm3。将脉冲电流/脉宽/频率等参数的最小值，即I=50mA，t=4μs，f=1Hz，代入公式（6），可计算出该电子加速器的最小剂量率为1Gy/s。假设目标辐照剂量为20Gy则硅片在辐照区域内停留的时间为20s。由v=L/t（L为电子加速器辐照区域的宽度），可求出硅片经过辐照区域的速度为0.2cm/s，最后只需将硅片固定在小车或者传送带上，利用传送带或者小车，携带硅片通过辐照区域，控制传送带的带速或者小车的车速，从而实现目标剂量的电子辐照。由于电子加速器开和关时电子束流不稳定，故应该在其稳定工作时对硅片进行辐照。电子加速器装置是由极板组成，上面的极板向下发射电子进而对物体进行辐照，故可以将硅片固定在传送带或者机器人小车上，通过控制传送带或机器人小车的速度，使硅片在规定时间内通过辐照区域。由上文计算可知，只需要将传送带或小车的速度调至0.2cm/s，即可实现20Gy的电子辐照。通常，当工业电子加速器的各参数同时调至最低时，电子辐照的束流可能不稳定。故另取脉冲电流/脉宽/频率的平均值代入公式（6），可得此条件下的剂量率为209Gy/s。当目标辐照剂量为20Gy时，硅片在辐照区域的停留时间为0.1s，可推算硅片经过辐照区域的速度为40cm/s。当需要硅片以更快的速度经过辐照区域时，传送带可能无法满足需求，故此种情况下可用小车携带硅片快速经过辐照区域。

3结论

本文推导出高频谐振型工业电子加速器辐照剂量率的表达式。根据目标辐照剂量可计算出辐照时间。将半导体固定在传送带或者机器人小车上，通过调节传送带或者小车的速度，使半导体在规定时间内通过辐照区域，从而实现高频谐振型工业电子加速器的小剂量电子辐照。

参考文献

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[11]翟兴林，陈桂成，徐芬娟.高能电子辐照工艺在电力半导体器件和宝石改色中的应用[C].全国核技术应用战略讨论会，1989.

作者：陈逸飞 单位：石家庄市第二中学