Методические основы радиационных испытаний Основные этапы обеспечения радиационной

Методические основы радиационных испытаний Основные этапы обеспечения радиационной стойкости аппаратуры космических объектов В. Ф. Зинченко, д. ф. -м. н. , доцент, ФГУП «НИИП»

Радиационные условия КП Вид Излучения Состав Энергия частиц, Мэ. В Плотность потока, м-2 с-1 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

Классификация типовых орбит полета КА для установления требований по стойкости РЭА КА по ЭОС Тип частиц Диапазоны высот типовых орбит, км < 600 – 1200 – 6000 – 10000 >10000 ГСО ВЭО Высоты, км, для которых устанавливаются спектры ЗЧ СКЛ 3000 ГСО ГСО ГКЛ 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 MC 74 ACT 14 D Триггер КМОП 104 5∙ 108 LM 2931 CM Стабилизатор напряжения биполярная 5· 104 4∙ 107 MAX 791 ESA А Технология ИЭТ Функциональное назначение Супервизор питания КМОП 6· 103 4∙ 107 биполярная 5· 104 4∙ 107 MAX 931 ESA С 142 ЕН 5 А 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 W 5013, 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 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 – 3 D, PROTON – 3 D

Метод Монте-Карло в барьерной геометрии Распределение поглощенной энергии протонов с начальной энергией Ео = 338 Мэ. В при прохождении через барьер из меди (точки - эксперимент, сплошная линия - расчет, = 10 -3 ) 1 - модель непрерывного замедления 2 - метод Монте-Карло

Распределение поглощенной энергии протонов с начальной энергией Ео = 100 Мэ. В 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 )

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

Метод секторного разбиения КА 3 2 е, р 1 КА x, . z х, см t = x, г/см 2

θZ x, y, z d. S Z 1 A(Xd, Yd, Zd) Y 1 O X 1 Геометрия расчёта локальных дозовых нагрузок в объеме КА

Алгоритм расчета локальной дозовой нагрузки 1. Точка детектирования А(xd, yd, zd) 2. Рассмотрим грань Z = Z 1 Разбиваем плоскость на элементарные площадки. Вклад от элементарной площадки d. S d = d. S сos z / R 2 сos z = (z 1 – zd) / R, Число частиц, приходящих через d. S в точку А Ф 0, част/см 2 - полный поток частиц в телесном угле 4. 3 Вклад в локальную дозу в точке А от площадки d. S d. D = d D 0(L( z)) L( z) - массовая толщина защиты между точкой А и центром площадки d. S D 0(L) - расчет методом Монте-Карло для барьерной геометрии 4 Полная доза получается в результате суммирования по всем граням параллелепипеда

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

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 L( ) = L( =0 o) / cos а ( ) = N / Ф cos в с Функция Вейбулла

б) Протоны Аппроксимация Бендела Прогноз вероятности сбоев в условиях КП а) Ионы б) Протоны

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 в изотропном поле ТЗЧ 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

Моделирующие установки Ускорители тяжелых ионов U - 400, U - 400 М, ОИЯИ, г. Дубна E = 50… 1600 Мэ. В z = 3… 54 ЛПЭ 0, 3… 60 Мэ. В·см 2/мг Ускоритель У-10, ИТЭФ Е = 9 Гэ. В, Fe, ЛПЭ до 30 Мэ. В·см 2/мг Ускорители протонов ИФВЭ, г. Протвино ИТЭФ, г. Москва ПИЯФ, г. С. Петербург Е =70… 100 Мэ. В Е =70… 500 Мэ. В Е 1000 Мэ. В

Зависимость ЛПЭ ионов железа в Si. O 2 от энергии

Зависимость пробега ионов железа в Si. O 2 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: (1) 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-2 сек-1 Мэ. В-1 см-2 мг; φр(Е) – дифференциальный энергетический спектр плотности потока протонов, част·см-2 сек-1 М Lth – пороговое значение ЛПЭ, при котором возникают SEU, Мэ. Всм 2 мг-1; Еth – пороговая энергия протонов, при котором возникают SEU, Мэ. В; Lmax – максимальные ЛПЭ в спектре ТЗЧ, Мэ. Всм 2 мг-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 (2) 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: (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/см 2 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 2, 50 2, 23 2, 05 10 – 12 0, 76 2, 12 1, 25 1, 67 12 – 14 0, 67 1, 00 0, 88 1, 70 14 – 16 0, 47 1, 20 1, 09 1, 16 16 – 20 2, 07 1, 54 1, 90 0, 84 20 – 30 2, 07 2, 33 1, 61 30 – 40 0, 69 1, 43 1, 20 0, 67 40 – 50 0, 47 0, 31 0, 47 50 - 75 0, 05 0, 04 0, 09 0, 41