21 November 1995

Geneva, Switzerland

Radec 95, Arcachon, France

pres)1es caractéristiques initiales.la température ambiante ou par chauffage résistif peut ramener (a 10%été multipliée par un facteur 2 a 5 dépendant du type de diode. Un recuit aLa mesure des caractéristiques directes des diodes montre que la résistivité atotale a été de 50 kGy et la fluence totale de 5.6 E14n.cm‘dosimetres PAD et RPL et de détecteurs par activation. En six mois, la dosegammas et des neutrons lents. La dosimétrie a été effectuée au moyen deLe champ d'irradiation comprend des particules de haute énergie, desparticules de la zone TCD2 du SPS au CERN.été irradiés dans un cryostat a 77K aupres d'une cible de conversion dequant a leur résistance au rayonnement. Des prototypes de ces diodes ontprotection des aimants en cas de transition résistive doivent étre testéesEn vue du projet LHC, les diodes de puissance au silicium destinées a la

V. Berland, A. Gharib, D. Hagédorn et M. Tavlet

accélérateur a haute énergieIrradiations a 77 K de diodes de puissance pour le LHC dans le champ d'un

Q 6 ci> Zia OCR OutputLHC NOTE 356

CERN_AT_95_4g/ CERN AT/95-49 (MA)

. llllllllllllllll l\l\|\||I|\lI\I\|Il\\I

CERN LIBRARIES, GENEVA

EUROPEAN ORGANIZATION FOR NUCLEAR RESEARCH

périodes sont typiquement de trois semaines au OCR Outputont été réalisées dans un réacteur nucléaire as’insérer dans le programme de physique, dont lesl'azote liquide [3]. Ensuite, des irradiations a 4.6 Kirradiations se faisant en parasite, elles doiventd’accélérateur de particules, a la temperature detemperature cryogénique a été veriiié [7]. Lesirradiés au CERN, dans un environnementluminescents (RPL) dont le comportement aDes prototypes en vraie grandeur avaient déja étédosimetres at l’a1anine (PAD), radiophoto

étudié sous irradiation a tempéramre ayogénique. dosimetres semi-eonducteurs [6] ainsi que deoomportement élecuique de ces diodes doit étre dosimetriques ont été effectuées au moyen deélevés a certains endroits de la machine [2]. Le d’activation a différents seuils [5]. Les mesurespar an, avec des maxima pouvant étre dix fois plus mesures de fiuences ont été réalisees par des feuillesmoyenne de 1’ordre de 3 kGy et de 1,5El3 n.cm'

des mesures de doses absorbees et de fluences. Lesl’endroit des diodes dans les czyostats LHC sont en positions d’irradiation ont été sélectionnees apres

Les niveaux de doses et de fluences attendus a l’0rd.re de 3E12 protons par cycle de 14,4 s). Ceshabituellemeut la plus forte intensité de faisoeau (depermettent un court-circuit de l’aima¤t [1].en aval de la cible T6 (Pig. 1) qui recoittransition résisuve: des diodes de puissancezones ont été sélectionnees pour cela, en particulieréviter la destruction de ces aimants en cas depuissent etre réalisees a des tins de tests. PlusieursDes systemes de protection sont nécessaires pourmateriels et de composants electroniques et optiques

fonctionnant a la temperature de 1,8 K. néanmoins suftisaut pour que des irradiations deproduits que par des aimams supraconducteurs Le flux de ces particules secondaires estfaisceaux seront tels (8,5 T) qu‘ils ne pourrom éare

blindage en béton.nécessaires au guidage et a la fomlisation desmoyen d’un collimateur, et autour par des blocs departicules du monde. Les champs magnétiquessupplémentaire peut etre réalisée vers l’ava1 auplus grand et le plus puissam accélérateur deoomposants installés dans la zone. Une absorptioneutrera en operation au CERN en l’an 2004 sera leéviter une deterioration trop importante desLe grand collisionneur de hadrons (LHC) quiabsorbe une partie des particules secondaires pour

I. Iumooucnou physique. Autour des cibles, un blindage métalliqueseront recuperées et guidées vers les experiences dedans les cibles métalliques, et seule une petite partiecaractéristiquos initiales.energies, toutes sortes de particules sont produiteschauffage résistif peut ramener (5 10% pres) isproduction de particules secondaires. A de tellesUn recuit E la température ambiante ou parenvoyes sur des cibles de conversion pour lapar nm facteur 2 i 5 dépendant du type de diode.protons accéléres 5 une énergie de 450 GeV sontdioda montre que Ia résistivité a été multipliéesouterrain (40 m sous le niveau du sol) ou desLa msure des mractéristiquw directes dwSynchrotron A Protons). Il s’agit d’un large tunnelkGy et la fluence totale de 5.6E14 n.cm".d’éjection nord (T CC2) de Yaccélérateur SPS (Superactivation. En six mois, la dose totale a été de 50

La zone d’irradiation se trouve dans le tunneldosimétros PAD et RPL et de détebteurs parlents. La dosiméhie a été effectuée au moyen de

DOSIMETRIEde haute énergie, des gammas et dw neutronsH. Les CONDl'I'lONS D`IRRADlATION ETLALe champ de radiation comprend des particulm

au CERN.la temperature de 77 K.conversion de particules de la zone TCC2 du SPSdecrite ici a été réalisee avec des diodes miniatures Adans un cryostat i 77 K, auprk d’une cible deparametres de temperature et de taille. uexperieueeDas prototyps de cw diods ont été irradiés,pas concordants, il s’agissait de distinguer lestestées quant 5 leur r&istance au rayonncment.prototypes miniatures. Comme les résultats n’étaientaimants en cas de transition réslstive doivent étrele cryostat de ee reacteur ont impose de tester despuissance au silicium destinées 5 la protection dwMunich [4].Les faibles dimensions disponibles dansRésumé— En vue du projet LHC, lcs diodw de

CERN, CH - 1211 Geneve 23

V. Berland, A. Ghaxib, D. Hagcdom et M. Tavlet

dans lc champ d’un accélératcur a haute énergieIrradiations a 77 K de diodes dc puissance pour LHC

Fig. 1 Z Zone d' irradiation en aval de la cible T6 au SPS·TCC2 du CERN. OCR Output

1 m

Passage

·l·i’f·i-;··‘1lE#f<-·<$?i?t?' " ````

Cryostat Diodes t` Béton

JL · =

L-N—o1a—].[.i450 cev p• 5 —*—{` °w°LR

Position (3)

Fer

fabriqué par Messer Griesheim, il est en matériauxLe cryostat utilisé pour les irradiations _a été

apres la quatrieme étape d’irradiation (voir Tab. 1).respectifs de 52 kGy et 5.6E14 n.cm" [8]. Mll étant soumises A un pic de courant (110 A)pendant six mois, jusqu’a atteindrc les totaux diodes E10, Eli, M10 et M11, les diodes Ell etincidents. Les irradiations sc sont poursuivies mesures intermédiaires ont été e&`ectuées sur les(mesures RPL) pour la meme quantité de protons d’irradiation totale. Toutes les 3-4 semaines, desabsorbées qui varient entre 4 kGy et 10 kGy en direct et en inverse, avant et aprés la périodeeffet est encore plus prononcé pour les doses E8, E9 et M8, M9 ont été mesurées élecuiquementparticules collectées en aval pour la physique. Cct de fonctionnement dans le futur LHC. Les diodesfaisceau incident, et en fonction du type de (5.6El4 n/cm 2) ce qui équivaut A plus de 10 annéesvaleur varie fortement en fonction de la qualité du (environ 50 kGy) et la tluence totale de neutronsl’ordre de IEI4 n.cm". H est a noter que cette les composants au cours des 6 mois d’irradiationsur la cible, la ilumce en neuuons rapides est de ont permis de déterminer la dose totale déposée surdes feuilles de nickel) ; pour 5E17 protons envoy& it dans [5]. Des dosimeues de type RPL et PADFaccélérateur (avec des dosimeues PAD et RPL et Synchrotron) au CERN. L’assemblage des diodes estont été mcsurées lors de chaque anét de de la zone TCC2 du SPS (Super Proton

ts (Fig. 1). Les doses absmbées et les Huences liquide (77 K) pour etre irradiées pres de la cible T6de la ligne de faisceau guidée par des élecuo été sélectionnécs et placées dans un cryostat d’azoteT6 a été déplacé. Le cryostat est placé au plus pres fabricant (E8,E9,El0,Ell et M8,M9,M10,Ml l) ontblindagc en béton en aval du collimateur de la cible diodes miniatures (10 mm de diametre) de chaquevolume important du au ¤yostat, un bloc de autres par GEC-PLESSEY (Marconi : M). Quatre

Pour lcs préscntes irradiations, qui néccssitcnt un pour les unes par Siuuens (EUPEC : E) et pour lesépitaxial (épaisseur @itaxie : 20 pm), fabriquées

l’ cnvironncmcnt LHC.its dans [1] et [4]. H s’agit de diodes de

qu’un tcl champ dc radiation est trés prochc dci que leur critere de tenue aux radiations, sont

ccntaincs dc keV sont pris cn oomptc. H ost A notzrsysteme de protection des aimants supraconducte

souls lcs neutrons d’éncrgic supéricurc A quclqucsLes mractéristiques des diodes utilisées pour le

dommagcs dans lcs scmi·oonductcurs au silicium,

réfléchissant lcs neutrons. Pour l’étudc dosiusAT10N

cntouréc dc blocs dc béton ralcntissant ctHI. Les moons on 1>U1ssANcE Er uauntrouvc plusicurs métrcs cn aval dc la ciblc, ct ost

Coci est du au fait quc la position d’i¤·adiation scles pertes au

la contribution dcs basses éncrgics est importantc.semaines environ, il était aussi nécessaire de limiter

neutrons aprés lc uoisiémc aimam dc focalisation ;remplissage n’a été possible que toutes les troisLa Fig. 2 montrc lc spcctrc éncrgétiquc dcschamps de particules a haute énergie. Comme son

cuvoyés sur T6. diminuer l’activation lors des irradiations dans les00urs dcsqucllcs dc l’ordxc dc 5E17 protons scront légers pour diminuer l’absorption d’énergie et pour

TAB. 1 ; Pnocénuius ms resr D`IRRADIATION PRES DE LA cmu; T6 ou SPS A 77 K. OCR Output

s*"*1¤ad IE8. E9,E10.E11— M8. M9. M10. M11I Recuit thcrmique tinal I 51.6 I 5.6§144°“" Irrad I E10. El] et M10. M11 IE11.M11: pulse I= 110AI 37 I 3.5E14

3°“‘°1n-ad I E10.E11 et M10.M11 20.5 I 1 .91214

2°‘°°Irrad I E10,E11 ei M10. M11 13.9 I 1,6E14

6.81°'° In-ad I E10.E11 et M10. M11 1514

Ava In-adiazion |E8. E9.E10.E11· M8, M9. M10. M11

neutrons [n/cm2]Etape de test | Diodes testées électriquemcnt Remarques I Dose [kGy] | Fluence de

directe en fonction de la dose en Gy, pour untableau Tab. 2).

5 représente ia degradation relative de la tensiondiodes EUPEC que pour les GEC-PLESSEY (voir

coumnt direct) en fonction de l’irradiat.ion. La figuretension directe autour de 10 % aussi bien pour les

la variation de U; (pour une vaieur nominale dua permis de diminuer la degradation relative de la

d’irradiation. Ces relevés permettent de déterminerthermiquc de plusieurs jours a temperature ambiante

respectivement avant et apres différentes dosesA ia tin du test d’irradiation total, un recuittypiques des diodes EUPEC et GEC-PLESSEY

composants.Les figures 3 et 4 sont les caractéristiqucstemperature lors du passage du courant dans les

en fonction de U1), avant et apres irradiation.un phenomene de recuit dvi a Yelévation de

complets des caractéristiques directes des diodes (I1PLESSEY). Les mesures eleouiques entrainent donc

Les tests électriques comprcnncnt des relevés(environ 150 % pour EUPEC et 800 % pour GEC

imponams de ccs diodes. faites presentent une degradauon plus importantela tension inverse de claquagc sont les paramétrcs diodes dont les mesures intermediaires n’ont pas été

Comme rappclé dans [4], la résistancc dircctc ct de type GEC·PLESSEY atteint plus de 600 %. LxEUPEC atteint 100 % apres 50 kGy alors que celle

DB kBcUrrTHERM1QUE avant irradiation. La degradation des diodes de typeIV. R.1‘ésu1.TA1~s Das msrs Emcrmouzs Er mm courant de 40 A, AUJU,0 ou UD est la tension directe

Fig. 2 Spocuc cn neutrons mcsuxé par fcuillcs d' activation cu la position (3).

Energy (Mov)10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10-7 -6 -5 -4 -1 -2 -1 0 1 2 s 4 S

16-3

162

10

Total flux = 8.158 E+10 n/cm2:1 0°

10

1c'

10

10

10°

10

107

10

10

permet d’obtenir en quelques heures les conditionsdans le futur accélérateur LHC. Cette experience

represente un pire cas d’irradiation puisque aussi OCR Outputct la tlucnce wtalc ct lc spectre dc neutrons atxendusmaximale absorbee en reacteur). Le test acceleréd’ irradiation visaicnt A respectcr la dosc totale cn Gycomparaison n’est possible que jusqu’a 30 kGy (dose(Technical University of Munich). Les conditionsdessus (Hg. 5). Pour les diodes GEC·P1essey, lamcnéc dans lc réactcur nucléaire de Munich A 77 Ksont compares 21 oeux de Fexperience présentee ciUnc cxpérience d’irradiati0n similairc a étédirecte obtenus lors de oe test d’irradiation accelérée

EN 1mAcrEu1z NucLaAmE A 77 K Les resultats sur la degradation relative de la tensionV. C0M1=ARA1s0N Avsc Lss REsU1:rA‘1*s 0B1ENus d’irradiation de 10 ans de fonctionnement du LHC.

ET Arms mcurr nmmiqus A 300 K PENDANT PLus1EU1zs Jouns.TAB. 2 : VALEURS DE LA Dmmnauou Rm.AT1vE DE LA Tension nmzcrs (I = 40A) Amzss uuzAmAT10N ‘r0‘rALE

thcxmiquc

`””`

Apres mm: §EH%€9.60 % §°}T5%§T06%§0 % s.z0 %11.40% 10.00 % ' ' `Aprassokcy 151% Haw 95% 84% x1s% 1:22% 66s% ;__gg_g_% I””"`°`””I"`nam I as I E9 I E10 | B11 | Ms | M9 [ M10 | M11

Pls sey

Diodes EUPEC Dioda GEC

Fig 4 : Caractéristiqucs diroctcs typiqucs 5 77 K avant ct aprés irradiation pour lcs diodes GEC~PLESSEY.

Tension Diracta [V]

0 2 4 6 8 10 12

20 -v-••--···}** ‘‘‘‘‘' •‘} '''’ ""°

aprés rccuit 300 K40

60

80

100 --.—-H·II··-»--* -·-—··\.1--

had- mi/13.9kGy 37kGy I 51.6kGy120

Eg3 Caractéristiqucs dirccws typiqucs Q FK agraut et aprés irradiation pour lcs diodes EUPEC.

Tension Dizscta [V]

1 1.2 1.4 L6 1.8 2 Z2 Z4

m+---f·*-.---- L(--· .... {---4-

40+______, _ag&srccuit%K

• \•

-X-r.---a ...· L- ,-l----,_---J13_9kGy {37 kGy KSLGKGY4--..-; ..\·¤·---<

awinadnlm ·-I-•—-i/-—·--·1· ·········

120

15 kGy.papier precedent [3], A Ur atteignait 30 : 5 % pour

T6 of TCG in the SPS". AT-MA/Intunal Note 95-125 . OCR Outputdegradation de U; avec la dose En effet, dans un

submitted to irradiation at 77 K in nnccelentor environmentdiodes semble ne pas avoir d‘int`1uence sur la

[9] V. Berland. D. Hzgedorn and A. Gharfo. "Powerpeut etre attendu dans le futur LHC. Le diametre des

de diodes de puissance au SPS-T(IZ2". TIS-CH/I/MT/94-17.Munich [4], ils sont done représentatifs de ce qui

[8] M. Tavlet. "Fiuenecs et dunnt leslérées A 4.6 K dans le réacteur nucléaire de

B\|d¤D¢$L 1995.sont similaires A ceux obtenus 1ors d'irradiations

-TIS-CFM/IR/95·08, prwented at the SSD Syrrqacsiulu.Yenvironnement radiatif d’un aceélérateur au

at ayogenrcLes résultats obtenus lors de ces irradiations

D. Zeneli. F. Coninckx and M. Tavlet. “Respo¤s¤s d' ndi<>apres recuit peut etre attribuée A l’effet des neutrons.

ar the ESR-DOS Symposium Mtmidt. 1995.comme discuté dans [3]. La degradation résiduelle

ions at cryogenic Ieupenulres". -09/cf,chauiage résistif permet aussi une régénéxation

[7] F. Coninckx et al., "Respomes dla tension initiale (a 10 % pres). Un recuit par

93'l'H06l6·3. pp 27-32 (1994).jours) permet une réeupération presque complete de

:", 'HS . £ Cal. NoUn simple réchauffement A 300 K (pendant 15

in mixed gamm-nwtmn Eelds by nuns d wune note interne EN [9].

[61 M.Tavl¤andM.E.1.e6nF¤ii¤.”&¤eandN¤1n·cn-¤Les résultats complets de ces tests apparaissent dans

", @R.Nfl'lS 3 (1993).augmentcnt respectivement de 100 % et de 630 %.

md radiation scurw fortensions directes des diodes Eupec et Plessey

[51 M.E.Le6nHcri£n.l—l.Sd6n@andM.Tavl¤.conditions d’irradiation : apres 50 kGy a 77 K, les

ion ded". Préwtation e ce Colloelles-ci sont relativement bien oorrélées avec les

ia1edinam1e1¤rreactcrat4.6Kand@moditimtion des propriétés élecuiques des diodes, et

[41 V.B¤land¤a1..°‘Behavi¤:r¤ftlxefxm¤·cLHCLes irradiations font néanmoins avvaraitre une

g. 40, pp 1437-1444 (1994).connues qu’a 30 % pres.

for the LHC'. EN-AT/93-30, Adv. inet specues de particules dont les valeurs ne sont

[3] L. Ccull and D. l·lagedcrn."Radiatio¤vue des doses absorbées qu’au point de vue Huences

150) (1995).lcs conditions ont fortement varié, tant au point de

etdansMd8e¤¤n·sdeparti¤.i1¤”,L'apres test. D'une paiode d’irradiation a une autre,

M. Tavld."L‘environnemmt ndiatif auteur dsn’ont pas pu éue contrélés, mais seulement

and around LHC dipd¤". AOD]/FA/note 93-% (1993).cible utilisée pour Ia physique, leurs parameues

121 L. Bunod. LB. Jcanneret. H. S&6nba&.Ces irradiations ayant été faites en aval d’une

1993.

”. EN—AT/93-42 Im. Cunt. Magnet Tw., viVI. Discussion Hr coucwsiou

L.Cm¤1l.D.l·lagd0ru¤a1."L.l—lC

g. 38, pp 299-306 (1992).pres de la cible T6 du SPS.

Colliw LHC at EN", Adv. in GY08¤icdirectc est plus importante en réacteur nucléaire que

111 D.Hagedoma¤dW.N£ge1e,‘*Que¤ forGEC-Plesscy, la degradation relative dc la tensionbien pour les diodes Eupec que pour lcs diodes

Fig. 5 : Dégrmztion relative de la tension (I = 40 A) en fonction de la dose.

Dose [kGy]

o no zo so 40 so so

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