COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE CENTRÉ D'ETUDES DE SACLAY CEA-CONF- _ 10779 MIST,.., Scn'ice des Bases de Données Spécialisées -H ~- - -~ ~ F91191 GIF SUR YVETTE CEDEX IMAGES PRXESSIIC IN HOSTILE NXLEAR EWIRONMENTS. EXPERIMENTAL CCD CAMERAS TESTS RESULTS FOR ROBOTIC OPERATIONS PAYAT R. CEA Centre d'etudes de Saclay, 91 - Gif-sur-Yvette (FR). Direction des Technologies Avancées CERDAN G. CEA Centre d'etudes de Fontenay-aux-Roses, 92 ^FR). Inst. de Protection et de Sûreté Nucléaire Communication présentée à : 1. European Conference on Radiations and their Effects on Devices and Systems Montpellier (FR) 9-12 Sep 1991
LA VISIONIQUE EN MILIEU HOSTILE NUCLEAIRE RESULTATS D'ESSAIS DE CAMERAS CCD POUR ROBOTIQUE D'INTERVENTION IMAGES PROCESSING IN HOSTILE NUCLEAR ENVIRONMENTS. EXPERIMENTAL CCD CAMERAS TESTS RESULTS FOR ROBOTIC OPERATIONS. NOM/NAME :René PAYAT DTA/LET1/DEIN/SIR : CENTRE D'ETUDE DE SACLAY F91191 GIF-SUR-YVETTE CEDEX Tel.33(16)169082072 TELEX: ENERG 604641F TELECOPIEUR : 33 (1) 69 08 83.95-78.19 Gérard CERDAN : GIE INTRA BP 06 92265 CEN/FAR CEDEX RESUME L'objet de cette présentation est, d'une part, de décrire sommairement le milieu nucléaire dans son aspect hostile aux moyens de vision (capteurs d'images, transmissions de données visuelles ), mais également d'aborder le domaine encore peu connu de la Robotique en milieu nucléaire et ses servitudes. Les essais de tolérance de caméras CCD au rayonnement sont montrés : - mesures de dosimétrie gamma ; - procédures de mesures électriques ; - présentations d'images sous rayonnement (diapositives) ; - les hypothèses de dégradations et de meilleure tolérance sont abordées. ABSTRACT This paper describes succintly the hostile aspect of nuclear environment for visual sensors and transmissions. It approaches the new field of nuclear Robotic and its constraints about vision process. Tolerance tests of CCD cameras in gamma radiations environment are displayed : - gamma dosimetry measures, - electrical measurement process, - views during testing, - degradations and better tolerance hypothesis.
2.3. - Description sommaire d'un système de vision CENTAURE UA Des essais préliminaires ont très vite montré la nécessité d'utiliser 2 caméras à bord :. 1 caméra spécialement orientée pilotage de l'engin (depuis une régie ) reportée le plub possible en arrière du véhicule, de façon à visionner l'environnement de l'engin.. 1 caméra destinée spécialement à la manipulation. Cette caméra doit voir les mouvements de la pince (rotation et serrage etc..). Rappelons dans cette brève description, que les deux caméras sont reliées à deux électroniques de transmission vidéo, avec un câble unique de liaison servant de support également à un canal son, à des transmissions de données sous forme numérique en full duplex, ainsi qu'une alimentation continue pour recharger les batteries à bord. 2.4 -Choix des caméras Les caméras doivent répondre à un certain nombre de critères.. Faibles dimensions et légèreté,. Faible consommation électrique (mobile autonome sur batteries embarquées,. Bonne définition,. Bonne sensibilité (limitation de la puissance de l'éclairage), Bonne tenue en température,chocs et vibrations, Meilleure tenue possible au rayonnement (gammas essentiellement). C'est ce dernier point qui a fait l'objet de travaux au DTA/LETI/DEIN. Un contrat d'étude du comportement de caméras CCD, couleur et noir et blanc, monobloc ou bibloc a été passé au DEIN, bien équipé en moyens de simulation nucléaire. Ces essais ont été menés en collaboration avec la Société BLOMME AUTOMATION (SOCIETE NOUVELLE DES ETABLISSEMENTS JULES VERGER-DELPORTE) compétente dans le domaine visionique. Ill - ESSAIS DE CAMERAS CCD EN IRRADIATION POUR ROBOTIQUE D'INTERVENTION 3.1 - Généralités sur les CCO Les problèmes de contraintes diverses inhérentes à l'utilisation des tubes analyseurs d'images (utilisés dans le nucléaire de retraitement) nécessitant entre autres des précautions d'emploi peu compatibles avec la mission d'un robot d'intervention (température, chocs, vibrations, très faible encombrement et poids, alimentation électrique limitée en puissance etc..), ont conduit à préférer l'utilisation de caméras CCD. D'autre part, le développement fulgurant ces dernières années de capteurs solides silicium (CCD ou Charges Coupled Devices. CID ou Charges injected Devices 2/3 de pouce puis 1 /2 pouce, couleur ou monochrome ) laissent à penser que l'avenir de la visionique sera à base de ce type de capteur Et. un des soucis majeur du nucléaire est la continuité dans le temps des technologies (ce qui ne sera peut être pas le cas des tubes analyseurs d'images dont il n'existe plus de fabricant français et dont l'approvisionnement risque de devenir aléatoire et dépendant de l'étranger). Principe succinl du fonctionnement Le fonctionnement du capteur CCD se décompose en 4 temps : Période d'exposition (illumination convertie en charges électriques), Stockage des charges dans une capacité MOS (Pixel),. Période de transfert,. Etape de lecture (transformation charges-tensions). Les deux opérations essentielles sont la convection photons/charges (création de charges dans une zone désertée du silicium avec séparation des électrons et des trous compte tenu des potentiels appliqués et des mobilités différentes) et les opérations de transfert ayant pour but d'amener les charges de chaque pixel jusqu'à l'étage final.
IV - SPECIFICATION DES ESSAIS 4.1 - Choix des capteurs et caméras Ce choix a été fait par le GIE INTRA qui a chargé la Société BLOMME AUTOMATION (SOCIETE NOUVELLE DES ETABLISSEMENTS VERGER ET DELPORTE ) spécialisée dans la visionique industrielle, de sélectionner 8 caméras au standard 1 /2 pouce parmi les matériels les plus usités. Les caméras sélectionnées sur des critères de qualité d'image, de résolution, de robustesse, de coût, etc... ont été analysées avant irradiations. 4.2 - Procédure d'essais La simulation nucléaire a été faite avec du cobalt 60. Une dosimétrie a été faite sous assurance qualité (suivant PROCEDURE GENERALE DE DOSIMETRIE appliquée pour les essais sous rayonnement document LETI/DEIN/SIR) Cette procédure nucléaire permet de garantir des mesures de doses et/ou débits de doses avec une précision d'environ +/-5% (mesure directe du flux par une chambre d'ionisation étalonnée par le DEPARTEMENT DES APPLICATIONS ET DE LA METROLOGIE DES RAYONNEMENTS IONISANTS (DAMRI, CEN-SACLAY ) et mesures indirectes des doses reçues par exploitation de dosimètres ALANINES disposés sur chaque caméra. Les mesures effectuées devaient avoir un aspect qualitatif par comparaison avec les images de référence de chaque caméra avant irradiation, et un aspect quantitatif au moyen de mesures électriques systématiques :. durée et niveau du signal vidéo composite,. synchro trame ; durée et niveau,. synchro ligne ; durée et niveau,. enregistrement systématiques des signaux vidéo pour déceler et suivre les anomalies éventuelles. REMARQUE IMPORTANTE Les caméras étant réglées avec précision sur une mire de référence (finesse de l'image, contraste. équilibre des couleurs, etc...) avant irradiations, il était impératif de ne procéder à aucun nouveau réglage en cours d'essais d'exposition afin de déterminer les seuils d'apparition de défauts dans les mêmes conditions pour chaque caméra. Durant les heures de nuit, où il n'était effectué aucune mesure,les caméras étaient laissées sous tension sans irradiation. Des essais antérieurs sur des systèmes en technologie CMOS avaient montré que les phénomènes de récupération de courte durée à température ambiante ne sont pas significatifs dans cette configuration électrique, pour des périodes d'arrêt relativement courtes RESUME OES CONDITIONS EXPERIMENTALES Irradiation Gammas du Cobalt 60, Energie : 125 MEV (moyenne), Débit de dose : 10 Gy /h, Température ambiante 25 C + /-3 0 C, Type de tests dynamiques sur mire, Interruptions de nuit : caméras sous tension hors irradiation Dosimétrie dosimètres ALANINES (PV DAMRI) Mesures signaux vidéo composites. 4.3 - Installation d'irradiation et de Les irradiations ont été effectuées au CEA SACLAY dans un irradiateur de grandes dimentions permettant d'obtenir le bon débit de dose à une distance suffisante des sources avec un faible gradient (uniformité du débit dans le volume utle dea caméras). Les caméras ont été équipées de 2 dosimètres ALANINE au niveau du corps ut dans le plan du capteur CCD (18mm de la face d'entrée ) Les dosimètres ALANINE sont prélevés à la fin des irradiations (après non fonctionnalité évidente) Les caméras sont disposées sur un support vertical situé à environ 82cm de la mire de référence, ellemême située dans une boite à lumière spéciale
La page finale explique sous forme schématique l'intallation dans lïrradiateur et le principe de l'ensemble du dispositif de mesure. V - RESULTATS D'ESSAIS 5.1 - Anomalies constatées Sur l'ensemble des caméras (à des niveaux divers sauf pour une d'entre elles), une neige vient se superposer à l'image. Certaines caméras couleur présentent assez rapidement des défauts de chrominance tout en restant exploitables en noir et blanc.(apparition de dominantes vertes ou bleues ).On observe pour des niveaux différents de dose, une diminution systématique de sensibilité. En fin de vie, des caméras font apparaître des déchirures de l'image. Les seuils de destruction sont très variables suivant le type. Des seuils aussi bas que 100Gy ont été observés sur des caméras monochromes. Le chiffre moyen de tolérance sur l'ensemble du lot étant d'environ 200Qy. Quelques caméras couleur peuvent être exploitées au-delà de 300Gy. Certaines anomalies peuvent être attribuées au capteur lui-même, d'autres à la circuiterie associée. 5.2 - Phénomène de récupération Les caméras dont le capteur n'a pas été détruit montrent une récupération partielle après plusieurs jours. Il semble que ce phénomène plutôt positif soit dû à l'électronique (récupération des tensions de seuil des CMOS, des gains des amplificateurs, etc...). Les générateurs de synchronisation restent constants tant pour les lignes que pour les trames. VI - CONCLUSION La tenue actuelle des meilleures caméras (au sens nucléaire), se situe vers 300 à 350Gy. Pour ce qui concerne le lot de caméras testées, les dispositifs couleur se sont avérés plus résistants. Il appartient au GIE-INTRA de diffuser les résultats complets et détaillés pour chaque marque de caméra testée. Les défauts constatés concernent soit le capteur lui-même (dans ce cas il semble qu'ils se manifestent rapidement par des déchirures de l'image) soit l'électronique, soit les deux (perte de sensibilité, apparition de dominantes couleur et plus tardivement, des déchirures de l'image). On peut analyser en première approximation les destructions du capteur (succession de capacités MOS avec transfert de charges successif d'une capacité sur l'autre à la lecture ) à une perte de charge à chaque transfert, soit parce que la capacité élémentaire (pixel) ne peut stocker suffisamment longtemps les charges représentatives de l'éclairement (fuites diélectriques des oxydes de silicium par exemple), soit que le déversement de chaque pixel successivement dans la chaîne capacitive d'une ligne se fasse avec un rendement très faible puis annulation complète de la charge transférée. Les convertisseurs CHARGE-TENSION peuvent également avoir un rendement diminué. Ou point de vue électronique à base de composants MOS ou CMOS, on connait par ailleurs la tolérance modérée aux rayonnements GAMMA dans la mesure où le fabricant n'utilise pas la technologie durcie. Le durcissement d'une caméra CCD passe par une recherche technologique au niveau du capteur (fabrication utilisant la filière MOS durcie, peut être SOS ou SOI. Il peut être également envisagé pour l'électronique d'utiliser une technologie entièrement bipolaire (amplis ; circuits logiques TTL, LS ou ALS, etc. ). Enfin, le duicissement pour des niveaux très élevés de dose (cas des usines de retraitement par exemple avec une tolérance supérieure au mégarad ) doit être actuellement un pôle de recherche à envisager rapidement avec des participations multipartenaires (recherches de base : injections de données pour affiner la technologie, assembleurs ou concepteurs de systèmes de visionique, etc. ). Il reste dans ce domaine un travail important a faire.
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