Радиация — еще не конец света
Требования к светодиодным светильникам в условиях радиации
Светотехнические изделия применяются в самых различных объектах ядерной техники. Небольшие ядерные установки широко используются в качестве двигателей атомоходов, подводных лодок и т. д., а также в качестве исследовательских установок. Усложнение условий эксплуатации таких объектов при одновременном росте требований к их качеству, надежность и увеличение количества выполняемых функций привели к тому, что одной из первоочередных проблем стала разработка осветительных приборов, устойчивых к воздействию проникающей радиации.
Для изготовления светотехнических изделий используются самые разнообразные материалы. Характер и степень воздействия всевозможных излучений на эти материалы и, следовательно, продукцию на их основе зависят от множества физико-технологических факторов, которые, естественно, следует учитывать. Рассмотрим, как решается такая проблема на примере светодиодного светильника, показанного на рис. 1. Его основными компонентами являются:
- корпус, выполняющий роль радиатора;
- источник питания;
- светодиодный модуль;
- вторичная оптика (линза);
- торцевые пластины;
- установочный элемент (скоба).
В данной статье рассмотрена работа осветительного прибора, установленного в том помещении исследовательской лаборатории, где функционирует небольшая ядерная установка. Он используется при следующих условиях:
- влажность воздуха составляет 40–60%;
- отсутствуют механические воздействия;
- температура окружающей среды находится в диапазоне 1–45 °С.
- наличие ионизирующего излучения.
Тяжелые частицы (альфа- и бета-излучение) накапливаются на поверхности материалов и не способны существенно изменить характеристики осветительного прибора, поскольку отличаются очень малой проникающей способностью. Легкие частицы (гамма-, нейтронное, электронное, протонное излучение) обладают высокой проникающей способностью и оказывают влияние на кристаллическую решетку материалов, что приводит к изменению их физико-технологических свойств. Действие ионизирующих излучений на материалы и изделия можно подразделить на импульсное (быстрое) и непрерывное (продолжительное).
Светильник, работающий в таких условиях, должен удовлетворять следующим требованиям:
- у него не должно быть зазоров и несплошностей, а также он должен иметь максимально обтекаемую форму, что предотвращало бы попадание и накапливание радиоактивной пыли;
- соответствовать установленной степени защиты оболочки IP65, поскольку при работе с радиоактивными веществами необходимо проводить влажную уборку помещения с использованием растворов, содержащих щелочь;
- за два часа до начала работы следует очистить помещение до допустимого радиационного уровня; с учетом этого для изготовления корпуса светильника был выбран алюминиевый сплав, поскольку алюминий имеет значительно большую пропускную способность к ионизирующим излучениям, чем сталь, а значит, и меньшую способность к накоплению радиоактивных частиц;.
- с точки зрения светотехники нужно отдать предпочтение помещению с нормальными условиями среды: с косинусной кривой силы света (КСС) и с уровнем освещения на рабочей поверхности, равным 500 лк.
Взаимодействие излучений с материалами
Для того чтобы понять, подходит ли осветительный прибор с точки зрения радиационной стойкости для освещения выбранного помещения, необходимо разобраться, каким образом влияет радиоактивное излучение на компоненты светильника. Тяжелые частицы могут быть задержаны даже листом бумаги, и потому они не приводят к структурным разрушениям материалов, в отличие от легких частиц [1].
Нейтроны
Быстрые нейтроны при взаимодействии с веществом образуют структурные радиационные дефекты (например, так называемая пара Френкеля) в основном в результате упругого взаимодействия с ядрами атомов вещества (рис. 2). Хотя нейтрон и обладает магнитным моментом и его взаимодействие с электронами не исключено, сечение такого взаимодействия мало, и потому оно практически не влияет на поведение нейтрона внутри вещества, в отличие от его упругого взаимодействия с ядром. При таком взаимодействии быстрый нейтрон передает ядру атома часть своей кинетической энергии, зависящей от угла упругого соударения, в результате чего ядро увлекает с собой электронную оболочку атома.
Протоны
При взаимодействии с веществом протоны теряют свою кинетическую энергию вследствие упругого рассеивания на атомах и ядрах вещества и неупругого взаимодействия с ядрами и электронными оболочками атомов.
Электроны
При взаимодействии с веществом энергия электронов расходуется главным образом на неупругое рассеивание на атомах, что вызывает их ионизацию. Наряду с этим определяющим процессом, имеет место вероятность упругого рассеяния, связанного с кулоновским взаимодействием электрона с ядром атома. Этот процесс может приводить к смещению атомов в междоузлия.
Гамма-кванты
При прохождении гамма-квантов через вещество наряду с определяющим процессом ионизации материала может происходить смещение атомов при упругих столкновениях с атомами вещества [1].
В светильнике светодиоды и источник питания являются компонентами, от которых напрямую зависят электрические и светотехнические параметры осветительного прибора.
Воздействие радиоактивного излучения на светодиоды
На рис. 3 приведена ВАХ диодов до облучения, данные представлены для светодиодов на основе InGaN/GaN синего (λ = 460 нм) и зеленого (λ = 530 нм) цвета.
На рис. 4 показана зависимость светового потока от рабочего тока для исходных светодиодов до облучения.
В результате исследований установлено, что скорость уменьшения светового потока диодов при облучении быстрыми нейтронами зависит от величины рабочего тока, при котором измеряется световой поток (рис. 5).
Пассивный режим работы светодиодов — это режим без приложения внешнего электрического поля. В таком случае сначала на светодиоды подается рабочий ток и измеряются характеристики. Затем ток отключается (пассивный режим), и на светодиоды воздействуют определенными дозами облучения. Потом опять подается рабочий ток и производятся измерения.
Стоит отметить, что, независимо от режима питания диодов при облучении, степень деградации светового потока прямо пропорциональна дозе облучения и обратно пропорциональна величине рабочего тока, при которой измеряется световой поток [2, 3].
На рис. 6 показано изменение светового потока исследуемых диодов при облучении гамма-квантами в пассивном режиме питания.

Рис. 6. Изменение светового потока при облучении гамма-квантами в пассивном режиме питания: а) λ = 460 нм; б) λ = 530 нм (кривая 1 — уменьшение светового потока за счет первого центра безызлучательной рекомбинации; кривая 2 — уменьшение светового потока за счет второго центра безызлучательной рекомбинации)
На рис. 7 приведены зависимости светового потока исследуемых диодов от величины дозы облучения, как для пассивного, так и для активного режима питания во время облучения.

Рис. 7. Изменение светового потока при облучении гамма-квантами в пассивном режиме питания: а) λ = 460 нм; б) λ = 530 нм (кривые 1, 3 — уменьшение светового потока за счет первого центра безызлучательной рекомбинации; криваые 2, 4 — уменьшение светового потока за счет второго центра безызлучательной рекомбинации; кривые 1, 2, 5 — активный режим питания при облучении; кривые 3, 4, 6 — пассивный режим питания при облучении; кривые 5, 6 — доза облучения, начиная с которой в явном виде проявляется второй центр безызлучательной рекомбинации)
Деградация светового потока исследуемых диодов при облучении объясняется введением двух характерных центров безызлучательной рекомбинации [3]:
- первый связан с радиационной перестройкой имеющейся дефектной структуры;
- второй имеет чисто радиационное происхождение.
При облучении дозами до 3×107 Р вольт-амперные характеристики светодиодов остаются неизменными, что свидетельствует о неизменности электро-физических характеристик активных слоев излучающих кристаллов светодиодов при облучении.
Таким образом, при разработке светильников для зон с радиоактивным воздействием необходимо учесть деградацию светового потока светодиодов, связанную с величиной дозы излучения, а также зависимость деградации светового потока от рабочего тока светодиодов.
Воздействие радиации на источник питания
У источника питания наиболее чувствительными к радиационным воздействиям являются его активные компоненты — микропроцессоры, микроконтроллеры, программируемые логические интегральные схемы, преобразователи, усилители, что обусловлено накоплением поглощенной дозы радиации [5]. Пассивные же компоненты, наоборот, считаются относительно радиационно-стойкими.
Самым же чувствительным к радиационному воздействию является источник питания, от которого непосредственно зависит срок службы светильника. Эту особенность следует учитывать при разработке светильника для зон с радиоактивным излучением. Например, можно сделать драйвер легко заменяемым, что позволит ремонтировать светильник при отказе без демонтажа. Также, если понадобится, несложно будет вынести источник питания из зоны радиоактивного воздействия.
- Кулаков В. М., Ладыгин Е. А., Шаховцов В. И. Действие проникающей радиации на изделия электронной техники. — М.: Советское радио. 1980.
- Градобоев А. В., Рубанов П. В. Деградация светодиодов на основе гетероструктур AlGaAs при облучении электронами // Известия высших учебных заведений. 2011. № 1/2.
- Градобоев А. В., Рубанов П. В., Скакова И. М. Деградация светодиодов на основе гетероструктур InGaN/GaN при облучении гамма-квантами // Известия высших учебных заведений. 2011. № 1/2.
- Леготин С. А., Зайцев С. Н., Мурашев В. Н., Рыжиков И. В. Исследование характеристик AlInGaP-светодиодов красного цвета свечения, облученных нейтронами и гамма-квантами // Современные проблемы науки и образования. 2013. №5.
- Таперо К. И., Улимов В. Н., Членов А. М. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения.
- Градобоев А. В., Орлова К. Н., Асанов И. А. Исследование деградации мощности излучения гетероструктур AlGaInP красного и желтого цвета свечения при облучении гамма-квантами. // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал / Российская академия наук (РАН), Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова (ИРЭ). 2013. № 4.