La influencia de las radiaciones ionizantes en los sistemas de videovigilancia.

Hoy en día ya se ha analizado con suficiente detalle la influencia de la temperatura en los parámetros de funcionamiento de las cámaras de vídeo y se han propuesto varias carcasas. Algunos fabricantes han ido más allá y afirman haber creado cámaras de vídeo resistentes a la radiación. Estos casos ya no son aislados; el equipo se promociona activamente. A menudo resulta difícil para un instalador evaluar el tipo de degradación de los parámetros del producto creada por la radiación ionizante, así como el nivel de radiación ionizante que causa el deterioro de los parámetros del equipo. Por no hablar del grado de protección requerido.
Después de todo, como se sabe, bajo la influencia de la radiación penetrante, las propiedades de casi todos los materiales cambian: los metales se vuelven menos duraderos, el vidrio pierde su transparencia y las características eléctricas de los semiconductores se deterioran. Al analizar la resistencia a la radiación de los dispositivos semiconductores, se presta especial atención a la radiación de neutrones, protones, electrones y alfa.

Fuentes de radiaciones ionizantes
Las radiaciones ionizantes pueden ser de origen artificial o natural. El espacio exterior es un entorno de radiación natural en el que actúa la radiación galáctica: corrientes de protones, partículas alfa y otros núcleos pesados ​​con energías de 102 a 1014 MeV y radiación solar (la fuente de energía de la radiación solar es la reacción termonuclear) cada segundo en el Sol. ~ 6•1011 kg de hidrógeno se convierten en helio). Una parte importante de la radiación cósmica son protones (alrededor del 90%). Los procesos en el Sol son irregulares y aparecen durante períodos de mayor actividad solar (hasta 10 fulguraciones durante varios días al año). Como resultado de la captura de partículas cargadas del espacio exterior por el campo magnético de la Tierra, se forman los cinturones de radiación de la Tierra. Las radiaciones de los cinturones de radiación naturales internos de la Tierra consisten en flujos de protones con energías de hasta 700 MeV y electrones con energías de menos de 1 MeV. Los cinturones exteriores de la Tierra consisten en flujos de protones con energías de hasta 60 MeV y electrones con energías de 0,2 a 5; MeV. Los cinturones de radiación de la Tierra tienen una estructura asimétrica compleja, determinada por la estructura del campo magnético de la Tierra. Como resultado, la dosis de radiación ionizante que pueden acumular los equipos a bordo mientras se encuentran en el cinturón de radiación de la Tierra durante 5 años es de 5*104–2*105 rad. [1]. La radiación ionizante del espacio exterior puede tener un efecto notable en los equipos ubicados en zonas montañosas.

Se pueden crear entornos de radiación artificial con fines tecnológicos.
Una explosión nuclear es una fuente de un poderoso pulso de radiación gamma y un pulso de neutrones rápidos retardados en relación con los rayos gamma. En las centrales nucleares (reactores nucleares continuos y pulsados), el proceso de fisión nuclear va acompañado de radiación de neutrones gamma. Además, las fuentes de radiación ionizante son las centrales nucleares, los aceleradores, las instalaciones gamma, los rayos X y otras instalaciones que crean flujos de electrones, cuantos gamma, neutrones y partículas pesadas cargadas [1]. En las instalaciones nucleares industriales, los dispositivos están expuestos principalmente a la irradiación de neutrones y a la radiación gamma. En este caso, el flujo de neutrones puede ser de 1011 cm-2, la dosis de cuantos gamma puede ser de 104 rad.
La radiación residual está asociada con la radiactividad artificial inducida por neutrones en el suelo, materiales de construcción y otros objetos atrapados en la zona de reacción nuclear, así como fragmentos de fisión nuclear con una vida media larga. La radiación residual incluye toda la radiación gamma existente 15 segundos después de una reacción nuclear. Desde este punto de vista, se justifica la aparición de cámaras resistentes a la radiación y de instalaciones especiales de videovigilancia para examinar dichos objetos. Estas cámaras de vídeo, que tienen una matriz CCD como elemento sensible, son resistentes a la radiación gamma de 105 rad.

Además, cuando un ánodo metálico (partición metálica) es bombardeado con un haz de electrones, rayos gamma o iones, estos últimos se desaceleran dentro del material del ánodo y se genera una radiación electromagnética, llamada bremsstrahlung. Por tanto, las pantallas pueden ser a menudo fuentes de radiación secundaria. Cuando muchos materiales se irradian con neutrones y protones, pueden ocurrir reacciones nucleares, como resultado de las cuales el producto irradiado se convierte en una fuente de rayos gamma o electrones.

Equipos de prueba de resistencia a la radiación
Se proporcionó una descripción tan detallada de los tipos de radiación existentes para dar una idea de la complejidad y el gran volumen de métodos para probar la resistencia a la radiación de equipos electrónicos.

Es imposible simular todos los parámetros de la radiación ionizante existente en condiciones de prueba. Las características de las emisiones generadas por los simuladores de pruebas difieren de las que realmente pueden afectar a los equipos. Por tanto, a la hora de enviar información sobre los ensayos de resistencia a la radiación realizados, es necesario especificar las características de la instalación simulada: energía y tipo de radiación, ya que los diferentes tipos de radiación interactúan con la materia de diferentes maneras. Existen GOST bastante detallados que describen métodos para probar la resistencia de los productos a la radiación. Al mismo tiempo, se realizan por separado pruebas de resistencia a los efectos de las radiaciones ionizantes del espacio exterior y por separado a la radiación de reacciones nucleares.

Interacción de las radiaciones ionizantes con sustancias
Analicemos la influencia de varios tipos de radiación sobre los materiales de los productos electrónicos. Actualmente, prácticamente todos los componentes electrónicos se basan en semiconductores. Las emisiones de radiación en materiales semiconductores pierden su energía principalmente a través de dos procesos físicos: colisiones atómicas e ionización. Durante las colisiones atómicas, los átomos de los semiconductores quedan fuera de sus posiciones de equilibrio en la red cristalina, lo que da lugar a la formación de diversos tipos de defectos. Estos son cambios irreversibles. Estos efectos son causados ​​principalmente por neutrones y protones pesados ​​​​sin carga.

Durante la ionización, las partículas nucleares expulsan a los electrones de las órbitas atómicas, lo que aumenta la concentración de iones y electrones libres en el cristal. Se trata principalmente de efectos reversibles, es decir, cuando cesa la exposición a la radiación, la corriente de ionización desaparece. El papel relativo de estos mecanismos está determinado por la naturaleza del impacto de la radiación. Los electrones y los rayos gamma, al ser partículas cargadas, pierden su energía en los semiconductores debido a la ionización. Los protones, al ser partículas cargadas, también provocan la ionización de la materia. Aproximadamente el 50% de la energía de los neutrones rápidos se gasta en colisiones atómicas elásticas, lo que provoca el desplazamiento de los átomos de los nodos de la red cristalina. Los protones transfieren a los átomos de la sustancia irradiada menos energía que la irradiación de neutrones, lo que contribuye a su desplazamiento. En la etapa final, cuando el protón tiene una energía cinética relativamente baja, es capaz de capturar un electrón para formar un átomo de hidrógeno, que tiene suficiente energía cinética para generar defectos de radiación secundarios. Después de una inhibición completa, el átomo de hidrógeno se convierte en una impureza. Por lo tanto, durante la irradiación con un flujo de protones significativamente menor que el de neutrones se introducen las mismas concentraciones de defectos de radiación [2].

La influencia de la radiación en varios dispositivos semiconductores
La sensibilidad de los dispositivos semiconductores a varios tipos de influencias de radiación depende del principio de funcionamiento del dispositivo. En dispositivos que dependen de efectos volumétricos, como los transistores bipolares, los fotodiodos se degradan principalmente por defectos de radiación volumétrica creados por el desplazamiento de átomos en su red cristalina. Dichos dispositivos experimentan una degradación significativa cuando se irradian con altos niveles de flujos de neutrones (más de 1013 cm2) y protones (más de 1012 cm2), como se muestra claramente en la Fig. 1. La radiación, que provoca principalmente efectos de ionización, no provoca una degradación significativa de los parámetros del dispositivo. En la figura. La Figura 2 muestra que la disminución en la sensibilidad de los fotodiodos cuando se irradian con radiación ionizante con una dosis de 104 a 106 rad es solo de aproximadamente el 10%. Como sabe, algunas cámaras CCTV de alta calidad utilizan fotodiodos como elemento sensor. El uso de este tipo de estructuras está justificado desde muchos puntos de vista [3].

El rendimiento del dispositivo de carga acoplada (CCD) y CMOS se ve afectado tanto por defectos volumétricos como superficiales. El funcionamiento de estos dispositivos está determinado en gran medida por los efectos de la superficie. Como usted sabe, las matrices CCD y CMOS se utilizan con mayor frecuencia en las cámaras de videovigilancia. Además, la electrónica de lectura de las cámaras de vídeo también se basa en chips CCD y MIS. En la degradación de estos dispositivos, cuyas características están determinadas por las propiedades de la interfaz semiconductor-dieléctrico, juegan un papel importante los procesos de ionización, que cambian el valor de la carga incorporada en el dieléctrico y aumentan la densidad de los defectos superficiales. Actualmente, se utilizan métodos ampliamente conocidos para aumentar la estabilidad y la resistencia a la radiación de los CCD: el uso de CCD no con un canal de superficie, sino con un canal incorporado (Fig. 3). En la figura. La Figura 4 muestra la dependencia de la degradación de la radiación de los parámetros CCD con una superficie y un canal incorporado.
Además, para aumentar la resistencia a la radiación de los dispositivos, se utiliza un óxido, que inicialmente crea un nivel mínimo de tensión entre el semiconductor y el óxido, neutralizando los estados superficiales durante la ionización. El óxido resistente a la radiación junto con electrodos hechos de materiales especialmente seleccionados forman un diseño resistente a la radiación del dispositivo MIS. Dado que la estructura MDP se crea en un único proceso tecnológico, todos sus elementos se influyen entre sí incluso en la etapa de fabricación. La dependencia de los voltajes de las zonas planas debajo de los electrodos de aluminio y polisilicio del CCD de la dosis de radiación se muestra en la Fig. 5.
Cabe señalar que la electrónica CMOS generalmente tiene suficiente estabilidad a la radiación. Es decir, las células CMOS no pierden su funcionalidad incluso cuando se exponen a una dosis de 106 rad (Fig. 6). Sólo la característica de transferencia cambia ligeramente.

Un vistazo al mercado
Al parecer, uno de estos métodos se utiliza para crear cámaras resistentes a la radiación. Estas videocámaras, que tienen como elemento sensible una matriz CCD, son resistentes a la radiación gamma de 105 rad, casi 100 veces mayor que las cámaras de vídeo que utilizan matrices CCD convencionales. La resistencia a la radiación se logra mediante el uso de elementos resistentes a la radiación (incluida la matriz CCD), así como gracias a un método especialmente desarrollado para proteger el circuito de la matriz CCD de los efectos negativos de la radiación ionizante. Según los fabricantes (la empresa de investigación, producción y comercialización Telekort, creada en 1992 por especialistas del Instituto Panruso de Investigación de Televisión, anteriormente la principal empresa del complejo militar-industrial de la URSS en el campo de la radiodifusión, aplicaciones y televisión especial, San Petersburgo), por ejemplo, la cámara de vídeo KTA-J31 ofrece la posibilidad de aumentar posteriormente la resistencia a la radiación hasta el nivel de 106 rad.
Funktel suministra con éxito cámaras de vídeo y equipos resistentes a la radiación de una explosión nuclear. La resistencia a la radiación con una potencia de 102 rad/hora con una dosis total durante el funcionamiento de 104 rad se logra mediante el uso de una carcasa especial. La resistencia a la radiación con una potencia de 103 rad/hora con una dosis total durante el funcionamiento de 105 rad se logra mediante el uso de matrices CCD resistentes a la radiación especialmente fabricadas y la disposición vertical de las videocámaras en carcasas de plomo. Además, el impacto directo de la radiación radiactiva dirigida sobre el sensor CCD se elimina doblando el eje óptico con un espejo. La resistencia a la radiación con una potencia de 106 rad/hora con una dosis total durante el funcionamiento de 108 rad garantiza el uso como elemento sensible no de matrices CCD o CMOS, sino de un vidicón, un elemento que contiene un objetivo fotoconductor, que consta de un película metálica transparente en el lado de la imagen proyectada y ubicada en ella desde el lado del sistema electrón-óptico de la capa fotoconductora. El diseño de estos dispositivos permite su descontaminación y proporciona protección contra la penetración de polvo radiactivo en los dispositivos.
La empresa rusa Diakont produce cámaras de vídeo del tipo D70 con vidicon de 2/3” a base de CdSe, resistentes a la radiación gamma con una dosis de 108 rad, con una potencia de radiación gamma de 3 * 105 rad/hora. La misma empresa produce cámaras de vídeo resistentes a la radiación con una dosis de radiación gamma de 107 rad a una potencia de 105 rad/hora, del tipo S90, con un elemento sensible fabricado a base de un sensor APS.

Conclusión
Cuestiones de radiación Las videocámaras de resistencia y otros sistemas de seguridad son una dirección bastante nueva para la industria.
La declaración de los fabricantes y proveedores de cámaras de video de que sus cámaras de video han sido probadas en cuanto a su resistencia a la radiación, por supuesto, requiere descifrar: resistencia a qué tipo de radiación se probó, qué cambios en los parámetros bajo tales influencias se aceptaron como aceptables, en qué simulación Instalaciones que crean partículas, con qué energía se utilizó para probar.
Los sensores CCD y CMOS, ampliamente utilizados en cámaras de seguridad, son más sensibles a la radiación ionizante que dispositivos discretos como los fotodiodos. Por lo tanto, las cámaras de vídeo con un elemento sensible como los fotodiodos tienen la mayor estabilidad a la radiación. Existen determinados métodos para producir matrices CCD estables a la radiación, que se utilizan para obtener matrices estables a la radiación para cámaras de videovigilancia diseñadas para funcionar en campos de radiación ionizante.

Literatura
1. Resistencia a la radiación en optoelectrónica. F. A. Zaitov, N. N. Litvinova, V. G. Savitsky, V. G. Sredin. Editado por VG Sredin. – M.: Voenizdat, 1987
2. El efecto de la radiación penetrante en los productos electrónicos. V. M. Kulakov, E. A. Ladygin, V. I. Shakhovtsov y otros Editado por E. A. Ladygin. – M.: Sov. radio, 1980
3. Efectos de la radiación en circuitos integrados bipolares. V. N. Ustyuzhaninov, A. Z. Chepizhenko. – M.: Sov. radio, 1989
4. Dispositivos de carga acoplada. Editado por D. F. Barb. – M.:Mir, 1982
5. A. A. Chernyshev, A. Z. Chepizhenko, Yu. A. Borisov Yu et al. Fallos intermitentes y estables en circuitos integrados digitales cuando se exponen a radiaciones ionizantes. Tecnología electrónica extranjera, 1986, núm. 7 (302)