Влияние ионизирующего излучения на системы видеонаблюдения.

Сегодня уже достаточно подробно проанализировано влияние температур на параметры работы видеокамер и предложены различные кожухи. Некоторые производители пошли дальше и заявляют о создании радиационно-стойких видеокамер. Подобные случаи уже не единичны, оборудование активно рекламируется. Зачастую инсталлятору сложно оценить вид деградации параметров изделий, создаваемых ионизирующими излучениями, а также уровень ионизирующих излучений, обуславливающих ухудшение параметров аппаратуры. Не говоря уже о необходимой степени защиты.
Ведь, как известно, под действием проникающей радиации изменяются свойства практически всех материалов: менее прочными становятся металлы, теряют прозрачность стекла, ухудшаются электрические характеристики полупроводников. При анализе радиационной стойкости полупроводниковых устройств основное внимание уделяют нейтронному, протонному, электронному и альфа-излучениям.

Источники ионизирующих излучений
Ионизирующие излучения могут иметь искусственное и естественное происхождение. Космическое пространство является естественной радиационной средой, в которой действуют галактическое излучение – потоки протонов, альфа-частиц и других тяжелых ядер с энергиями 102–1014 МэВ и излучение Солнца (источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция – каждую секунду на Солнце ~6•1011 кг водорода превращается в гелий). Значительная часть космического излучения – протоны (около 90%). Процессы на Солнце носят нерегулярный характер, проявляясь в период повышенной солнечной активности (до 10 вспышек в течение нескольких суток в год). В результате захвата магнитным полем Земли заряженных частиц космического пространства образуются радиационные пояса Земли. Излучения внутренних естественных радиационных поясов Земли состоят из потоков протонов с энергиями до 700 МэВ и электронов с энергиями менее 1 МэВ, внешних поясов Земли – из потоков протонов с энергиями до 60 МэВ и электронов с энергиями 0,2–5 МэВ. Радиационные пояса Земли имеют сложное асимметричное строение, определяемое структурой магнитного поля Земли. В результате доза ионизирующего излучения, которую может накопить бортовая аппаратура при нахождении в радиационном поясе Земли в течение 5 лет, составляет 5*104–2*105 рад. [1]. Ионизирующие излучения космического пространства могут оказывать заметное воздействие на аппаратуру, расположенную в горной местности.

Искусственные радиационные среды могут создаваться в технологических целях.
Ядерный взрыв является источником мощного импульса гамма-излучения и запаздывающего относительно гамма-квантов импульса быстрых нейтронов. В ядерных энергетических установках – непрерывных и импульсных ядерных реакторах – процесс деления ядер сопровождается гамма-нейтронным излучением. Кроме того, источниками ионизирующих излучений являются атомные энергетические установки, ускорители, гамма-установки, рентгеновские и другие установки, создающие потоки электронов, гамма-квантов, нейтронов, тяжелых заряженных частиц [1]. В промышленных ядерных установках приборы в основном подвергаются нейтронному облучению и гамма-излучению. При этом поток нейтронов может составлять 1011 см-2, доза гамма-квантов может составлять 104 рад.
Остаточное излучение связано с искусственной радиоактивностью, наведенной нейтронами в грунте, материалах строений и других объектов, оказавшихся в зоне ядерной реакции, а также осколками деления ядер с большим периодом полураспада. К остаточному относят всё гамма-излучение, существующее через 15 секунд после ядерной реакции. С этой точки зрения правомерно появление радиационно-стойкой камеры и специальных установок видеонаблюдения для обследования подобных объектов. Такие видеокамеры, имеющие в качестве чувствительного элемента ПЗС-матрицу, устойчивы к воздействию гамма-излучению 105 рад.

Кроме того, при бомбардировке металлического анода (металлической перегородки) пучком электронов, гамма-квантов или ионов происходит торможение последних внутри материала анода и генерация электромагнитного излучения, называемого тормозным. Поэтому экраны часто могут оказаться источниками вторичного излучения. При облучении многих материалов нейтронами и протонами могут происходить ядерные реакции, в результате облученное изделие становится источником гамма-квантов или электронов.

Испытания аппаратуры на устойчивость к воздействию радиации
Столь подробное описание существующих видов радиационных излучений было приведено для того, чтобы дать представление о сложности и большом объеме методик испытаний изделий РЭА на радиационную стойкость.

Все параметры существующих ионизирующих излучений в условиях проведения испытаний промоделировать невозможно. Характеристики излучений, создаваемых испытательными моделирующими установками, отличаются от тех, которые могут реально воздействовать на аппаратуру. Поэтому при подаче информации о проведенных испытаниях на радиационную устойчивость необходимо оговаривать характеристики моделирующей установки: энергию и вид излучения, так как различные виды излучения взаимодействуют с веществом по-разному. Существуют достаточно подробно разработанные ГОСТы, которые описывают методики испытания изделий на устойчивость к воздействию радиационных излучений. При этом отдельно приводятся испытания на устойчивость к воздействию ионизирующего излучения космического пространства и отдельно – излучений ядерных реакций.

Взаимодействие ионизирующих излучений с веществами
Проанализируем влияние различных видов излучений на материалы электронных изделий. В настоящее время фактически все электронные компоненты изготовлены на основе полупроводников. Радиационные излучения в полупроводниковых материалах теряют свою энергию в основном за счет двух физических процессов: атомных столкновений и ионизации. При атомных столкновениях атомы полупроводника выбиваются из равновесных положений в кристаллической решетке, в результате чего образуются различного типа дефекты. Это необратимые изменения. Эти эффекты в основном вызывают тяжелые незаряженные нейтроны и протоны.

При ионизации ядерные частицы выбивают электроны с атомных орбит, что увеличивает в кристалле концентрацию ионов и свободных электронов. В основном это обратимые эффекты, т. е. с прекращением воздействия радиации ионизационный ток исчезает. Относительная роль этих механизмов определяется характером радиационного воздействия. Электроны и гамма-кванты, являясь заряженными частицами, теряют свою энергию в полупроводниках за счет ионизации. Протоны, являясь заряженными частицами, также вызывают ионизацию вещества. Примерно 50% энергии быстрых нейтронов расходуется на упругие атомные столкновения, приводящие к смещению атомов из узлов кристаллической решетки. Протоны передают атомам облучаемого вещества меньшую, по сравнению с нейтронным облучением энергию, идущую на их смещение. На заключительной стадии, когда протон обладает относительно невысокой кинетической энергией, он способен захватывать электрон с образованием атома водорода, обладающего достаточной кинетической энергией для генерации вторичных радиационных дефектов. После полного торможения атом водорода превращается в примесь. Поэтому одинаковые концентрации радиационных дефектов вводятся при облучении существенно меньшим потоком протонов, чем нейтронов [2].

Влияние радиационных излучений на различные полупроводниковые приборы
Чувствительность полупроводниковых приборов к воздействию различных типов радиационных воздействий зависит от того, по какому принципу работает прибор. В приборах, которые работают на основе объемных эффектов, такие как биполярные транзисторы, фотодиоды главным образом деградируют за счет объемных радиационных дефектов, создаваемых при смещении атомов их кристаллической решетки. Такие приборы испытывают значительную деградацию при облучении высокими уровнями потоков нейтронов (более 1013 см2) и протонов (более 1012 см-2), что наглядно показано на рис. 1. Излучения, вызывающие в основном ионизационные эффекты, не приводят к значительной деградации параметров приборов. На рис. 2 показано, что уменьшение чувствительности фотодиодов при облучении ионизирующими излучениями дозой 104–106 рад – всего около 10%. Как известно, в некоторых высококачественных камерах видеонаблюдения в качестве чувствительного элемента используются фотодиоды. Применение таких структур оправданно со многих точек зрения [3].

На работу приборов с зарядовой связью (ПЗС) и КМОП влияют как объемные, так и поверхностные дефекты. Работу этих приборов в значительной степени определяют поверхностные эффекты. Как известно, в камерах видеонаблюдения наиболее часто применяются ПЗС и КМОП-матрицы. Кроме того, считывающая электроника видеокамер также построена на основе ПЗС и МДП-микросхем. В деградации этих приборов, характеристики которых определяются свойствами границы раздела полупроводник – диэлектрик, существенную роль играют процессы ионизации, изменяющие величину встроенного заряда в диэлектрике и увеличивающие плотность поверхностных дефектов. В настоящее время применяются широко известные методы повышения стабильности и радиационной стойкости ПЗС – применение ПЗС не с поверхностным, а со встроенным каналом (рис. 3). На рис. 4 приведена зависимость деградации от радиации параметров ПЗС с поверхностным и встроенным каналом.
Также для повышения радиационной стойкости приборов применяется окисел, изначально создающий минимальный уровень напряженности между полупроводником и окислом, нейтрализующий при ионизации поверхностные состояния. Радиационно-стойкий окисел в тандеме с электродами из специально подобранных материалов образуют радиационно-устойчивую конструкцию МДП-прибора. Так как структура МДП создается в едином технологическом процессе, то все ее элементы влияют друг на друга еще на этапе изготовления. Зависимость напряжений плоских зон под алюминиевым и поликремниевым электродами ПЗС от дозы радиации приведена на рис. 5.
Надо отметить, что КМОП-электроника в основном обладает достаточной радиационной стабильностью. То есть КМОП-ячейки не теряют работоспособности даже при воздействии дозы 106 рад (рис. 6). Только немного сдвигается передаточная характеристика.

Взгляд на рынок
Судя по всему, для создания радиационно-стойких камер применяется один из подобных способов. Эти видеокамеры, имеющие в качестве чувствительного элемета ПЗС-матрицу, устойчивы к воздействию гамма-излучения 105 рад, что почти в 100 раз выше, чем видеокамеры на обычных ПЗС-матрицах. Радиационная стойкость достигается за счет применения радиационно-стойких элементов (в том числе ПЗС-матрицы), а также благодаря специально разработанному методу схемотехнической защиты ПЗС-матрицы от негативного воздействия ионизирующего излучения. По утверждению производителей (научно-производственной и коммерческой компании «Телекорт», созданной в 1992 г. из специалистов «ВНИИ телевидения» – в прошлом головного предприятия военно-промышленного комплекса СССР в области вещательного, прикладного и специального телевидения, г. Санкт-Петербург), например, в видеокамере КТА-J31 предусмотрена возможность последующего повышения радиационной стойкости до уровня 106 рад.
Компания Funktel успешно поставляет радиационно-стойкие видеокамеры к излучению ядерного взрыва оборудование. Устойчивость к воздействию излучения мощностью 102 рад/час при суммарной дозе за время эксплуатации 104 рад достигается путем использования специального кожуха. Устойчивость к воздействию излучения мощностью 103 рад/час при суммарной дозе за время эксплуатации 105 рад достигается за счет применения специально изготовленных радиационно-устойчивых ПЗС-матриц, вертикального расположения видеокамер в свинцовых оболочках. Кроме того, прямое попадание направленного радиоактивного излучения на ПЗС-датчик исключается за счет излома оптической оси с помощью зеркала. Устойчивость к излучению мощностью 106 рад/час при суммарной дозе за время эксплуатации 108 рад обеспечивает применение в качестве чувствительного элемента не ПЗС или КМОП-матриц, а видикона – элемента, содержащего фотопроводящую мишень, которая состоит из прозрачной металлической пленки со стороны проецируемого изображения и расположенного на ней со стороны электронно-оптической системы фотопроводящего слоя. Конструктивное исполнение этих приборов позволяет проводить их дезактивацию и обеспечивает защиту от проникновения радиоактивной пыли внутрь приборов.
Российская компания «Диаконт» производит видеокамеры типа D70 с видиконом 2/3” на основе CdSe, устойчивые к воздействию гамма-излучения дозой 108 рад, при мощности гамма-излучений 3*105 рад/час. Это же предприятие выпускает видеокамеры, радиационно-стойкие к воздействию дозы гамма-излучения 107 рад при мощности 105 рад/час типа S90 с чувствительным элементом, изготовленным на основе APS-датчика.

Заключение
Вопросы радиационной устойчивости видеокамер и других охранных систем являются достаточно новым направлением для отрасли.
Утверждение производителей и поставщиков видеокамер о том, что их видеокамеры прошли испытания на радиационную стойкость, разумеется, требуют расшифровки: на устойчивость к какому виду излучений проводились испытания, какое изменение параметров при подобных воздействиях принималось за допустимое, на каких моделирующих установках, создающих частицы, с какой энергией производились испытания.
ПЗС- и КМОП-матрицы, широко применяемые для камер видеонаблюдения, весьма чувствительны к воздействию ионизирующих излучений, чем дискретные приборы, такие как фотодиоды. Поэтому видеокамеры с чувствительным элементом в качестве фотодиодов обладают наибольшей радиационной стабильностью. Существуют определенные способы для изготовления радиационно-стабильных ПЗС-матриц, которые применяют для получения радиационно-стабильных матриц для камер видеонаблюдения, предназначенных для работы в полях ионизирующих излучений.

Литература
1. Радиационная стойкость в оптоэлектронике. Ф. А. Заитов, Н. Н. Литвинова, В. Г. Савицкий, В. Г. Средин. Под редакцией В. Г. Средина. – М.:Воениздат, 1987
2. Действие проникающей радиации на изделия электронной техники. В. М. Кулаков, Е. А. Ладыгин, В. И. Шаховцов и др. Под редакцией Е. А. Ладыгина. – М.: Сов. радио, 1980
3. Радиационные эффекты в биполярных интегральных микросхемах. В. Н. Устюжанинов, А. З. Чепиженко. – М.: Сов. радио, 1989
4. Приборы с зарядовой связью. Под редакцией Д. Ф. Барба. – М.:Мир, 1982
5. А. А. Чернышев, А. З. Чепиженко, Ю. А. Борисов Ю и др. Перемежающиеся и устойчивые отказы в цифровых интегральных микросхемах при воздействии ионизирующего излучения. Зарубежная электронная техника, 1986, № 7 (302)