Методические основы радиационных испытаний

Основные этапы обеспечения радиационной стойкости аппаратуры космических объектов

В.Ф.Зинченко, д.ф.-м.н., доцент, ФГУП «НИИП»

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 и характеристик тяжелых заряженных частиц 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 и эффектам одиночных событий.

Радиационные условия КП

ВидИзлучения

Состав Энергия частиц,

МэВ

Плотность потока,м-2с-1

ГКЛ Протоны - частицы

Тяжелые ионы102…1015

1,5104

1,0103

1,2101

СКЛ ПротоныТяжелые ионы

1…104

1…106

107…108

106

ЕРПЗ Протоны 1…3030

31011

2108

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

Тип Тип частицчастиц

Диапазоны высот типовых орбит, кмДиапазоны высот типовых орбит, км

< 600< 600 600 – 600 – 12001200

1200 – 1200 – 60006000

6000 – 6000 – 1000010000

>10000>10000 ГСОГСО ВЭОВЭО

Высоты, км, для которых устанавливаются спектры ЗЧВысоты, км, для которых устанавливаются спектры ЗЧ

СКЛСКЛ 30003000 30003000 30003000 ГСОГСО ГСОГСО ГСОГСО ГСОГСО

ГКЛГКЛ ГСОГСО ГСОГСО ГСОГСО ГСОГСО ГСОГСО ГСОГСО ГСОГСО

ЕРПЗЕРПЗ 600600 12001200 30003000 60006000 -- -- --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 Громова О.Г.,

Лукъященко В.И., Панасюка М.И., 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. И.В. Гецелев, А.И. Зубарев, О.П. Пудовкин. Радиационная обстановка на борту космических аппаратов. ЦИПК, 2001

Ионизационные ( дозовые ) эффекты

Уровни стойкости ИЭТ в составе РЭА к дозовым эффектам

ПриборПрибор ИЭТИЭТ

Функциональное Функциональное назначениеназначение

ТехнологияТехнология Доза Доза откотказааза

DD, крад , крад ((SiSi))

Порог Порог сбоев сбоев

Р, Р, рад(рад(SiSi//

с)с)

АА MCMC7474ACTACT1414DD ТриггерТриггер КМОПКМОП 101044 5∙ 105∙ 1088

LMLM29312931CMCM Стабилизатор Стабилизатор напряжениянапряжения

биполярнаябиполярная 5·105·1044 4∙ 104∙ 1077

MAXMAX791791ESAESA Супервизор питанияСупервизор питания КМОПКМОП 6·106·1033 4∙ 104∙ 1077

СС

MAXMAX931931ESAESA Компаратор Компаратор микромощныймикромощный

КМОПКМОП 6·106·1033 4∙ 104∙ 1077

142ЕН5А142ЕН5А СтабилизаторСтабилизаторнапряжениянапряжения

биполярнаябиполярная 5·105·1044 4∙ 104∙ 1077

Схема расчёта дозовых нагрузок на критические элементы аппаратуры КА

ИИ КП,e(Ee, , , t), p(Ep, , , t)

Корпус КА

Отдельные блоки(корпус блока, экранировка

окружающими блоками)

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 посекторного разбиения + метод Монте-Карло

Программы ELECTRON – 3D, PROTON – 3D

z, ã/ñì 2

70 75 80 85 90 95 100

D(z

), î

òí.å

ä.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2

1

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, = 10-3 ) 1 - модель непрерывного замедления 2 - метод Монте-Карло

Òî ëù èí à, ã/ñì 2

0 2 4 6 8 10 12

Äî

çà

, î

òí.å

ä.

0

10

20

30

40

50

60

Распределение поглощенной энергии протонов с начальной энергией Ео = 100 МэВ при прохождении через барьер из алюминия

( точки - эксперимент , сплошная линия - расчет Монте-Карло, =10-3 )

Доза протонов КП после ослабления сферической оболочкой различной толщины ( 500 км, 28,50 , минимум )

Сфера d, г/см2

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 )

Сфера d, г/см2

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 2,610-2 2,5 5,010-3 7,010-3 3,0 2,610-3 2,910-3

1

23

x, . zКА

е, р

Метод секторного разбиения КА

х, см t = x, г/см2

dS

A(Xd,Yd,Zd)

Z1

Y1

O X1

x,y,z

θZ

Геометрия расчёта локальных дозовых нагрузок в объеме КА

222 )()()( ddd zzyyxxR

,4

0 dФ

d

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 d = dSсosz / R

2

сos z = (z1 – zd) / R,

Число частиц, приходящих через dS в точку А

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

3 Вклад в локальную дозу в точке А от площадки dS

dD = d D0(L(z))

L(z) - 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

Б 4

А 4

10

50

16

00

2000Д=1500

X

Z

1600>>

1

Б 2

А 2

А 2; А 4; Б 2; Б 4-панели с аппаратурой

А 0 (0,8 гр/см**2)

Б 5 (0,4 гр/см**2)Труба 0,27г/

см**2

Общий эскиз компоновки объекта

Локальные дозовые нагрузки, рад(Si), ВЭО, 7 лет

Номер точки

Протоны ЕРПЗ Электроны ЕРПЗ

Протоны СКЛ

Полная доза

87 8192 647 816 9655

94 6493 163 575 7231

91 5110 117 412 5639

186(4) 6974 403 671 8048

98 6601 165 584 7350

95 5232 119 420 5771

114 6535 192 597 7324

167 4767 104 367 5238

165 5828 145 507 6480

186(3) 5420 133 471 6124

187(1) 3903 83 301 4287

24 7429 554 700 8683

114 7347 557 716 8620

159 9639 9926 1092 20657

Результаты расчета используются для: планирования испытаний ИЭТ; определения норм испытаний; оптимизации компоновки приборов в объеме

КА

Эффекты одиночных событий

Эффект

Признаки Элементы РЭА

Одиночные, мягкие cбои ( SEU)

Потеря информации в ячейках памяти

ОЗУ

Множественные сбои (MBU)

Потеря информации в нескольких ячейках

ОЗУ

Переходные процессы (SET)

Импульсный отклик определенной амплитуды и длительности

Аналоговые ИС

Катастрофические, жесткие ошибки (SHE)

Необратимые изменения в ячейках памяти

ОЗУ

Защелка (SEL), прокол (SESB)

Условия генерации высоких токов в структуре ИС

КМОП ИС

Пробой подзатворного окисла (SEGR), вторичный пробой (SEB)

Необратимые повреждения в структуре ИС

Мощные МОПТ

Методы прогнозированиячувствительности приборов к эффектам одиночных событий

Модель прямоугольного параллелепипеда (RPP)

а) Тяжелые заряженные ионы

E,Z

b

a

c

б) Протоны (ядерные реакции)

Р

Р

Параметры чувствительности приборов к эффектам одиночных событий

Сечение эффекта, 2, смчастицфлюенс

событийчисло

а) Ионы

Ì ýÂ.ñì 2/ì ã

0 20 40 60 80 100

ñ

ì2

1e-8

1e-7

1e-6

1e-5

1e-4

1e-3

1e-2

1e-1

í àñ

Lî ð

в

а

с

L() = L(=0o) / cos

() = N / Ф cos

Функция Вейбулла

0,/exp1 LLWLL Sонас

Å, Ì ýÂ

0 10 20 30 40 50 60 70 80

, Ì

ýÂ

1e-8

1e-7

1e-6

í àñ

б) Протоны

Аппроксимация Бендела

AEA

Y

YехрА

В

18

,18,011014

12

Прогноз вероятности сбоев в условиях КП

а) Ионы

порL

dLdL

dФехрР L1

б) Протоны

порЕ

dЕdЕ

ЕdФехрР

)(Е1

Основные подходы к прогнозированию ЭОС в ИЭТ при длительной эксплуатации в условиях КП

1. Оценить потенциальную устойчивость ИЭТ к ЭОС

2. Получить консервативную оценку вероятности возникновения ЭОС

3. Выдать уточненный прогноз вероятности возникновения ЭОС в реальных условиях КП (энергетические характеристики протонов, ЛПЭ-спектры ТЗЧ, плотность потока частиц)

Прогноз вероятности сбоев в условиях КП

Вероятность возникновения ЭОС за время Т можно представить в виде

Рсб = 1 - exp( -T )

а) Ионы

Если чувствительный объем можно считать тонким слоем

порL

dLdL

dФехрР L1

в изотропном поле ТЗЧ

min

,))(()(25.0 0 L X dLLDPLS PX(D>(L)) - вероятность того, что ТЗЧ с ЛПЭ, равными L, имеют длину

хорд при пересечении ЧО больше, чем D(L) = Eпор /L.

б) Протоны

порЕ

dЕdЕ

ЕdФехрР

)(Е1

Моделирующие установки Ускорители тяжелых ионов

U - 400, U - 400М, ОИЯИ, г. Дубна

E = 50…1600 МэВ z = 3…54 ЛПЭ 0,3…60 МэВ·см2/мг

Ускоритель У-10, ИТЭФЕ = 9 ГэВ, Fe, ЛПЭ до 30МэВ·см2/мг

Ускорители протонов

ИФВЭ, г. Протвино Е =70…100 МэВ ИТЭФ, г. Москва Е =70…500 МэВ

ПИЯФ, г. С. Петербург Е 1000 МэВ

Е, МэВ

100 1000

ЛП

Э, М

эв. с

м2/

мг

0

5

10

15

20

25

30

35

40

LET=f(T), Fe in C-O-Si

Зависимость ЛПЭ ионов железа в SiO2 от энергии

Е, МэВ

100 1000

R,м

км

100

1000

Зависимость пробега ионов железа в SiO2 от энергии

Основные источники информации по характеристикам ЭОС

Зависимости сечений ЭОС от ЛПЭ и энергии протонов, пороговые ЛПЭ для ТЗЧ и пороговые энергии для протонов, сечения насыщения ЭОС

1 IEEE Radiation Effect Data Workshop – справочные данные, публикуемые в трудах ежегодной международной конференции IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Conference (NSREC). С 1992 г. приводятся данные более чем для 4000 ИС 2 Труды NSREC в журнале IEEE Transactions on Nuclear Science

3 Труды ежегодной европейской конференции по радиационным эффектам в электронных компонентах и системах(RADECS).

4 Материалы, опубликованные на сайтах ведущих фирм – производителей ИС: Intel, Motorola,

Actel, Xilinx и т.д.

5 Материалы на сайтах американских исследовательских организаций и лабораторий, связанных с космическими исследованиями: Sandia National Laboratory, NRL (Nortrop Research Laboratory), JPL (Jet Propulsion Laboratory), NASA Goddart Space Flight Center, Boeing Radiation Effects Lab., Aerospace Corporation и

т.д.

6 Статьи в журнале ВАНТ (Вопросы Атомной Науки и Техники), серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру.

Вычисление параметров ЭОС

Частота сбоев в РЭА νРЭАSEU за счет мягких сбоев типа SEU, SET под

воздействием ТЗЧ и протонов КП определяется выражением:

max max

1

( ) ( ) ( ) ( )th th

L EnSEU

РЭА i i ТЗЧ i p

L E

n L L dL E E dE

σi(L), σi(Е) – зависимости сечений сбоев ИС i- того типа от ЛПЭ ионов и энергии протонов,

соответственно ;φТЗЧ(L) – дифференциальный ЛПЭ спектр плотности потока ТЗЧ,

част·см-2сек-1МэВ-1см-2мг;φр(Е) – дифференциальный энергетический спектр плотности потока протонов, част·см-2сек-

1МэВ-1;Lth – пороговое значение ЛПЭ, при котором возникают SEU, МэВсм2мг-1;

Еth – пороговая энергия протонов, при котором возникают SEU, МэВ;

Lmax – максимальные ЛПЭ в спектре ТЗЧ, МэВсм2мг-1;

Emax – максимальная энергия протонов в спектре протонов;

ni – число одинаковых ИС входящих в РЭА;

n – число различных ИС, примененных в РЭА.

(1)

n

ithppsatthТЗЧisatiРЭА

Т EEFLFn1

,, )()(

tP КРЭА exp1

При отсутствии информации о реальных зависимостях σi(L) и σi(Е), обычно

используются взятые из литературы величины Lth , Еth, σsat. В этом случае (1) сводится к выражению

вида:

Здесь σsat,i и σp,sat - величины сечения насыщения сбоев для ионов и протонов

соответственно, а FТЗЧ(≥Lth) и Fp(E≥Eth) соответственно, интегральный флюенсы ТЗЧ и протонов для пороговых

значений ЛПЭ и энергии протонов.

Вероятность возникновения катастрофического отказа (типа SEL, SEB, SEGR) определяется по формуле:

где νК

РЭА – частота возникновения катастрофических отказов,

t – время, в течение которого РЭА находится во включенном состоянии в ходе полета КА.

Величина νКРЭА вычисляется по формуле, аналогичной (2).

(2)

(3)

Защищенность приборов в составе КА, средняя зона

Толщина защиты,

г/см2

Телесный угол, стерадиан

№ 1 № 2 № 3 № 4 № 5

2 – 4 0,46 0 0 0,03 0

4 – 6 1,143 0 0 0,60 0

6 – 8 2,05 0 0,34 0,48 1,42

8 – 10 1,16 1,16 2,50 2,23 2,05

10 – 12 0,76 0,76 2,12 1,25 1,67

12 – 14 0,67 0,67 1,00 0,88 1,70

14 – 16 0,47 0,47 1,20 1,09 1,16

16 – 20 2,07 2,07 1,54 1,90 0,84

20 – 30 2,30 2,30 2,07 2,33 1,61

30 – 40 0,69 0,69 1,43 1,20 0,67

40 – 50 0,47 0,47 0,31 0,47 0,47

50 - 75 0,05 0,05 0,04 0,09 0,41