LED电子束辐照实验在线监测系统

马毅超 朱 纳 党宏社 钱 森 夏经凯,4 王志刚刘 超 安广朋 高 峰,4 张银鸿



LED电子束辐照实验在线监测系统

马毅超1朱 纳1党宏社1钱 森2,3夏经凯2,3,4王志刚2,3刘 超5安广朋3高 峰2,3,4张银鸿3

1（陕西科技大学 西安 710021）2（核探测与核电子学国家重点实验室 北京 100049）3（中国科学院高能物理研究所 北京 100049）4（中国科学院大学 北京 100049）5（天津工业大学 天津 300387）

随着发光二极管(Light Emitting Diode, LED)应用需求的增加，对其电子束辐照效应的研究是目前的热点，因此需要设计一个数据获取系统，实时监测发光二极管性能参数在辐照过程中的变化。利用小电流计、功率计、光谱仪、低压电源等设备完成系统硬件搭建，以LabVIEW为开发平台完成了对串行通讯接口RS-232、通用串行总线(Universal Serial Bus, USB)和局域网(Local Area Network, LAN)三种接口通信协议的软件实现，并进行数据存储和显示，在局域网内利用远程桌面连接实现远程监测。利用该系统完成了在1.5GeV电子束辐照过程中对GaN光电特性参数和环境参数的实时采集、存储和显示。

发光二极管，电子束辐照，在线监测系统

目前发光二极管(Light Emitting Diode, LED)已成为各种类型的固态光源的重要组成部分，有研究表明[1−4]，高能电子束会改变LED能级缺陷，能改变LED的发光效率，但目前LED电子束辐照性能测试系统由于不能进行在线监测，无法长期跟踪LED特性参数随辐照剂量的变化情况，针对同一类型的LED不同的实验得到的结论不一致，无法找到最佳的辐照剂量条件。其他类似系统中也存在同样的问题，如在研究电子束辐照对苎麻纤维结晶度的影响实验中，需通过控制辐照时间得到多个不同的辐照剂量的样品，再进行红外光谱分析，对其他辐照剂量无法分析[5]。在GaN HEMT器件电子辐照实验中，要辐射后才进行器件特性测试[6]，因此为保证实验结论可靠，对于类似实验都需要设计一个能长期稳定运行的在线监测系统。

本文以辐照实验中使用到的各种仪器设备为基础，基于LabVIEW开发平台建立了一套LED电子束辐照实验在线监测系统，实现了对LED在辐照过程中光电特性参数的远程在线监测。

1 测试需求分析

测试样品为同一批次的GaN基LED、GaAs基LED和对应外延片，本文以GaN基LED辐照实验来描述该监测系统。GaN基LED峰值波长450 nm，在辐照过程中需实时监测其/特性曲线、发光强度、发光峰值波长。为保证LED工作的稳定状态，还需同步监测LED供电电源的稳定性。

利用IT6121B直流电源（量程为0−20 V、精度0.1 mV/0.01 mA、GPIB接口）给LED提供3.00 V工作电压。用DM3068数字万用表（最大10 A直流电流量程、6位半读数、LAN接口）测量LED的工作电流。采用NOVA激光功率计（波长范围覆盖193−1800 nm、灵敏度10 pW−3 W、RS-232接口）测量发光强度。用光纤光谱仪S100（量程为190−1200nm、分辨率为6 pm、USB接口）对LED发出的光进行波长扫描。用LTM8903温湿度传感器测量环境温度和湿度。

2 硬件搭建

室温条件下，在中国科学院高能物理研究所10#厅用能量为1.5 GeV电子束对LED样品辐照[7]。在辐射室内放置暗箱，并把被辐照样品置于暗箱内。样品分为三组：第一组为一只LED，加电辐照发光，同步监测其光电特性参数；为对比老化样品，第二组为两只LED，加电辐照发光，不监测其性能参数；为研究加电辐照和不加电辐照效应区别，第三组为三只LED，不加电辐照。辐照实验系统结构框架如图1所示，第一组实验样品在辐照过程中一直保持恒压驱动，将直流电源、LED样品、小电流计接为串联回路，测量LED的工作电流；通过耐辐射光纤把LED发出的光引出到5.0 m厚隔离墙外的暗箱中进行波长扫描和发光强度测量，在局域网内客户端通过远程桌面连接实现对监测主机的远程访问。

图1 辐照实验系统结构框图 Fig.1 Structure diagram of irradiation experiment system.

3 软件设计

系统以LabVIEW为开发工具，完成LED光电特性参数和环境参数数据的采集、显示和存储。根据测试要求和硬件设备工作原理，系统软件总体方案如图2所示。

软件设计包括底层设备驱动程序和应用程序开发。前者用于上位机对下位机设备的检测和参数配置，完成上位机和下位机通信。其中光谱仪、温湿度传感器和功率计设备驱动通过VISA函数库编程实现；数字万用表根据TCP/IP协议应编写驱动程序。应用程序是根据用户需求来设计的，一般包括数据处理、数据储存、数据显示和登录用户管理程序。

数据处理是把从设备接口读取的字符串进行校验，并根据设备采样精度转化为有实际含义的LED特性参数值。由于USB协议和LAN协议本身已经包含了纠错和重发机制，只对从串口数据进行循环冗余码(Cyclic Redundancy Code, CRC)校验。

图2 软件系统总体框架图 Fig.2 Overall frame chart of software system.

数据存储是为数据查询和分析提供依据，有文件存储和数据库存储。文件存储是本地存储，直接把解析后的数据以.txt格式存储在监测主机上。数据库存储是为方便数据的统一管理，把数据存储到远程服务器端的数据库中。

数据显示是用波形图的方式显示数据，纵坐标为采集变量值，横坐标为对应的采集时间，可以直观显示参数随辐照时间（辐照剂量）变化趋势。

用户管理模块是出于安全性考虑，防止出现操作失误，改变程序中的硬件配置参数而导致系统采集不到数据、数据不正常或引发安全问题，根据不同用户分别设置权限。

为保证能实时显示数据，把从设备读取到的数据优先存入队列，利用 LabVIEW的多线程并发执行的特性，将数据采集和数据处理放在两个线程中执行，一方面避免了数据采集速度和数据处理速度不匹配造成数据丢失的情况；另一方面，由于数据采集的时间与上位机接收到该数据的时间仅存在传输线上的延时（传输距离较短，延时很小），可忽略不计，把数据出队列的系统时间作为采样时间，实现不同参数数据对齐。

3.1 LED工作电流采集子系统

为后续数据处理分析，需要记录辐照过程中的所有电流数据，因此利用数字万用表设备提供的LAN接口，通过网线和监测主机相连，绑定数字万用表局域网IP地址，将其作为服务器端，上位机则作为客户端[8]，基于TCP/IP协议实现对万用表的访问[9]。

具体流程如图3所示。当启动采集程序时，服务器端利用TCP Listen.vi监听指定端口，等待被连接。成功连接后，上位机通过TCP Write.vi向下位机发送开始采集命令，进入接收数据的就绪状态，上位机通过TCP Read.vi读取数据，把读取到的数据先存入队列。在另一个线程中，从队列中获取数据，同时读取系统当前时间，把读取到的数据根据万用表量程从十六进制转换为带有整数部分和小数部分的十进制数据，然后利用波形创建函数和波形图表函数以波形图的形式显示数据，利用文件I/O函数把数据存入.txt文件中。停止采集按钮按下，向下位机发送停止采集命令，TCP连接断开，停止向文件写入数据。

LED未辐照前程序运行界面如图4所示。从图4中可以看出，在11:00时，把电压源设定值由(2.50V，0.0400 A)改为(3.00 V，0.0540 A)之后，电流曲线阶跃上升，其他时间曲线平稳，此时测量值5.049504×10−2A与IT6121B直流电源测得电流值0.0504 A基本一致。

图3 LED工作电流采集子系统软件流程图 Fig.3 Software flow chart of data acquisition sub-system for the LED operation current.

图4 LED电流监测子系统界面 Fig.4 Interface of the LED current monitor sub-system.

3.2 发光强度采集子系统

利用功率计测量LED的相对发光强度，为存储多个数据，利用该设备的RS-232接口，通过串行线和监测主机相连，利用VISA库函数编程，通过调用串口类属性节点设置串口的相关属性参数实现串口通信[10]。软件设计流程图5所示。

在进行串口通讯前，对串口进行初始化，使计算机串口与功率计串口参数设置保持一致[11]。利用Serial Port Init.vi节点完成串口配置后，利用Serial Port Write.vi把开始采集命令发送给功率计，再用Serial Port Read.vi从缓存中读出指定长度的数据存入队列。从队列读取字符串并对其进行逻辑变化得到发光强度值，同时获取当前系统时间作为该数据的采样时间，用于显示和存储。显示和存储程序同LED电流程序。当发出停止采集命令后关闭串口。

图5 发光强度采集子系统软件流程图 Fig.5 Software flow chart of data acquisition sub-system for luminous intensity.

LED未辐照前程序运行界面如图6所示，从图6中可以看出发其光强度不随时间变化。

图6 发光强度监测子系统界面 Fig.6 Interface of luminous intensity monitor sub-system.

3.3 LED发光波长扫描子系统

本实验中用到的光谱仪具有USB接口，利用 LabVIEW基于USB协议实现对光谱仪的访问[12]。利用NI-VISA中的Driver Wizard生成.inf (Device Information File)文件，将NI-VISA和USB设备进行关联，指定NI-VISA为该USB设备的驱动程序[13]。USB定义了控制、批量、中断和同步4种数据传输模式，为进行大规模数据传输，本文采用端点1以中断方式接收上位机操作命令，利用端点2以批量方式传输数据。

具体软件流程如图7所示。当启动“开始采集”命令后，上位机先向光谱仪的端点1以中断传输的方式发送开始采集命令，成功连接上设备后，上位机以批量传输的方式从端点2读取数据，同时获取系统当前时间作为该采样时刻的时间，进行数据处理、显示和存储，当触发“停止按钮”后，主机以中断传输的方式向端点1发送停止采集命令，结束采集过程。

图7 波长扫描子系统软件流程图 Fig.7 Software flow chart of wavelength scanning sub-system.

波长扫描子系统运行界面如图8所示。输入存储文件夹路径，程序自动获取系统时间为文件名保存波形数据。波长扫描曲线横坐标表示波长，纵坐标为光强度，从图8中可以看出，峰值波长为450 nm，与LED样品峰值波长参数值450 nm一致。

图8 波长扫描子系统监测界面 Fig.8 Interface of the wavelength scanning sub-system.

3.4 数据库操作

为实现数据统一管理，把从不同设备读到的数据存入数据库同一个表单中。为使波长数据和其它数据对齐，节约存储空间，在波长数据存入数据库之前，对其进行预处理，只存储峰值波长。

本系统选用SQL Server 2000数据库来存储数据，LabVIEW通过LabSQL工具包访问数据库[14]。

首先，在服务器端SQL Server 2000中建立数据库，并在该数据库中建立表用于存放辐照数据，该表共有5个字段，分别为时间、发光强度、峰值波长、LED工作电流、环境温度。其次，在ODBC中指定数据源名称和驱动程序，通过ODBC连接LabSQL和数据库。

以上两步完成就可以在LabVIEW中利用LabSQL工具包访问数据库了，一般步骤为：创建连接，指定数据源名称，输入SQL语句，执行命令，结果显示，关闭连接。在本系统中通过SQL语句对数据库的访问操作主要有在数据表中插入、修改、删除或查询数据。

3.5 登录用户管理

为保证系统的安全性，用户权限分为系统管理员和测试员，系统管理员可以进行查看监测界面并管理所有用户，系统测试员能修改自己的用户信息并查看监测界面。具体流程如图9所示，输入用户名和密码进行验证，如果用户信息不正确的话，提示“用户名或密码错误”，如果用户输入三次错误的用户名和密码时，会提示“输入错误的用户名或密码次数超出限制，请联系系统管理员”。当输入用户名在数据库中存在时，登录成功并显示用户权限、最后登录时间及登录次数，并能进行查看当前用户信息、进入系统、修改密码操作。

图9 用户登录程序流程图 Fig.9 Flow chart of user login program.

4 实验结果

绘制LED辐照之后的相对发光强度随辐照时间变化曲线如图10所示，电子束辐照可以改善发光强度，但是随着辐照剂量的增加先上升后下降，存在一个最大值点，即在当前能量的电子束条件下，被辐照LED可以找到一个合适的辐照剂量使其发光强度达到极大值。辐照时间为1.20×105s时，相对发光强度为60.8 μW，相比于起始时间的发光强度55.2 μW提高了10%，如果不进行在线实时监测，束流停止时得到的相对发光强度相对于起始时间只提高了6.9%，得不到最佳辐照剂量。还存在如前文所述的情况，离线测试时，若所有辐照剂量都在极大值前和所有辐照剂量都在极大值后，得到的变化趋势是相反的。

目前正在用该系统采集辐照后LED光电特性参数，至于相关样品较具体的辐照效应研究，后续有专门的文章讨论，在此仅以GaN基LED为例表明实时在线监测系统的重要性。

图10 发光强度随辐照时间变化曲线 Fig.10 Luminous intensity varying with irradiation time.

5 结语

本文基于LabVIEW建立了一套LED电子束辐照实验在线监测系统，可以对辐照过程中LED的发光强度、峰值波长、工作电流、环境温湿度及低压电源的稳定性进行远程在线监测，在辐照过程中可以一直正常取数，说明该系统能长期稳定运行。

该系统中涉及到的三种通信协议适用于很多现场测量设备，在其它类似电子束辐照实验中，只需根据待测性能参数修改数据处理程序，其余模块不更改就可以进行在线监测。

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国家自然基金项目(No.11175198、No.11475209、No.11611130020)资助

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11175198, No.11475209, No.1151101150)

Online monitor system for electron beam irradiation experiment on LED

MA Yichao1ZHU Na1DANG Hongshe1QIAN Sen2,3XIA Jingkai2,3,4WANG Zhigang2,3LIU Chao5AN Guangpeng3GAO Feng2,3,4ZHANG Yinhong3

1(Shaanxi University of Science and Technology, Xi'an 710021, China)2(State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, Beijing 100049, China)3(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)4(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)5(Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

Background: With the increasing demand of light emitting diode (LED), radiation effect of the electron beam on LED is becoming a research hotspot. Purpose: This study aim is to build up a data acquisition system for monitoring the changes of LED parameters during the irradiation process. Methods: First of all, a small current meter, power meter, spectrum analyzer, low-voltage power supply and other equipments were used to build the hardware platform. Then communication protocols for RS-232, USB and LAN interface were implemented by using LabVIEW software developing platform. Functionalities for data storage and real-time display of LED optoelectronic properties, environmental parameters and track changes of LED photoelectric parameters with radiation time were achieved through this system. Finally, remote monitoring is realized by using the remote desk process technologythe local area network (LAN). Results: The above mentioned system was successly applied to a practical irradiation experiment on LED with electron beam energy of 1.5 GeV to real-timely store and display the LED optoelectronic properties and environmental parameters during irradiation process. Conclusion: The system is reliable and suitable for monitoring changes of LED photoelectric parameters with irradiation.

LED, Electron beam irradiation, Online monitor system

MA Yichao, male, born in 1984, graduated from China Science and Technology University with a doctor’s degree in 2011, focusing on high-speed digital circuit design and ASIC design

QIAN Sen, E-mail: qians@ihep.ac.cn

TL822+.6

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.050401

马毅超，男，1984年出生，2011年于中国科学技术大学获博士学位，研究领域为高速数字电路设计与ASIC设计

钱森，E-mail: qians@ihep.ac.cn

2016-01-14，

2016-03-17