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SISTEMA DE CONTROL Y MEDIDA DE COMPONENTESELECTRÓNICOS SOMETIDOS A RADIACIÓN DE NEUTRONESJ. Lozano Rogado, F.J. Franco Peláez, A. Paz López, J.P. Santos Blanco, J.A. Agapito Serrano(e-mail: jesloz,monti,josepe,agapito@eucmos.sim.ucm.es)Departamento de Física Aplicada III (electricidad y electrónica) Facultad de Ciencias Físicas.Universidad Complutense de Madrid. Ciudad Universitaria s/n.28040 MADRID. SPAIN. Tel. +34 91 394 4441. Fax.+34 91 3945196ResumenSe presenta en este trabajo un sistema deinstrumentación y medida de parámetroscaracterísticos de componentes electrónicossometidos a radiación de neutrones. El propósitoprincipal de este sistema es obtener suscaracterísticas de éstos al mismo tiempo que sonirradiados por un haz de neutrones, y determinar loscomponentes del mercado más resistentes a dicharadiación. Posteriormente, serán utilizados para eldesarrollo de la instrumentación de control delLarge Hadron Collider en el CERN.núcleo del reactor durante las horas de inactividadpara reducir al máximo la radiación gamma residual.La dosis gamma total no superó gracias a estaprecaución el valor de 1.2 kGy.Palabras Clave: Instrumentación, control deparámetros, componentes electrónicos.1 INTRODUCCIONEl sistema que se describe en este trabajo tiene comoobjetivo controlar y medir todos los parámetroscaracterísticos de los componentes que se deseanexaminar bajo radiación. Para ello se disponen loscircuitos en unas cajas que se sitúan correlativamenteen un carril DIN. Éstas se introducen en una cavidaddentro de un reactor nuclear de investigación. En elreactor se provoca una reacción en cadena que generaun haz de neutrones que inciden sobre las cajas de loscircuitos. Se puede observar en la figura 1 el núcleodel reactor en pleno funcionamiento. La luz azul quese observa se produce por el efecto Cherenkov [1].Las irradiaciones se llevaron a cabo en el Reactor deInvestigación del Instituto Tecnológico y Nuclear deLisboa (Portugal). El reactor funcionaba a unapotencia nominal de 1 MW. El flujo total alcanzabaun valor de 5· 10 13 n/cm 2 en la placa central en cincosesiones de 12 horas tras las que seguían otras 12horas de descanso.Se eliminaron del haz los neutrones térmicos pormedio de una plancha de 0.7 cm de boro. Laradiación gamma se redujo con una barrera de plomode 4 cm de espesor. Las placas eran alejadas delFigura 1: núcleo del reactor nuclear del ITN.2 DAÑOS PROVOCADOS POR LARADIACIÓN NEUTRONESCualquier componente electrónico que se encuentreexpuesto a algún tipo de radiación sufre una fuertedegradación [2]. Este problema es importante cuandose requiere una alta fiabilidad en su funcionamiento.Debido a que es muy costoso el desarrollo decomponentes cuyo comportamiento bajo radiaciónesté garantizado, es recomendable el empleo decomponentes comerciales, mucho más baratos, en losque se conozca con precisión la evolución de lascaracterísticas del componente mientras se degrada[3, 4].2.1 DAÑOS EN SEMICONDUCTORESLos daños provocados por la radiación en lossemiconductores dependen del carácter ionizante ono ionizante de aquella.

La radiación ionizante más importante es la radiacióngamma y los rayos X. La radiación ionizante crea unexceso de pares electrón-hueco en el semiconductor ylas propiedades eléctricas del material se venafectadas. Este tipo de alteración desapareceinstantáneamente al cesar la exposición a la radiaciónionizante y no deja ningún daño permanente. Lacreación de pares en los materiales dieléctricos esmucho más perjudicial. En estos materiales, como elSiO 2 , los electrones tienen una alta movilidad entanto que la de los huecos es extremadamente baja.Cualquier campo eléctrico puede arrastrar loselectrones quedando una carga neta positiva en elaislante. Esta carga atrapada modifica la tensiónumbral de transistores MOSFET o atrae electroneshacia la superficie creando canales que aumentan lascorrientes de fuga en el componente. Tras un largointervalo de tiempo, las cargas pueden acceder a lainterfaz que separa el aislante del semiconductorcreando nuevos estados superficiales que modificanlas propiedades del semiconductor.parámetros. Se va a describir un sistema de controlque almacene datos de forma detallada eininterrumpida durante la irradiación. Ladeterminación de cada parámetro requiere un circuitoespecial. Por este motivo, se han diseñado placas enlas que se puede modificar de forma automática elcircuito para la determinación de los parámetros deinterés. Estas modificaciones se llevan a cabo conrelés de inducción ya que los de estado sólido sonmuy sensibles a la radiación gamma. Un ejemplo esla placa diseñada para el estudio de losamplificadores operacionales:La radiación no ionizante, como es el caso de losneutrones, destruye la red cristalina delsemiconductor. La interacción entre los núcleos y losneutrones crea vacantes, átomos intersticiales,centros de color, etc. El efecto de este daño es elsiguiente:A) Creación de niveles permitidos dentro de labanda prohibida.B) Disminución de la vida media de portadoresminoritariosC) Disminución de la movilidad de losportadores.D) Disminución de la concentración deelectrones en beneficio de la de huecos.Los transistores MOSFET y JFET son muy robustosfrente a este tipo de radiación y son los elementosbipolares los más afectados. Se ha observado unadisminución del coeficiente β de los transistores BJT,aumento de la corriente de fuga en las uniones PN,disminución de la emisión óptica, etc.Ambos tipos de daños pueden combinarse. Porejemplo, la radiación α o, en general, cualquier iónpesado puede destruir la red por impacto y, además,ionizar el semiconductor.2.2 DAÑOS EN COMPONENTESCOMPLEJOS Y EVOLUCIÓN DEPARÁMETROSUn elemento complejo, como puede ser unamplificador operacional, un conversor, etc., sufrirála degradación de sus componentes más sencillos.Este cambio se reflejará en la modificación de susFigura 2: sistema de medida de AmplificadoresOperacionales.Con esta placa se puede determinar la ganancia enlazo cerrado, la tensión de offset en la entrada y lascorrientes de polarización. Para ello, sólo hay queactivar determinados relés y adoptar la red apropiada.En los amplificadores de instrumentación, se midió laganancia diferencial, la CMRR, la tensión de offset ylas corrientes de polarización de la entrada.Asimismo, se ha medido la salida y el consumo dedistintas referencias de tensión, la resistencia internade switches analógico-digitales y el error de offset, deganancia, DNL, INL y número de bits significativosde conversores digitales-analógicos construidos endiversas tecnologías.3 REQUISITOS DEL SISTEMAEl sistema desarrollado tiene que cumplirdeterminados requisitos que permitan al sistemacontrolar las conmutaciones necesarias para polarizary, a su vez, caracterizar los distintos circuitosintegrados mientras van recibiendo una dosisdeterminada de radiación (aproximadamente 3-9· 10 13neutrones/cm 2 )

Existen algunos problemas con la disposición de loscircuitos dentro del reactor ya que, en las primerasexposiciones, los circuitos se colocaban en el fondode la piscina de protección del reactor y lasmangueras de los cables debían recorrer una largadistancia (más de 25m) hasta los instrumentos decontrol y medida, con lo que el ruido y el retardointroducido por los cables era importante pues lastensiones que había que medir eran, en algunoscasos, del orden de mV. En siguientes exposiciones,se han dispuesto las cajas de componentes en unasalida lateral del reactor de forma que se reducebastante la longitud del cableado (4-5 m).dispositivos y en la que haya que realizar los menorescambios posibles en el sistema. En caso de añadircomponentes nuevos para su análisis, lo más usual esque únicamente haya que modificar el programa decontrol e incluir alguna subrutina para medir el nuevocomponente o en otros casos, como por ejemplo laúltima ampliación que consistió en la caracterizaciónde Conversores Digital-Analógico simplemente huboque añadir al ordenador una tarjeta digital que envíaal DAC los datos que debe convertir.Otra característica a tener en cuenta es que el sistemadebe permanecer estable a los cambios de la red dealimentación y a los posibles cortes que pudieranocurrir en el suministro eléctrico.Otras características que debe tener un sistema decontrol y medida como el que se describe son:• Control de las tensiones y corrientesaplicadas a los circuitos.• Control del punto de cada circuito en el quehay que aplicar las tensiones y medir lassalidas.• Incorpora sensores para medir latemperatura, fotodiodos para medir laradiación recibida y una cámara deionización para medir la radiación gamma.• Registro histórico de los parámetrosmedidos y de control.• Interfaz gráfica y amigable.4 ARQUITECTURA DEL SISTEMAEn el año 1998 se inició el proyecto de colaboraciónentre el CERN y la Universidad Complutense deMadrid para realizar pruebas a distintos dispositivoselectrónicos bajo radiación de neutrones. Laestructura del sistema encargado de esta tarea ha idomejorando sensiblemente hasta llegar a la estructuraactual que es la que se ha venido utilizando en lasúltimas irradiaciones.En la figura 3 puede verse una fotografía de lainstalación actual existente en el laboratorio. Lainstalación existente en el reactor es básicamente lamisma ya que basta con llevar las cajas decomponentes con los cables de conexión lo quepermite una flexibilidad añadida.4.1 DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOSDEL SISTEMA.Se ha diseñado y ejecutado una instalación flexiblecon el fin de ir incorporando las medidas de nuevosFigura 3: sistema de control y medida en ellaboratorio.La instalación está constituida por los siguienteselementos que posteriormente se describen:• Sistema de conmutación KEITHLEY 7002.• Multímetro KEITHLEY 2002.• Fuente de corriente programableKEITHLEY 236.• Fuente de alimentación estabilizada.• Ordenador personal con tarjetas de control.• Mangueras de cables.• Cajas con los circuitos y componentes quese van a analizar.En la Figura 4 se muestra la estructura del sistemacon las distintas conexiones entre los elementos delsistema, en el que las conexiones dibujadas en rojocorresponden a conexiones eléctricas entre losdispositivos, como alimentaciones, señales de controlde relés, tensiones medidas, etc. y las líneas en colornegro corresponden a los buses de control de losdistintos elementos que conforman el sistema.A continuación se describen brevemente loselementos del sistema:

Figura 4: arquitectura del sistema- Sistema de conmutación KEITHLEY 7002: es unconmutador matricial, consta de 10 bancos de 40posiciones cada uno. En la actualidad sólo se utilizan4 de los 10 posibles y su función es conectarcualquiera de estos canales entre sí, ya sea paraproporcionar alimentación a los circuitos,polarizarlos, poner valores de tensión o corriente enlas entradas o medir tensiones en puntos de interés.Estas conexiones las realiza automáticamente elprograma de control.- Multímetro KEITHLEY 2002: es un instrumentode precisión que se encarga de medir las magnitudescorrespondientes en los puntos conectados con el7002. El 2002 está preparado para medir tensiones,corrientes, frecuencias, etc. con una precisión de 81/2 dígitos y resistencias mediante el método de 4puntas [5].- Fuente de corriente KEITHLEY 236: es unafuente que proporciona la tensión o corrienteespecificada.- Fuente de alimentación estabilizada: proporcionalas tensiones necesarias para la alimentación.- Ordenador: es un ordenador personal en el que sehan instalado dos tarjetas de control: una tarjeta parael control de la GPIB y una tarjeta digital PIO-12 deKEITHLEY que proporciona los valores digitalespara el análisis de los conversores digital-analógico.- Mangueras de cables: se utilizan 4 mangueras de37 cables de baja resistencia ( 0.075 ohm/m) y conuna malla de apantallamiento de ruido. Conectan lascajas de los circuitos con la fuente de alimentación,el sistema de conmutación y la PIO-12 del ordenador.- Cajas con los circuitos: contienen loscomponentes que se van a analizar y elementosauxiliares que ayuden a la medida de los parámetros.Todo el sistema está alimentado mediante un sistemade alimentación ininterrumpida para evitar que loscortes o variaciones en la magnitud de laalimentación afecten a las medidas tomadas.4.2. CONEXIONES ENTRE LOS ELEMENTOSDE CONTROL.La conexión entre los distintos dispositivos queforman el sistema se comunican entre ellos mediantela interfaz GPIB. La tarjeta GPIB del ordenador seencarga de enviar las ordenes necesarias dictadas porel programa de control a cada dispositivo para quedesempeñe su función.El megabús IEEE-488 fue desarrollado en 1978 paraconectar y para controlar los instrumentosprogramables, y para proporcionar un interfazestándar para la comunicación entre los instrumentosde diversas fuentes.Durante la década de los 80, el estándar fuemodificado, dando origen al IEEE-488.2. El originalfue rebautizado como IEEE-488.1. El nuevoestándar proporcionó información más específicasobre el contenido y la estructura de los mensajes,así como de los protocolos de comunicación.

IEEE-488.2 es totalmente compatible con IEEE-488.1; el uso de un controlador que cumpla elestándar "488.2" asegura que será capaz de entenderlos protocolos de los nuevos instrumentos así comolos de aquellos que siguen el 488.1.los ficheros, el número de amplificadores, los rangosde las corrientes de entrada, etc.En la actualidad, IEEE-488 es el método decomunicación entre instrumentos, ya sea en elcampo de la ingeniería como en cualquier otrocampo científico. La gran mayoría de los fabricantesdedicados a la instrumentación electrónica incluyeninterfaces IEEE-488.5 PROGRAMA DE CONTROLEl programa de control se realiza utilizando elprograma Testpoint, que es un lenguaje orientado aobjetos dedicado al control de instrumentación.El programa se compone de una serie de objetos.Normalmente un objeto tiene asociado un valor oestado y una ‘lista de acción’. La ‘lista de acción’consiste en una rutina que se ejecuta cada vez que elvalor o estado del objeto cambia. El evento oalteración del valor o estado del objeto, y por lo tantola ejecución de su ‘lista de acción’, se puede producirde dos maneras posibles:• Desde su correspondiente panel o ventana(evento “on line”), en cualquier momento de laejecución del programa.• Desde la propia ejecución del programa (eventoprogramado), asociado a otros eventos.El programa consta de varias subrutinas principalesque gestionan la medida de cada parámetro odispositivo y se ejecutan de forma secuencial. Unciclo completo de medida se efectúa cada 10minutos.El panel del programa de control se muestra en laFigura 5, en el que se pueden observar varioselementos con distintas funciones: tablas donde sealmacenan las últimas medidas tomadas, variosdisplays en los que se ven otras variables utilizadasrecientemente. También se muestra la fecha y la horaen que ha comenzado el experimento y la actual. Enla parte inferior derecha hay situado una gráfica quemuestra la evolución temporal del parámetro quemide actualmente.En la parte superior derecha tiene unos cuadros detexto en el que se pueden modificar algunosparámetros del programa de control como lostiempos de retardo de conexión de los relés, del ciclode medida, el tiempo en que cambia los nombres deFigura 5: panel del programa de controlLos botones del panel de control tienen variasfunciones: hay dos generales que son “medir”y“stop” que inician o paran el proceso de medidacontinua, los que están situados por debajo de ellosse utilizan para ejecutar sólo algunas subrutinas delprograma y sólo una vez, no de manera continuacomo el anterior. También se disponen de unosinterruptores para conmutar manualmente los relés ypara activar algunas opciones del programa.El programa también guarda en varios archivos losdatos que ha tomado, y cambia la extensión de losmismos cada cierto tiempo y guarda en otrosarchivos la totalidad de los datos. El archivo escritoes en modo texto con separaciones en columnas parahacer más sencillo su posterior procesado.6 RESULTADOS Y DISCUSIONSe ha encontrado que uno de los parámetros másafectados en los amplificadores operacionales es latensión de offset de entrada. La ganancia en lazocerrado no se modifica y sólo se observa incrementode las intensidades de polarización en losamplificadores de entrada bipolar y en algunos deentrada JFET. La familia más interesante es labipolar de entrada DiFET y, dentro de esta familia, elmodelo es más resistente cuanto mejor sea larespuesta en frecuencia.Los amplificadores de instrumentación experimentanun progresivo descenso de la ganancia así como de larazón de rechazo del modo común. Por otra parte, latensión de offset cambia aunque la evolucióndetallada depende de la tecnología del amplificador.

Se observa una disminución de la tensión de salida detodo tipo de referencia así como de la corriente dealimentación. Por otra parte, aumenta el coeficientede regulación de la entrada y disminuye la corrientemáxima.[5]L.J. Van der Paw, (1958) A method of measuringspecific resistivity an Hall effect of discs of arbitraryshape, Philips Research Reports Vol.13, Nº1, 1958.La evolución de los DACs depende de la tecnología.Los componentes de tecnología CMOS sonrápidamente destruidos por la radiación gammaresidual. Los que emplean tecnología TTL rápidasufren una degradación más lenta mientras disminuyeel número efectivo de bits. No se ha observado lacompleta destrucción de ninguna muestra.6 CONCLUSIONESSe ha desarrollado un sistema flexible para lacaracterización de dispositivos electrónicos bajoradiación. Este sistema permite monitorizar entiempo real la degradación de los parámetros másimportantes de dispositivos electrónicos comercialessometidos a radiación de neutrones. Los resultadosobtenidos permiten la selección de los dispositivos ytecnologías más adecuados para el desarrollo deinstrumentación para ambientes hostiles.AgradecimientosEste trabajo ha sido financiado por el acuerdo decooperación entre el CERN y la UniversidadComplutense de Madrid por la CICYT (TIC98-0737)y parcialmente apoyada por el ITN.Referencias[1] Jelley, J. V “Cherenkov Radiation and itsapplications”, Pergamon Press, 1958[2] G. Messenger, M. Ash “The Effects of Radiationon Electronic Systems”. New York, Van NostrandReinhold, Second Edition, 1992[3] William J. Perry, “Specifications & Standards – ANew Way of Doing Business”. Secretary of DefenceMemorandum to Secretaries of the MilitaryDepartments, Chairman of the Joint Chiefs of Staffand Under Secretaries of Defence, dated 29 June1994[4] P.S. Winokur, G.K. Lum, M. Shaneyfelt, F.Sexton, G. Hash and L. Scott “Use of COTSMicroelectronic in Radiation Environments” IEEETrans. Nuc. Sci. December 1999, Vol 46, Page 1494-1503.