Основные этапы обеспечения стойкости аппаратуры космических аппаратов к интегральным дозовым эффектам

Методические основы радиационных испытаний

Основные этапы обеспечения стойкости аппаратуры космических аппаратов к интегральным дозовым эффектам

, »

Рассматриваются основные задачи, решаемые при создании аппаратуры космических объектов с заданным уровнем стойкости к воздействию ионизирующих излучений космического пространства (ИИ КП), в том числе:

- анализ радиационной обстановки для заданной орбиты КА;

- выбор комплектующих элементов на основе анализа имеющейся информации о радиационной стойкости изделий электронной техники;

- расчетные оценки локальных дозовых нагрузок в критических узлах РЭА;

- проведение испытаний элементов и узлов РЭА на стойкость к воздействию ИИ КП;

- выдача заключения о стойкости РЭА к ионизационным (дозовым) эффектам

Радиационные условия КП

Вид излучения	Состав	Энергия частиц, МэВ	Плотность потока, м-2 с-1
ГКЛ	Протоны a- частицы Тяжелые ионы	102…1015	1,5×104 1,0×103 1,2×101
СКЛ	Протоны Тяжелые ионы	1…104 1…106	107…108 106
ЕРПЗ	Протоны	1…30 >30	3×1011 2×108

Классификация типовых орбит полета КА для установления требований по стойкости РЭА КА по ЭОС

Тип частиц	Диапазоны высот типовых орбит, км
< 600	600 – 1200	1200 – 6000	6000 – 10000	>10000	ГСО	ВЭО
Высоты, км, для которых устанавливаются спектры ЗЧ
СКЛ	3000	3000	3000	ГСО	ГСО	ГСО	ГСО
ГКЛ	ГСО	ГСО	ГСО	ГСО	ГСО	ГСО	ГСО
ЕРПЗ	600	1200	3000	6000	-	-	-

Типовые толщины защиты 0.1, 0.5, 1.0, 3.0, 10.0 г. см-2

Список источников

1. Методы расчета радиационных условий полета КА и их систем за счёт действия заряженных частиц КП естественного происхождения, Методическое пособие под редакцией , , Космические войска ВС РФ, 2004.

2. ОСТ 134. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование космических аппаратов. Методы расчета радиационных условий на борту космических аппаратов и установления требований по стойкости РЭА космических аппаратов к воздействию заряженных частиц космического пространства естественного происхождения. ЦКБС ЦНИИМАШ, 22 ЦНИИИ МО РФ, НИИ приборов, НИИЯФ МГУ, РКК «Энергия», 2007.

3.  , , . Радиационная обстановка на борту космических аппаратов. ЦИПК, 2001

Схема расчёта дозовых нагрузок на критические элементы аппаратуры КА

ИИ КП, ye(Ee, q, j, t), yp(Ep, q, j,t)

Дискретные элементы (корпус элемента, экранировка окружающими элементами)

1 Метод Монте-Карло

Расчет ослабления дозовых характеристик ИИ КП в одномерной барьерной геометрии

Программы ELECTRON, PROTON (ФГУП «НИИП»)

Программа Shieldose, NASA

S. Seltzer Shieldose: A computer code for space-shielding radiation dose calculation. NBS Technical note 1116 ( May 1980)

Расчет дозы с помощью метода Монте-Карло для заданных спектров КП в геометрии сфера, плоский барьер. Защита - алюминий

Программа GEANT, CERN

GEANT Detector description and simulation Tool, CERN Program Library, Long Write-up W5013, Geneva 1993

Программа разрабатывалась на основе метода Монте-Карло для исследования прохождения элементарных частиц в веществе для описания экспериментов в физике высоких энергий. Рассматривает трехмерную геометрию, учитывает ядерные реакции при прохождении падающих частиц с материалами мишени. В настоящее время находит применение в других областях физики, в частности, в космических исследованиях.

2 Расчет локальных дозовых нагрузок в критических узлах и элементах РЭА

Метод секторного разбиения + метод Монте-Карло

Программы ELECTRON – 3D, PROTON – 3D

Метод Монте-Карло в барьерной геометрии

Распределение поглощенной энергии протонов с начальной энергией Ео = 338 МэВ при прохождении через барьер из меди (точки - эксперимент, сплошная линия - расчет, d = 10-3 )

1 - модель непрерывного замедления

2 - метод Монте-Карло

Распределение поглощенной энергии протонов с начальной энергией Ео = 100 МэВ при прохождении через барьер из алюминия ( точки - эксперимент, сплошная линия - расчет Монте-Карло, d =10-3 )

Доза протонов КП после ослабления сферической оболочкой различной толщины ( 500 км, 28,5°, минимум )

d, г/см2	Сфера
НИИП	АР8
0,01	1,85	1,8
0,05	1,47	1,4
0,1	1,28	1,24
0,5	0,85	0,79
1,0	0,71	0,65
1,5	0,59	0,58
2,0	0,61	0,54
2,5	0,55	0,5
3,0	0,52	0,47

Доза электронов КП после ослабления защитными барьерами различной толщины ( 500 км, 90°, минимум )

d, г/см2	Сфера
НИИП	АЕ8
0,01	402	369
0,05	99,4	75,7
0,1	30,7	30,0
0,5	3,77	2,8
1,0	0,44	0,54
1,5	0,094	0,115
2,0	2,13× 10-2	2,6×10-2
2,5	5,0×10-3	7,0×10-3
3,0	2,6×10-3	2,9×10-3

Метод секторного разбиения КА

х, см ® t = r x, г/см2

 

Геометрия расчета локальных дозовых нагрузок в объеме КА

Алгоритм расчета локальной дозовой нагрузки

1  Точка детектирования А(xd,yd,zd)

2  Рассмотрим грань Z = Z1

Разбиваем плоскость на элементарные площадки.

Вклад от элементарной площадки dS

dW = dS×сosqz / R2

сos qz = (z1 – zd) / R,

Число частиц, приходящих через dS в точку А

Ф0, част/см2 - полный поток частиц в телесном угле 4p.

3 Вклад в локальную дозу в точке А от площадки dS

dD = dj × D0(L(qz))

L(qz) - массовая толщина защиты между точкой А и центром площадки dS

D0(L) - расчет методом Монте-Карло для барьерной геометрии

4 Полная доза получается в результате суммирования по всем граням параллелепипеда

Общий эскиз компоновки объекта

1. Исходная информация об ЭРИ, чувствительных к ионизационным эффектам, представляется в виде табл.1

№ п/п	Обозначение	Функциональное назначение	Фирма-производитель	Количест-во ЭРИ на 1 прибор
ЭРИ ИП
микросхемы
1	12CWQ03FN	30V 12A Schottky Common Cathode Diode in a D-Pak package диодная сборка	International Rectif	1
2	12CWQ10FN	100V 12A Schottky Common Cathode Diode in a D-Pak package диодная сборка	International Rectif	4
3	74ACT04AD	6 инверторов	Philips	2
и т. д.

2. Расчет локальных дозовых нагрузок в объеме приборов КА при воздействии электронов и протонов КП

На данном этапе проводится расчет с помощью метода Монте-Карло локальных дозовых нагрузок (ЛДН) в аппаратуре КА на основе трехмерной модели КА с учетом экранирующих свойств аппаратуры и конструктивных элементов КА. Результаты расчета представляются в виде табл. 2

Таблица 2. Локальные дозовые нагрузки на ЭРИ в составе приборов БА КИС при действии ИИ КП на ГСО, САС 12,5 лет, крад (Si)

Прибор	Протоны СКЛ (ионизация), крад (Si)	Электроны ЕРПЗ (ионизация), крад (Si)	Суммарная доза, крад (Si)
ЛА002 ДКПИ	Минимальная	1,9	1,5	3,4
Максимальная	2,9	2,0	4,9
УМ3334-10 УМ	Минимальная	1,6	0,8	2,4
Максимальная	3,2	4,8	8,0
ША946М ППУ	Минимальная	2,5	2,7	5,2
Максимальная	3,6	17,8	21,4

Рассчитанные величины ЛДН сравниваются с уровнями стойкости критичных ЭРИ, полученных из анализа опубликованных данных (табл.3). Основные источники информации:

a)  IEEE Transaction on Nuclear Science

b)  IEEE Radiation Effects Data Workchop

c)  Сайты прозводителей ИС

d)  и т. д….

Таблица 3. Параметры чувствительности ЭРИ в составе прибора ЛА002 к дозовым эффектам

№ п/п	Обозначение ИС	Стойкость к полной дозе, крад(Si)
1	74LVC4245APW	> 5
3	BTS117	15
7	ОСМ 249КП1С	~15-20
8	ОСМ 542НД5	~50
9	10MQ100NPbF	>100
и т. д.

Из сравнения представленных в табл.2 ЛДН с результатами оценок уровней стойкости ЭРИ для приборов в составе аппаратуры КА, определяются коэффициенты запаса по стойкости отдельных приборов и аппаратуры КА в целом. Для примера в табл.4 приводятся данные для прибора ЛА002.

Таблица 4. Обобщенные данные по стойкости прибора ЛА002 к дозовым эффектам

Прибор	Максимальная ЛДН, расчет, крад(Si)	Минимальная радиационная стойкость ЭРИ, крад(Si)	ЭРИ, определяющие стойкость прибора к ЛДН	Коэффициент запаса по стойкости
ЛА002	4,9	5,0	74LVC4245APW APA 1000-PQ208I SN74LVC14AD	1,02

Из полученных результатов для прибора ЛА002 следуют рекомендации:

- проведение испытаний прибора на стойкость к дозовым эффектам;

- применение дополнительной защиты прибора для увеличения коэффициента запаса по стойкости.

Аналогичные процедуры выполняются для всех приборов в составе КА.

Локальная радиационная защита ИЭТ в составе аппаратуры КА

Для снижения дозовых нагрузок на ИС в составе аппаратуры КА могут быть использованы ЛЗЭ, устанавливаемые на корпуса ИС. Массовые толщины защитных экранов (включая толщину корпуса изделия), для которых имеет смысл проводить оптимизацию весовых характеристик радиационной защиты, лежат в диапазоне до ≈ 2,0 г/см2. Поэтому применение дополнительных защитных экранов при суммарной толщине конструкционных материалов КА (включая толщины корпусов приборов и отдельных ИС) более указанной величины не приводит к заметному снижению локальных дозовых нагрузок в объеме КА.

Наиболее эффективными защитными свойствами обладают многослойные структуры и композиционные материалы, которые позволяет снизить дозовые нагрузки на элементы аппаратуры КА в несколько раз при сохранении ее массогабаритных характеристик.

Конфигурация и размеры защитных экранов должны соответствовать конфигурации и размерам стандартных корпусов ИС. С этой точки зрения более универсальной является технология нанесения защитных покрытий RAD-COAT, которая, в отличие от технологии RAD-PAK, не привязана жестко к конструкции стандартного корпуса ИС.

Ослабление дозы ИИ КП комбинированной трехслойной защитой Al – W – Al для ГСО, САС 11 лет

d, г/ см2	Электроны ЕРПЗ, рад (Si)	Протоны СКЛ, рад (Si)	Полная доза, рад (Si)	Трехслойная структура/ барьер алюминий **
0,54 * (0,08; 0,38; 0,08)	2,4 ∙ 105	4,7 ∙ 104	2,9 ∙ 105	0,22
1,08 (0,12; 0,84; 0,12)	6,18 ∙ 103	1,3 ∙ 104	1,9 ∙ 104	0,36

*) указана суммарная толщина защиты, в скобках – толщины отдельных защитных слоев (алюминий, вольфрам, алюминий)

**) отношение полной дозы за трехслойной структурой к полной дозе за алюминиевым защитным экраном с той же массовой толщиной.

Особенности применения рентгеновских аппаратов для испытаний изделий электронной техники на стойкость к дозовым ионизационным эффектам

Для проведения испытаний ЭРИ на стойкость к дозовым эффектам в последнее время наряду с мощными гамма-установками с источником Со60 ( Eγ = 1,25 МэВ) или Сs137 (Eγ = 0,66 МэВ) применяются рентгеновские аппараты типа МИРА, ВИРА, РАП с энергией РИ в диапазоне от 10 до 300 кэВ. Ниже рассматриваются особенности применения рентгеновских аппаратов в сравнении с изотопными гамма-установками, связанные, в первую, очередь с различиями в энергетических спектрах фотонного излучения.

Основная проблема, возникающая при планировании и интерпретации результатов испытаний на источниках рентгеновского излучения (РИ) - определение поглощенной энергии в чувствительном объеме ЭРИ при заданной геометрии ЭРИ и характеристиках РИ. Наиболее общий и корректный подход основан на использовании в качестве указанных характеристик результатов аттестации полей РИ в единицах экспозиционной дозы, Р, и информации об энергетическом спектре РИ.

Энергетическая зависимость чувствительности ионизационной камеры БМК-06

Переход от экспозиционной дозы, Р, к поглощенной энергии в материале чувствительного объема ЭРИ при выполнении условий электронного равновесия

Монолиния Е0

K рад(х)/Р =

Непрерывный спектр

K

Основные параметры аппарата РАП 300-5

Максимальное напряжение на аноде Ua составляет 300 кВ. Пределы регулирования Ua от 70 до 300 кВ через 1 кВ.

Максимальный средний ток анода Ia составляет 4,5 мА. Ia регулируется дискретно через 0,1 мА.

Мощность экспозиционной дозы при Ua = 300 кВ и Ia = 4,0 мА на расстоянии 1 м от выходного окна не менее 0,2 Р/с.

Спектры рентгеновского излучения РАП

Ua = 80 кВ

Ua = 150 кВ

Ua = 300 кВ

Энергетические спектры РИ могут быть рассчитаны методом Монте-Карло при известной геометрии мишени рентгеновского аппарата и напряжении Ua и дополнительно уточнены с помощью метода поглощения РИ в геометрии узкого пучка

Структура ИС CОЗУ 1635РУ1Т

 

 

Схематическая диаграмма, иллюстрирующая эффект усиления дозы в тонком слое окисла SiO2 (Eg=100кэВ): сплошная линия – равновесная доза;

пунктирная линия – расчет по методу Монте-Карло

Расчетная зависимость отношения плотности поглощенной энергии в чувствительном слое SiO2 КМОП ИС ( корпус - ковар толщиной 100 мкм ), рад(SiO2), к экспозиционной дозе, Р, от энергии фотонов:

1 - расчет для условий электронного равновесия ;

2 - расчет с учетом реальной структуры ИС ( в диапазоне Е > 100 кэВ перед корпусом размещался дополнительный слой алюминия толщиной 2 мм );

3 - корпус – алюминий: в диапазоне Е > 300 кэВ - 2 мм, для Е < 300 кэВ - 1 мм

4 - корпус – пластмасса толщиной 1 мм ( в диапазоне Е > 300 кэВ перед корпусом размещался дополнительный слой алюминия толщиной 1 мм );

Коэффициенты перехода от экспозиционной дозы к плотности поглощенной энергии рентгеновского излучения в чувствительном объеме ИС, рад (SiO2)/P

Граничная энергия РИ, кэВ	Условия электронного равновесия	Корпус ИС
Ковар, 100 мкм	Алюминий, 1 мм	Пластмасса, 1 мм
80 150 300	4,0 3,0 2,1	8,0 8,0 7,2	4,6 3,1 2,5	3,9 2,7 2,0

Эксперимент: облучение мощного МОПТ IRF-450 на аппарате РАП-300 и установке ГУ-200 со стороны крышки ( 0,4 мм медь) и фланец ( 1,5 мм медь)

Эффекты влияния удельных потерь энергии заряженных частиц и электрического поля в окисле МОП-приборов на выход свободных носителей заряда

Выводы

Разработанное в настоящее время методическое обеспечение и экспериментальная база позволяют проводить испытания и прогнозировать стойкость ЭРИ к дозовым эффектам в заданных условиях космического пространства.

Основные моделирующие установки с изотопным источником Со60 - ГУ-200 и Гамма-РИД (»)

Преимущества изотопных гамма-установок Со60 или Сs137 перед рентгеновскими источниками при проведении массовых испытаний ЭРИ:

- стандартизованные методы аттестации и дозиметрии при проведении испытаний;

- практическое отсутствие эффектов усиления дозы, влияния корпуса и структуры ЭРИ;

- минимальная погрешность определения поглощенной энергии в чувствительном объеме ЭРИ;

- минимальное влияние электрического режима ЭРИ (электрического поля в чувствительном объеме) на выход e-h пар в окислах МОП-структур;

- возможности исследований эффектов низкой интенсивности в широком диапазоне мощностей доз и температур.

Рентгеновские источники, в принципе, могут использоваться для испытаний ЭРИ, только после полной метрологической аттестации и надлежащего учета эффектов низкоэнергетического рентгеновского излучения (выход свободных дырок, усиление дозы, неравномерность распределения поглощенного заряда)