2 с - kosrad.ru

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
Вид
Излучения
Состав
ГКЛ
Протоны
- 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
Энергия
частиц,
МэВ
Плотность потока,
м-2с-1
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 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
Прибор
А
Технология
ИЭТ
Функциональное
назначение
MC74ACT14D
Триггер
КМОП
104
5∙ 108
LM2931CM
Стабилизатор
напряжения
биполярная
5·104
4∙ 107
MAX791ESA
Супервизор питания
КМОП
6·103
4∙ 107
КМОП
6·103
4∙ 107
биполярная
5·104
4∙ 107
MAX931ESA
С
142ЕН5А
Компаратор
микромощный
Стабилизатор
напряжения
Доза
отк
аза
D, крад
(Si)
Порог
сбоев
Р,
рад(Si/
с)
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
Метод Монте-Карло в барьерной геометрии
2,0
D(z), î òí .åä.
1,5
1,0
2
0,5
1
0,0
70
75
80
85
90
95
100
z, ã/ñì 2
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
60
Äî çà, î òí .åä.
50
40
30
20
10
0
0
2
4
6
8
10
12
Òî ëù èí à, ã/ñì 2
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 )
d,
г/см2
0,01
0,05
0,1
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
НИИП
1,85
1,47
1,28
0,85
0,71
0,59
0,61
0,55
0,52
Сфера
АР8
1,8
1,4
1,24
0,79
0,65
0,58
0,54
0,5
0,47
Доза электронов КП после ослабления
защитными барьерами различной толщины
( 500 км, 90, минимум )
d,
г/см2
0,01
0,05
0,1
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Сфера
НИИП
402
99,4
30,7
3,77
0,44
0,094
2,13 10-2
5,010-3
2,610-3
АЕ8
369
75,7
30,0
2,8
0,54
0,115
2,610-2
7,010-3
2,910-3
Метод секторного разбиения КА
3
2
е, р
1
КА
x, . z
х, см  t = x, г/см2
θZ
x,y,z
dS
Z1
A(Xd,Yd,Zd)
Y1
O
X1
Геометрия расчёта 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
d = dSсosz / R2
сos z = (z1 – zd) / R,
R  ( x  x d ) 2  ( y  yd ) 2  ( z  z d ) 2
Число частиц, приходящих через
dS в точку
А
d 
Ф0
 d,
4
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
Общий эскиз компоновки объекта
Труба 0,27г/
см**2
Б2
20
00
Б4
Д=1500
1600
2000
А2
А4
Y
1050
X
>>1
Z
1600
А 0 (0,8 гр/
см**2)
Б 5 (0,4 гр/см**2)
А 2; А 4; Б 2; Б 4панели с
аппаратурой
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
Одиночные, мягкие
cбои ( SEU)
Потеря информации
в ячейках памяти
Множественные
сбои (MBU)
Потеря информации
в нескольких
ячейках
Переходные
процессы (SET)
Импульсный отклик
определенной
амплитуды и
длительности
Необратимые
изменения в ячейках
памяти
Катастрофические,
жесткие ошибки
(SHE)
Защелка (SEL),
прокол (SESB)
Условия генерации
высоких токов в
структуре ИС
Пробой подзатворного Необратимые
окисла (SEGR),
повреждения в
вторичный пробой
структуре ИС
(SEB)
Элементы РЭА
ОЗУ
ОЗУ
Аналоговые
ИС
ОЗУ
КМОП ИС
Мощные
МОПТ
Методы прогнозирования
чувствительности 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,  
а) Ионы
число событий
, см 2
флюенс частиц
1e-1
í àñ
1e-2
ñì
2
1e-3
1e-4
1e-5
1e-6
Lî ð
1e-7
1e-8
0
20
40
60
80
100
Ì ýÂ.ñì 2/ì ã

L() =
L(=0o)

/ cos

   нас 1  exp  L  Lо  / W  , L  L0
а
() = N / Ф cos
в
с
Функция Вейбулла
S
б) Протоны
í àñ
, Ì ýÂ
1e-6
1e-7
1e-8
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Å, Ì ýÂ
Аппроксимация Бендела
14
  10
12
Y



В
  1  ехр 0,18 Y ,
 А
18
E  A
A
Прогноз вероятности сбоев в условиях КП
а) Ионы
б) Протоны

dФ 

Р  1  ехр    L 
dL
 L

dL
 пор


dФ( Е ) 

Р  1  ехр    Е 
dЕ
 Е

dЕ
 пор

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

dФ 

Р  1  ехр    L 
dL
 L

dL
 пор

в изотропном поле ТЗЧ
  0.25S0   ( L) PX ( D( L)) dL,
Lmin
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

dФ( Е ) 

Р  1  ехр    Е 
dЕ
 Е

dЕ
 пор

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, ИТЭФ
Е = 9 ГэВ, Fe, ЛПЭ до 30МэВ·см2/мг
Ускорители протонов
ИФВЭ, г. Протвино
ИТЭФ, г. Москва
ПИЯФ, г. С. Петербург
Е =70…100 МэВ
Е =70…500 МэВ
Е 1000 МэВ
40
35
ЛПЭ, Мэв. см2/мг
30
25
20
LET=f(T), Fe in C-O-Si
15
10
5
0
100
1000
Е, МэВ
Зависимость ЛПЭ ионов железа в SiO2 от энергии
R,мкм
1000
100
100
1000
Е, МэВ
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, Motor
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:
РЭА
Emax
 Lmax

  ni    i ( L)ТЗЧ ( L)dL    i ( E ) p ( E )dE  (1)
L

1
Eth
 th

n
SEU
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-1М
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.
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

Т
n
РЭА


  ni  sat,i FТЗЧ ( Lth )   sat, p F p ( E  Eth ) (2)
i 1
Здесь σsat,i и σp,sat - величины сечения насыщения сбоев для ионов и протонов соответст
а FТЗЧ(≥Lth) и Fp(E≥Eth) соответственно, интегральный флюенсы ТЗЧ и протонов для порого
значений ЛПЭ и энергии протонов.
Вероятность возникновения катастрофического отказа (типа SEL, SEB, SEGR)
определяется по формуле:

К
P  1  exp   РЭА
t

(3)
где νКРЭА – 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).
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