【研究概要】

日本理化研究所为了给他们的Spring-8（大型放射光设备）隧道中更换LED节能灯，研究了LED照明系统在X射线辐射中的劣化举动，并提出了解决方案。

【背景】

电力消费中，照明占大概30%左右，照明系统的节能化是可持续发展中重要的课题之一。其中，照明系统大面积的更新迭代，对于未来减少温室气体排放以及碳中和至关重要。

LED照明系统，其电能到光能的转换效率是普通的荧光灯的三倍左右，寿命是其十倍左右。白炽灯的电能到光能的转换效率比荧光灯更差，寿命更短。如果把传统的荧光灯，白炽灯都更换成LED照明系统将有助于电力和资源的节约。所以，很多场所都进行了照明系统的LED化。

图1. 日本理化研究所所有的SPring-8大型放射光装置

在大型放射光设备“SPring-8”中（图1），设施的照明也已更换为 LED，但在 X 射线辐射剂量高的加速器隧道中，LED 照明由于极易受辐射影响，尚未更换LED照明系统。另一方面，在放射光条件下也能使用的长寿命LED灯泡也正在开发中，但是其成本非常高。所以在强X射线辐射条件下，找到能够利用市售LED的对策是最被期望的。于是，日本的理化研究所成立了研究小组，致力于解决市售LED在强X射线辐射中的短命问题，以促进Sping-8照明系统全面节能化。

【研究方法和结果】：

研究小组首先调查了 LED 照明组件的哪些部分会在辐射环境中会损坏和失效。LED照明由两个元件组成：LED光源和驱动电源。把LED光源和驱动电源作为一对儿，放置在SPring-8加速器隧道内的高辐射剂量区和低辐射区域，进行故障实验。经过测试，发现不是LED光源部分而是驱动电源部分坏了，出现故障。

图2. 辐射剂量、漏电流和 MOSFET 元件温度之间的关系

对故障驱动电源进行详细检查后发现，控制施加到 LED 光源的直流电压和电流的 MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）受到了损坏。

因此，为了了解导致MOSFET失效的过程，研究小组利用RIKEN Radiation Photon Science的X射线照射装置，在LED灯通电时进行in-situ的X射线照射。随着照射剂量的增加，MOSFET的漏电流逐渐增大，MOSFET元件的温度从超过0.1mA附近开始上升。然后，当漏电流超过 1mA 时，MOSFET 的元件温度急剧上升，漏电流显着增加（热暴走），明显地观察到了其故障的原因（图2）。

图3. LED 照明开关时因辐照导致的 MOSFET 劣化差异

由于在LED灯电源打开时会发生热失控，因此也研究了在电源关闭的情况下，X射线照射期间是否会发生漏电流。如图3所示，漏电流的增加得到了极大的抑制（图 3）。

由该结果可知，只要将LED照明的驱动电源单元简单地移动到加速器隧道的外部或仅在使用时打开照明，就可以长时间使用市售LED照明了。

【研究意义】：

这一成果有望促进LED 照明在世界各地类似的大型放射光设备上的普及。

论文链接

https://iopscience.iop.org/article/10.35848/1347-4065/ac7836