Prueba de Radiación a Baja Temperatura de Optoacopladores de Alto Voltaje para Aplicaciones Espaciales

Ensayo de radiación a baja temperatura de optoacopladores de alta tensión para aplicaciones espaciales

Introducción

Estudios anteriores sobre la degradación inducida por la radiación en optoacopladores a temperatura ambiente indicaron que los parámetros más afectados eran el CTR y la corriente oscura (1,2). Este hecho también es aplicable a los optoacopladores de alta tensión (HV), en los que la tensión de trabajo puede llegar a 10KV.
En las aplicaciones espaciales, los optoacopladores pueden tener que trabajar a temperaturas muy bajas. En estas condiciones de funcionamiento a baja temperatura, la degradación del dispositivo sometido a la exposición a la radiación puede mostrar un comportamiento diferente en comparación con una prueba de radiación estándar a temperatura ambiente.   El objetivo de este trabajo es analizar los efectos de los daños por desplazamiento de protones de hasta 8-1011p/cm2 y de la dosis total de ionización de hasta 100Krad (Si)) a temperatura ambiente y baja (es decir, 25ºC y -40ºC) en conjuntos personalizados de optoacopladores de alta tensión (HV). Se describen detalladamente el conjunto de optoacopladores de alta tensión y las configuraciones de radiación para los ensayos de radiación gamma y de daño por desplazamiento a baja temperatura.

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La placa de pruebas de radiación consta de seis optoacopladores conectados en paralelo con una resistencia de protección de 1MΩ. Durante la exposición a la radiación de protones o a la radiación gamma, el parámetro monitorizado a baja temperatura fue la tasa de transferencia de corriente cuando los LEDs IF= 1 mA y el optodiodo VRWM = 5kV.

Configuración de la radiación a baja temperatura

Tanto la radiación gamma como la de protones debían realizarse con la posibilidad de mantener un optoacoplador a una temperatura estable de -40ºC en la instalación de radiación. Se consideraron varias opciones de refrigeración. Finalmente, se decidió utilizar una pequeña cámara con una ventana que se enfriaba con nitrógeno líquido en una configuración de bucle cerrado para permitir un control preciso de la temperatura PID de las muestras. Se necesitó un pequeño recipiente de nitrógeno líquido (unos 100 litros) cerca de la zona de radiación y se llenó periódicamente para mantener la temperatura estable. La figura 2a muestra la configuración de la radiación gamma, mientras que la figura 2b muestra la configuración de la radiación de protones en la instalación de radiación de protones.

Campaña contra la radiación

La campaña de radiación de protones se realizó en el Centro de Recursos del Ciclón de la Universidad Católica de Louvin (UCL). El Cyclone es un ciclotrón multipartícula, de energía variable, capaz de acelerar protones hasta 65 MeV. La Tabla I muestra las condiciones de radiación de protones aplicadas a los optoacopladores HV.

La campaña de radiación gamma se realizó en el RADLAB (Laboratorio de Radiación Gamma) del Centro Nacional de Aceleradores-CNA (Universidad de Sevilla, CSIC y Junta de Andalucía). El RADLAB está basado en una fuente de radiación gamma de 60Co, la uniformidad de la tasa de dosis en el campo de radiación fue mejor que el 95% y la incertidumbre expandida asociada a la medida es de +/- 4,2%. La tabla II muestra las condiciones de radiación gamma aplicadas a los optoacopladores de alta tensión.

Las mediciones intermedias realizadas después de cada paso de radiación de protones y gamma se describen en la tabla III. En cada paso intermedio se midió la corriente oscura a VRWM=1kV y VRWM=5kV, la tensión de avance a IF de 0 a 10 mA y el CTR (Current Transfer Rate) a VRWM=1kV y VRWM=5kV e IF= 0,1 mA y 1 mA.

Resultados

• Resultados de las pruebas de radiación gamma

Los resultados de la prueba de radiación gamma han demostrado que no hubo degradación de los optoacopladores. Por ejemplo, la corriente oscura a baja temperatura era obviamente menor que a temperatura ambiente, pero no mostró ninguna degradación durante la prueba de radiación a baja temperatura. Recuperó claramente el mismo valor cuando se midió durante la etapa de recocido a temperatura ambiente.

La siguiente imagen muestra la evolución del CTR después de cada etapa de radiación gamma. No mostró ninguna degradación. Todos los demás resultados obtenidos fueron similares en el sentido de que sólo se observaron variaciones con respecto a las diferentes temperaturas, pero no se ha observado ninguna degradación relacionada con la radiación gamma.

• Resultados de la prueba de radiación de protones

Sin embargo, las pruebas de radiación de protones han dado resultados bastante más interesantes. En este caso, existe una degradación real de los optoacopladores. Se ha comprobado que la degradación del dispositivo es diferente a baja temperatura (-40ºC) y a temperatura ambiente.

El porcentaje de reducción del CTR que se calculó a partir de los datos anteriores en las condiciones indicadas. Obsérvese que para una corriente de avance del LED de 1mA los resultados a 25ºC y -40ºC son equivalentes, pero para una corriente de avance del LED más baja, de 0,1mA, los resultados a 25ºC y -40ºC son completamente diferentes ya que la reducción del CTR a -40ºC es casi 5 veces mayor que la reducción del CTR a 25ºC.v

Las flechas en cada paso indican el momento en el que se inició la radiación de protones y en el que se retiró. Se detectó cierto efecto de recocido después de cada paso de radiación. La degradación del CTR durante la prueba tuvo una tasa similar en todos los pasos. Sin embargo, esta tasa fue diferente durante algunos minutos en el tercer paso. Se cree que la causa de este cambio fue que el flujo se incrementó involuntariamente hasta 2×108 p/s/cm2 durante esos minutos. Aunque, la fluencia del paso final fue de 6×1011 p/s/cm2 como se especificaba en el procedimiento del plan de pruebas.
El gráfico siguiente muestra la evolución de la corriente oscura medida en cada paso intermedio. Obsérvese que la primera y la última medición se realizaron a 25ºC mientras que el resto de mediciones se realizaron a -40ºC. Estos resultados no son extraños, ya que la corriente oscura depende en gran medida de la temperatura.