Techniques and facilities for neutron irradiation testing of power electronics devices

Abstract

Il percorso dottorale ha avuto fin dal suo inizio il chiaro obbiettivo di formare una figura altamente specializzata nell’ambito della ricerca industriale. Tema centrale del percorso di dottorato è stato quello del test con neutroni di dispositivi elettronici di potenza. Tali dispositivi, oggi largamente impiegati nei sistemi per la generazione, trasporto e trasformazione dell’energia (PV Plants, Wind Farms, Power Systems), rappresentano il fulcro dei moderni sistemi di elettronica di potenza e ne caratterizzano drasticamente l’affidabilità. I dispositivi elettronici di potenza, oltre ad essere soggetti alle normali sollecitazioni operative, sono sottoposti agli stress derivanti dall’ambiente in cui operano. Negli ultimi decenni è divenuto sempre più rilevante l’effetto che i neutroni atmosferici hanno su tali dispositivi (Single Event Effects, SEEs) e quanto tale effetto possa compromettere irrimediabilmente il funzionamento dei dispositivi stessi e l’affidabilità dei sistemi in cui vengono impiegati. Nell’ottica più ampia dettata dalla stipula del Protocollo di Kyoto (1997), che pone in primo piano la tematica dell’efficienza energetica nei settori più rilevanti nelle economie nazionali, il tema dell’affidabilità dei sistemi di generazione, trasformazione e trasporto dell’energia ricopre un ruolo fondamentale, e ha sostenuto e motivato il lavoro di studio e ricerca portato avanti nel percorso dottorale. Il triennio ha dunque visto l’avvicendarsi di periodi di studio e approfondimento personale riguardo le tematiche trattate, la partecipazione a corsi, seminari e convegni inerenti il tema dell’attività di ricerca, periodi di attività di progettazione e di sperimentazione, nonché l’attività di promozione dei risultati ottenuti. Il percorso dottorale può essere sostanzialmente suddiviso in due rami: 􀁸 Tecniche di test con neutroni di dispositivi elettronici di potenza, 􀁸 Progettazione e caratterizzazione di facility di test con neutroni. Per quanto concerne le tecniche di test con neutroni, il percorso di studio intrapreso ha consentito l’ampliamento della conoscenza sui modelli di interazione dei neutroni con i dispositivi elettronici di potenza, con particolare attenzione ai dispositivi Power MOSFET, e l’approfondimento delle competenze relative agli standard internazionali per il test con neutroni. Lo studio dei modelli ha garantito una migliore consapevolezza su parametri e fattori che influenzano la risposta dei dispositivi all’irraggiamento neutronico. Lo studio degli standard e la comprensione delle finalità con cui questi vengono concepiti ha invece consentito di fissare gli obbiettivi ultimi delle attività sperimentali e dei test sui dispositivi. Le competenze acquisite hanno dunque portato ad una progettazione più cosciente delle attività sperimentali, garantendo l’ottenimento di risultati utili all’avanzamento della ricerca. Sono state dunque predisposte delle sperimentazioni preliminari su dispositivi Power MOSFET destinati all’impiego in sistemi inverter per la produzione di energia da fonti rinnovabili. Le sperimentazioni sono state svolte presso l’Irradiatore Neutronico a sorgenti 241Am-Be del Dipartimento DEIM dell’Università di Palermo. Dai risultati ottenuti è stato possibile evidenziare alcune caratteristiche salienti del comportamento dei dispositivi sotto irraggiamento neutronico, come, per esempio, l’evidente comportamento a soglia del fenomeno, rispetto alla tensione di alimentazione dei dispositivi. Tale dato è stato alla base della progettazione delle sperimentazioni svolte successivamente. Si è infatti ritenuto opportuno effettuare i test su di un campione statisticamente rilevante di dispositivi elettronici, ed inoltre di effettuare la sperimentazione su dispositivi con caratteristiche diverse al fine di studiare come gli effetti dei neutroni potessero essere correlati ad esse. Sono stati dunque individuati i target dell’attività sperimentale, che sono risultati essere lo studio delle soglie di tensione di alimentazione oltre le quali si verificano i SEEs e lo studio dell’andamento dei tassi di fallimento dei dispositivi per diversi valori della tensione di alimentazione. Fissati gli obbiettivi della sperimentazione è stata individuata la facility più idonea allo svolgimento della campagna sperimentale. Nello specifico la struttura più Per quanto concerne le tecniche di test con neutroni, il percorso di studio intrapreso ha consentito l’ampliamento della conoscenza sui modelli di interazione dei neutroni con i dispositivi elettronici di potenza, con particolare attenzione ai dispositivi Power MOSFET, e l’approfondimento delle competenze relative agli standard internazionali per il test con neutroni. Lo studio dei modelli ha garantito una migliore consapevolezza su parametri e fattori che influenzano la risposta dei dispositivi all’irraggiamento neutronico. Lo studio degli standard e la comprensione delle finalità con cui questi vengono concepiti ha invece consentito di fissare gli obbiettivi ultimi delle attività sperimentali e dei test sui dispositivi. Le competenze acquisite hanno dunque portato ad una progettazione più cosciente delle attività sperimentali, garantendo l’ottenimento di risultati utili all’avanzamento della ricerca. Sono state dunque predisposte delle sperimentazioni preliminari su dispositivi Power MOSFET destinati all’impiego in sistemi inverter per la produzione di energia da fonti rinnovabili. Le sperimentazioni sono state svolte presso l’Irradiatore Neutronico a sorgenti 241Am-Be del Dipartimento DEIM dell’Università di Palermo. Dai risultati ottenuti è stato possibile evidenziare alcune caratteristiche salienti del comportamento dei dispositivi sotto irraggiamento neutronico, come, per esempio, l’evidente comportamento a soglia del fenomeno, rispetto alla tensione di alimentazione dei dispositivi. Tale dato è stato alla base della progettazione delle sperimentazioni svolte successivamente. Si è infatti ritenuto opportuno effettuare i test su di un campione statisticamente rilevante di dispositivi elettronici, ed inoltre di effettuare la sperimentazione su dispositivi con caratteristiche diverse al fine di studiare come gli effetti dei neutroni potessero essere correlati ad esse. Sono stati dunque individuati i target dell’attività sperimentale, che sono risultati essere lo studio delle soglie di tensione di alimentazione oltre le quali si verificano i SEEs e lo studio dell’andamento dei tassi di fallimento dei dispositivi per diversi valori della tensione di alimentazione. Fissati gli obbiettivi della sperimentazione è stata individuata la facility più idonea allo svolgimento della campagna sperimentale. Nello specifico la struttura più Per quanto concerne le tecniche di test con neutroni, il percorso di studio intrapreso ha consentito l’ampliamento della conoscenza sui modelli di interazione dei neutroni con i dispositivi elettronici di potenza, con particolare attenzione ai dispositivi Power MOSFET, e l’approfondimento delle competenze relative agli standard internazionali per il test con neutroni. Lo studio dei modelli ha garantito una migliore consapevolezza su parametri e fattori che influenzano la risposta dei dispositivi all’irraggiamento neutronico. Lo studio degli standard e la comprensione delle finalità con cui questi vengono concepiti ha invece consentito di fissare gli obbiettivi ultimi delle attività sperimentali e dei test sui dispositivi. Le competenze acquisite hanno dunque portato ad una progettazione più cosciente delle attività sperimentali, garantendo l’ottenimento di risultati utili all’avanzamento della ricerca. Sono state dunque predisposte delle sperimentazioni preliminari su dispositivi Power MOSFET destinati all’impiego in sistemi inverter per la produzione di energia da fonti rinnovabili. Le sperimentazioni sono state svolte presso l’Irradiatore Neutronico a sorgenti 241Am-Be del Dipartimento DEIM dell’Università di Palermo. Dai risultati ottenuti è stato possibile evidenziare alcune caratteristiche salienti del comportamento dei dispositivi sotto irraggiamento neutronico, come, per esempio, l’evidente comportamento a soglia del fenomeno, rispetto alla tensione di alimentazione dei dispositivi. Tale dato è stato alla base della progettazione delle sperimentazioni svolte successivamente. Si è infatti ritenuto opportuno effettuare i test su di un campione statisticamente rilevante di dispositivi elettronici, ed inoltre di effettuare la sperimentazione su dispositivi con caratteristiche diverse al fine di studiare come gli effetti dei neutroni potessero essere correlati ad esse. Sono stati dunque individuati i target dell’attività sperimentale, che sono risultati essere lo studio delle soglie di tensione di alimentazione oltre le quali si verificano i SEEs e lo studio dell’andamento dei tassi di fallimento dei dispositivi per diversi valori della tensione di alimentazione. Fissati gli obbiettivi della sperimentazione è stata individuata la facility più idonea allo svolgimento della campagna sperimentale. Nello specifico la struttura più Per quanto concerne le tecniche di test con neutroni, il percorso di studio intrapreso ha consentito l’ampliamento della conoscenza sui modelli di interazione dei neutroni con i dispositivi elettronici di potenza, con particolare attenzione ai dispositivi Power MOSFET, e l’approfondimento delle competenze relative agli standard internazionali per il test con neutroni. Lo studio dei modelli ha garantito una migliore consapevolezza su parametri e fattori che influenzano la risposta dei dispositivi all’irraggiamento neutronico. Lo studio degli standard e la comprensione delle finalità con cui questi vengono concepiti ha invece consentito di fissare gli obbiettivi ultimi delle attività sperimentali e dei test sui dispositivi. Le competenze acquisite hanno dunque portato ad una progettazione più cosciente delle attività sperimentali, garantendo l’ottenimento di risultati utili all’avanzamento della ricerca. Sono state dunque predisposte delle sperimentazioni preliminari su dispositivi Power MOSFET destinati all’impiego in sistemi inverter per la produzione di energia da fonti rinnovabili. Le sperimentazioni sono state svolte presso l’Irradiatore Neutronico a sorgenti 241Am-Be del Dipartimento DEIM dell’Università di Palermo. Dai risultati ottenuti è stato possibile evidenziare alcune caratteristiche salienti del comportamento dei dispositivi sotto irraggiamento neutronico, come, per esempio, l’evidente comportamento a soglia del fenomeno, rispetto alla tensione di alimentazione dei dispositivi. Tale dato è stato alla base della progettazione delle sperimentazioni svolte successivamente. Si è infatti ritenuto opportuno effettuare i test su di un campione statisticamente rilevante di dispositivi elettronici, ed inoltre di effettuare la sperimentazione su dispositivi con caratteristiche diverse al fine di studiare come gli effetti dei neutroni potessero essere correlati ad esse. Sono stati dunque individuati i target dell’attività sperimentale, che sono risultati essere lo studio delle soglie di tensione di alimentazione oltre le quali si verificano i SEEs e lo studio dell’andamento dei tassi di fallimento dei dispositivi per diversi valori della tensione di alimentazione. Fissati gli obbiettivi della sperimentazione è stata individuata la facility più idonea allo svolgimento della campagna sperimentale. Nello specifico la struttura più idonea è risultata essere la facility di irraggiamento con neutroni ChipIr, situata presso il Rutherford Appleton Laboratory (UK). L’attività sperimentale è stata dunque proposta ai responsabili della facility, Dr Christopher Frost e Dr. Carlo Cazzaniga, che hanno dimostrato il loro interesse proponendo un periodo di attività di studio e ricerca di cinque mesi. Acquisite dunque le informazioni relative alla facility è stato possibile predisporre e adeguare la strumentazione al fine di ottimizzare le procedure di test e di ottenere i risultati auspicati. Le attività presso la facility ChipIr sono state svolte nel periodo da inizio febbraio a fine giugno 2017. Nella prima fase della sperimentazione è stata predisposta la strumentazione di test e adeguata alle condizioni operative della facility. Si è proceduto alla caratterizzazione preliminare dei dispositivi e alla prima sperimentazione con neutroni. Nella prima sperimentazione tre tipologie di dispositivi Power MOSFET sono stati sottoposti ad irraggiamento neutronico per lo studio dell’andamento delle soglie di SEEs. L’elaborazione dei dati ottenuti ha evidenziato quanto ipotizzato in precedenza mostrando l’esistenza di una correlazione diretta tra le caratteristiche del dispositivo e le soglie per l’insorgenza dei SEEs. È stata dunque predisposta una seconda campagna sperimentale su nuovi dispositivi, al fine di consolidare i dati dell’indagine riguardo la natura a soglia del fenomeno. Parallelamente sono stati programmati i test di valutazione dei tassi di guasto dei dispostivi, che hanno permesso di studiare il comportamento sotto irraggiamento dei dispositivi in diverse condizioni operative. L’attività di progettazione e caratterizzazione di facility di test con neutroni è stata portata avanti parallelamente a quella di test. Relativamente a tale attività, è stato portato avanti uno studio preliminare sulle caratteristiche richieste dagli standard internazionali per le facility destinate al test con neutroni di dispositivi elettronici. Le competenze acquisite attraverso lo studio degli standard sono state affiancate a quelle maturate sui codici di simulazione basati su metodo Monte Carlo (MCNP). Nel corso del primo anno di dottorato è stata intrapresa una collaborazione con il Dipartimento di Fisica dell’Università di Messina. Il tema della collaborazione ha riguardato la progettazione di una schermatura per l’impiego indoor di una sorgente di neutroni compatta. La sorgente neutronica, basata sulla reazione deuteriodeuterio, è stata acquisita per essere impiegata nell’ambito degli studi sulla biofisica e sulle interazioni dei neutroni con i dispositivi elettronici. La progettazione della schermatura ha avuto come obbiettivi principali la possibilità di impiego della sorgente in laboratorio, e quindi un obbiettivo primario di tipo radioprotezionistico, e la progettazione di una facility idonea allo svolgimento di attività di test sui dispositivi elettronici. Per la progettazione preliminare sono stati individuati i materiali più idonei alla realizzazione della schermatura ed è stato realizzato un modello 3D della stessa. Valutazioni preliminari sulla capacità schermante sono state effettuate a partire dalla conoscenza delle caratteristiche schermanti dei materiali scelti (Cross Section di Rimozione). Il modello 3D è stato implementato in una simulazione MCNP al fine di verificare le valutazioni preliminari. Il progetto della schermatura è stato sottoposto alla valutazione dell’esperto qualificato dell’Università di Messina, che ne dovrà valutare l’idoneità ai requisiti radioprotezionistici, prima di procedere al commissioning. Nell’ambito della progettazione di facility per il test con neutroni è stato presentato una proposta per la realizzazione di una sorgente neutronica basata sull’interazione 7Li(p,n)7Be. Sorgenti di questo tipo, definite “quasi-monoenergetiche” possono essere impiegate per il test di dispositivi elettronici, come indicato dagli standard. La proposta è stata presentata nel contesto della Call for Experimental Proposals with the Tandem accelerator 2016, dei Laboratori Nazionali del Sud di Catania. L’esperimento, approvato dal comitato scientifico dei LNS, è stato svolto nel marzo 2017, in collaborazione con il Dipartimento di Fisica dell’Università di Napoli “Federico II”. L’esperimento, denominato NSPP, ha visto l’utilizzo di un fascio di protoni per l’irraggiamento di un target di Litio. La produzione di neutroni è stata verificata con misure di attenuazione effettuate tramite un neutron counter. È stato parallelamente sviluppato un modello MCNP necessario ad effettuare valutazioni preliminari per il prosieguo dell’esperimento. Lo scorso 31 ottobre è stata presentata la proposta di proseguimento dell’esperimento NSPP che ha come scopo quello di caratterizzare la sorgente neutronica ottenuta nella prima fase