Светодиодное освещение и радиация

Содержание

• Немного о ЦЕРН
• Аварийное освещение комплекса
• Компоненты LED-светильников и воздействие радиации
• Найденные решения
• От прототипа – к серийным продуктам
• Итог

Это достаточно вольный перевод, а оригинал статьи доступен на сайте arxiv.org. Информация приведена по состоянию на конец 2016 года и, возможно, теперь в ЦЕРН намного больше светодиодов, чем было тогда.

Немного о ЦЕРН

Комплекс включает в себя около 45 километров подземных тоннелей, в которых находится как сами ускорители частиц, так и множество сервисных проходов на глубине до 100 метров под поверхностью земли. Во время перерывов в работе ускорителей в них постоянно находятся обслуживающие бригады, выполняющие текущее обслуживание и плановые модернизации оборудования. Для обеспечения безопасности в подземной части ЦЕРН была создана надёжная система аварийного освещения, состоящая из более чем 3000 светильников. Причём включает она по большей части приборы, доставшиеся в наследство от предыдущих проектов подземных ускорителей частиц – это смесь натриевых ламп низкого давления и люминесцентных светильников. В настоящее время становится всё сложнее поддерживать работоспособность системы – и не в последнюю очередь из-за новых законов, ограничивающих закупки устаревших осветительных приборов. И так появилась необходимость разработки нового решения для аварийного освещения, основанного на современных технологиях и имеющего достаточную защиту от радиации.

Аварийное освещение комплекса

Система аварийного освещения в тоннелях ускорителей частиц должна обеспечивать минимальный уровень освещения на эвакуационных маршрутах в случае отключения питания основных светильников. Причём времени её работы должно хватить как на то, чтобы люди без паники покинули подземную часть комплекса, так и для помощи в работе аварийных служб, если такая необходима.

В ЦЕРН аварийные светильники питаются от перезаряжаемых никель-металлогидридных (NiMh) аккумуляторов через инвертер постоянного тока, преобразующий напряжение 48 вольт в 230 вольт переменного тока, от которого и работают осветительные приборы. Питание на них подаётся по противопожарным кабелям, причём каждая зона как правило подключается к двум независимым линиям для обеспечения отказоустойчивости. На значительной части Большого Адронного Коллайдера (БАК) в качестве аварийных используются натриевые лампы низкого давления, оставшиеся со времён LEP – Большого электрон-позитронного коллайдера, работавшего в 90-х годах прошлого века. Как сами натриевые лампы, так и их балластные устройства показали свою высокую надёжность в условиях повышенного радиационного фона, создаваемого вокруг ускорителей частиц.

В последние года LED-технологии стали весьма привлекательной альтернативой традиционным лампам накаливания, их люминесцентным и разрядным собратьям не только на рынке общего освещения, но и в аварийных системах. Причиной тому стали не только их компактность, мгновенное включение и высокая световая отдача, но и новые законы. Например, директива ЕС номер 245/2009, которая привела к запрету на использование некоторых типов ламп: металлогалогенных, ртутных, а также натриевых высокого давления. Сочетание технологического прогресса и правового давления привело к тому, что рынок светодиодного освещения стал стремительно расти, а привычные источники света быстро стали устаревать. По этой причине и была начата разработка новых аварийных источников света на основе светодиодов для использования в подземной части ЦЕРН.

Важным преимуществом аварийного освещения на основе LED в данном случае становится тот факт, что они могут мгновенно выходить на рабочий режим – сразу после подачи напряжения, а вот натриевые лампы требуют «прогрева» – т.е. не могут мгновенно перейти на 100% отдачу светового потока. И для того, чтобы обеспечить соответствие системы требованиям нормативных документов, система аварийного освещения на основе натриевых ламп работала постоянно – даже во время работы ускорителей, когда людей в тоннелях быть не могло в принципе. Поэтому переход на LED может оказаться полезным и с точки зрения экономии электроэнергии.

Компоненты LED-светильников и воздействие радиации

Обычный коммерческий аварийный светодиодный светильник включает в себя:

• блок питания (как правило – импульсный), который преобразует входное напряжение (220 В переменного тока) в пригодное для питания светодиодов (уже постоянное). Однако, ни одна из широко используемых в настоящее время схем реализации таких блоков не обладает даже минимальной устойчивостью к радиации, что приводит к практически моментальному выходу их из строя при облучении на уровне обычных значений для тоннелей с работающими ускорителями;
• светодиодный источник света, который под действием радиации постепенно деградирует со снижением светового потока;
• индивидуальная линза из полиметилметакрилата (ПММА), чья способность пропускать свет и механические характеристики под действием радиации заметно снижаются со временем;
• общее защитное стекло – например, боросиликатное. Этот тип, кстати, достаточно хорошо показал себя в условиях повышенного радиоактивного фона. Хотя впоследствии можно рассмотреть вопрос об использовании, например, кварцевых стёкол.

Найденные решения

Поскольку критическим компонентом в данном случае оказался блок питания – ведь он выходил из строя практически сразу, а не деградировал со временем как светодиоды и оптическая система, начальные усилия были направлены на решение именно этой проблемы. Несколько поставщиков предложили использование выпрямителей на основе диодных мостов, которые имеют куда большую степень защиты от радиации, чем их импульсные аналоги.

Как видно на схеме выше, такие блоки питания включают в себя только понижающий трансформатор, к которому подключены два независимых диодных моста, каждый из которых в свою очередь подключен к двум параллельным светодиодным линейкам с единственным токоограничивающим резистором на каждой. По сравнению со схемой импульсного преобразователя – на схеме ниже – такое решение выглядит существенно более простым.

Тестирование проводилось в 4 этапа с разной длительностью и уровнем излучения. Общая продолжительность составила около 3.5 тысяч часов. Светильники с импульсными преобразователями питания сошли с дистанции практически в самом начале. Лучший результат в тесте – 18 часов с поглощённой дозой излучения 0.4 Гр, после чего блок выходил из строя. Причинами становились повреждения высокочастотных преобразователей постоянного тока, цепей управления ШИМ и оптопар.

А вот светильники с блоками питания на основе диодных мостов показали себя куда лучше. Все они проработали полное время теста без видимых признаков деградации с уменьшением светового потока, что впоследствии было подтверждено инструментальными измерениями. Суммарная поглощённая доза излучения при этом составила 129 Гр (для человека, кстати, такая доза излучения с практически 100% вероятностью приведёт к смерти в течение ближайших нескольких суток – прим. пер.).

На основании данных этого тестирования был собран устойчивый к радиации прототип блока питания для будущих аварийных светильников. Он включал в себя понижающий трансформатор с соотношением количества витков обмоток 230:6, диодный мост GBU8K и электролитический конденсатор ёмкостью 220 мФ. В качестве нагрузки – ну и источника света – выступил светодиод Cree XR-E.

Прототип подвергли новому тестированию – на этот раз с поглощённой дозой излучения в 1107 Гр, что примерно соответствует дозе, получаемой светильниками в течение 5 лет работы в тоннелях ускорителя частиц. Все приборы во время тестирования были включены, а по его окончании – продолжали работать как ни в чём не бывало. Благодаря такому результату, использованная в прототипе схема легла в основу будущих источников питания для аварийных светильников, устойчивых к радиации

От прототипа – к серийным продуктам

Два независимых поставщика предложили свои решения с использованием выбранной технологии. В первом использовались три светодиода Cree XP-G в сочетании с ПММА-линзами и стеклянными окошками. Во втором – единственный светодиод Cree XR-E также использующий ПММА-оптику.

Для исследования влияния интенсивного гамма-излучения на тестовые образцы, по 2 светильника от каждого производителя были отправлены в Институт Фраунгофера (Германия), где получили суммарную дозу излучения в 100 кГр. Ещё по два образца отправились во Францию, где подвергались воздействию нейтронных потоков, но результаты этого исследования будут опубликованы в будущих работах.

Исследование влияния гамма-излучения проводилось с использованием источника на основе кобальта-60 с интенсивностью излучения в 720 Гр/ч до достижения суммарной поглощённой дозы в 100 кГр через 146.7 часа. Во время теста светильники находились в выключенном состоянии, что, как было указано выше, в целом соответствует режиму работы освещения в тоннелях ускорителей ЦЕРН. По окончании было проведено подробное измерение характеристик приборов, которое показало, что снижение светового потока светильников составило около 80% для первого производителя (3 светодиода Cree XP-G) и около 73% для второго (1 светодиод Cree XR-E). При этом также произошло сопоставимое уменьшение световой отдачи, то есть электрические характеристики приборов практически не изменились, а значит явной деградации диодного моста или самих светодиодов не происходило.

Что касается оптических частей, то у первого производителя защитное стекло потемнело уже после дозы излучения в 4.1 кГр, а линзы из ПММА начали желтеть.

У второго производителя, вследствие отсутствия защитного стекла, уменьшение светового потока оказалось меньше, чем у первого, но линзы из ПММА также пожелтели уже после дозы в 15 кГр.

Далее была проведена симуляция в DIALux, в которой светильники производителя 1 были размещены на стенах туннеля на расстоянии 14 метров от центра до центра, светильники производителя 2 – на потолке на расстоянии 10 метров от центра до центра. По существующему стандарту EN 1838 необходимая освещённость на путях эвакуации составляет 1 люкс. Используемые же образцы, подвергшиеся облучению, показали минимальный результат в 0.65 лк и 0.92 лк при среднем значении в 2.01 лк и 1.60 лк.

Итог

Полученная в результате исследования типовая схема светильника была опубликована на условиях CERN Open Hardware License. Также запланированы дополнительные исследования воздействиях иных типов излучения на электронные и оптические компоненты. Ограниченная партия светильников была установлена в отдельных зонах ускорителя частиц ЦЕРН для испытания в реальных условиях.

Ещё раз напоминаем, что это – вольный перевод статьи, опубликованный на сайте arxiv.org. Рекомендуем всех заинтересовавшихся темой обратиться к оригиналу за дополнительными данными и ссылками на другие материалы по теме.