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.

Рис. 1. Светодиодный светильник VARTON Olymp

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.

Рис. 2. Модель радиационных повреждений, возникающих при соударении нейтронов с атомами кристаллической решетки

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.

Рис. 3. Типичная прямая ветвь ВАХисследуемых диодов до облучения(кривая 1 — λ = 530 нм; кривая 2 — λ = 460 нм)

На рис. 4 показана зависимость светового потока от рабочего тока для исходных светодиодов до облучения.

Рис. 4. Типичная ЛюмАХ исследуемых диодов до облучения (кривая 1 — λ = 530 нм; кривая 2 — λ = 460 нм)

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).

Рис. 5. Изменение светового потока синих диодов при облучении гамма-квантами в пассивном режиме (кривая 1 — Iпр = 100 мА; кривая 2 — Iпр = 10 мА)

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.