ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2008, том 72, № 7, с. 1031-1034
УДК 621.382:539.12.04
ОСОБЕННОСТИ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА НА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ С ДЛИТЕЛЬНЫМ СРОКОМ АКТИВНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
© 2008 г. М. В. Анохин, В. И. Галкин, М. Б. Добриян, А. Е. Дубов, А. К. Малков
СКВ космического приборостроения Института космических исследований ИКИ РАН, Таруса
E-mail: anokhin@skbkp.tarusa.ru
Ибо надлежит быть и разномыслиям между вами, дабы открылись между вами искусные.
(1 Посл. к коринфянам 11:19)
Несмотря на привлечение значительных сил и средств к обеспечению радиационной стойкости космической аппаратуры, срок активного функционирования космических приборов и бортовой астрофизической аппаратуры в значительной степени ограничивается воздействием ионизирующего излучения космического пространства. Это приводит к необходимости уточнять методики, применяемые при прогнозировании радиационной стойкости, усовершенствовать способы мониторирования радиационных полей на космических аппаратах и находить более эффективные способы радиационной защиты электронных компонентов.
В публикациях последних лет активно обсуждаются критерии, характеризующие радиационную стойкость сверхбольших интегральных схем (СБИС), широко применяемых в бортовой аппаратуре, и особенно стойкость относительно одиночных сбоев и катастрофических отказов. Выбор показателей стойкости - это эволюционный процесс. Он связан и с проблемой надежности прогнозирования сроков активного функционирования электроники на конкретных рабочих орбитах, часто значительно различающихся по радиационным условиям, и с проблемой соответствия радиационных полей установок для наземных испытаний электронных компонент радиационным полям, возникающим в функционально значимом рабочем объеме кристалла полупроводника этих компонент в штатных условиях полета космического аппарата. Для корректного выбора показателей стойкости необходимо учитывать влияние значительного числа различных факторов.
В условиях низкоинтенсивного радиационного поля одни электронные компоненты проявляют повышенную стойкость (5-10 раз), другие - заметно пониженную (до 3 раз) [1].
При внешних идентичных условиях, отдельные электронные компоненты одного типа и даже одной партии часто имеют значительный разброс по радиационной стойкости. Кроме того, на одном космическом аппарате радиационные условия могут различаться весьма существенно.
Часто на принятие научно-технических решений влияют экономические факторы: стоимость и сроки разработки и производства радиационно-
стойких электронных компонент, их аттестации и т.д.
В данной работе авторы исходят из представления, которое можно назвать вероятностно-микродозиметрическим подходом в отличие от широко распространенного дозового подхода, в рамках которого вероятность радиационного отказа описывается экспоненциальной функцией поглощенной дозы.
Для малых объемов материалов, покрытий и пленок (1 мкм3 и менее) флуктуация поглощенной энергии может значительно превосходить ее среднее значение. В этом случае сопоставление вероятности радиационно-индуцированного эффекта с поглощенной дозой принципиально не является однозначным. Радиобиологи давно обнаружили, что при облучении биологической ткани нейтронами с энергией 1-5 МэВ при дозе 10-2 Гр в 0.1% хромосом поглощенная энергия соответствует дозе порядка 10 Гр. Подобные флуктуации имеют место и в электронных компонентах, имеющих субмикронную структуру функциональных элементов, и находящихся в сложном радиационном поле. Анализ радиационно-индуцированных эффектов в микрообъемах - это задача микродозиметрии, а поскольку размеры функционально значимых элементов современных СБИС становятся менее микрона, попытки привлечь аппарат микродозиметрии все чаще встречается в публикациях.
Пространственная флюктуация энергии, выделяемой ионизирующей частицей в веществе, определяется прежде всего областью диссипации энергии вдоль треков прохождения частиц. Диаметр
трубки, ограничивающей область диссипации энергии в кремнии, порядка 10 нм. Поглощенная доза в пределах такой трубки при прохождении протона достигает 1 Мрад, при прохождении иона Бе - превышает 1 Град [2, 3].
Диссипация энергии, переданной заряженными частицами атомам среды за счет упругих столкновений [4], происходит на большем расстоянии от их траектории. Для протонов энергией 50-1000 МэВ радиус, видимо, составляет единицы микрон. Следовательно, и сбои, определяемые эффектами смещения, будут определяться взаимодействиями на подобных расстояниях.
Поведение бортовой электроники при длительном воздействии космического ионизирующего излучения низкой интенсивности также не может быть описано в рамках дозового подхода. Электроника космического аппарата за несколько лет получает полную дозу в несколько десятков, на опасных орбитах - несколько сотен Крад, в то время как перед остановкой тяжелых ионов (в зоне пика Брэгга) доза может превышать десятки Град.
В настоящей работе рассматривается методика, которую можно назвать вероятностно-микродозиметрической, и которая, в свете сказанного, включает в себя следующие составные элементы.
1. Необходимо ввести в применение простой и эффективный прибор для контроля микродозиметрических параметров радиационной обстановки в космических аппаратах. Такой прибор должен измерять не только потоки частиц, но и спектры линейной передачи энергии (ЛПЭ) для всех частиц, составляющих довольно изменчивое во времени радиационное поле в районе нахождения функционально значимого микрообъема электронного элемента. Связь спектров ЛПЭ с частотой одиночных сбоев и катастрофических отказов для наиболее важных электронных компонент неплохо изучается при их разработке и от нее прямо зависит вероятность отказов микросхем бортовой аппаратуры. Поскольку такой прибор должен значительно отличаться по функциям от дозиметра, его правильнее бы называть микропиктометром - прибором, рисующим пространственное распределение ионизованных зон в электронном элементе.
2. Необходимо для наземных испытаний электронных компонент, предназначенных к применению в астрофизической аппаратуре, использовать радиационные поля, спектры ЛПЭ которых соответствуют таким же спектрам при работе в штатных условиях на конкретных орбитах. Монитором при таких испытаниях также должен служить мик-ропиктометр.
3. Для проектирования локальной радиационной защиты целесообразно подбирать ее параметры таким образом, чтобы в функционально значимом объеме минимизировать частоту событий с
ЛПЭ, превышающей порог возникновения отказа определенного типа.
4. В качестве основного параметра, отражающего радиационную стойкость электронных компонентов, целесообразно взять отношение частоты отказов определенного типа к частоте возникновения событий с ЛПЭ в определенном интервале значений.
Вероятностно-микродозиметрический подход совмещает представление о вероятностном характере воздействия ионизирующих излучений на чувствительную область полупроводниковых элементов с возможностью анализа причинно-следственных связей между элементарными взаимодействиями и различными видами сбоев.
Если предположить, что вероятность Р(г) безотказной работы прибора убывает со временем за счет члена, пропорционального текущей средней частоте сбоев \"(0, и за счет дополнительного члена, пропорционального среднему числу сбоев, произошедшему к текущему моменту времени, то изменение вероятности запишется как
йР = -Р( г)
г) + а|у(т) йт
йг,
(1)
а вероятность примет вид
Р (г) = Р( 0) ехр (у(т) + аф(т))йт
где
(2)
ф( г) = ^(т) йт.
(3)
Средняя частота радиационных сбоев в приборе от потока Ег (б, Е, г) первичных частиц типа г в момент времени г
г(г) = |йб|dS | йЕ^(б, Е, г)
х
2п S Е„
(4)
х | w¡(б, Е, г)ю(е)йе,
где б - направление первичной частицы; Е - ее энергия; е - ЛПЭ, производимая частицей;
w¡(б, Е, г) - спектр ЛПЭ, создаваемый частицей
типа г с энергией Е, летящей в направлении б; ю(е) -вероятность одиночного сбоя любого типа в ответ на появление ЛПЭ у величины е. Первый интеграл в (4) берется по полусфере входящих частиц, а вто-
0
0
Е
V
е
е
ОСОБЕННОСТИ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА НА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ 1033
рой - по поверхности прибора. Если обозначить спектр ЛПЭ, создаваемый в приборе потоком
F; (б, E, t) через
E
max
Ф;(£) = J d0JdS J dEF;(0, E, t)W;(0, E, t), (5)
2 П S Emin
то (4) можно переписать в виде
р
max
v;(t) = J Ф;(е)ю(е)de. (6)
р
*-m;n
Аналогично (6) суммарная средняя частота радиационных сбоев в приборе от потоков первичных частиц всех типов в момент времени t составит
v( t) =
E e
max max
= Х J dQJdS J dEF;(0, E, t) J w;(0, E, t)ffl(e)de =
; 2n S Emn Pmin (7)
Рис. 1. Картина рассеяния тяжелой частицы на ядре кремния, полученная с помощью ПЗС "ЛЕВ" на космическом аппарате ЯМАЛ-100 с системой звездной ориентации БОКЗ на геостационарной орбите. Солнечная вспышка лета 2000 г.
= J Ф(е)ю(е)de,
где
Ф(£) = ¿0]"dS | dEF¡(в, Е, г)^(0, Е, г). (8)
Этот спектр может быть оценен на основании показаний бц(£) микропиктометра, расположенного в окрестности прибора, поскольку
ец(е) = к Фц(е), (9)
где к - калибровочный коэффициент, а Фц(е) -спектр ЛПЭ, создаваемый в микропиктометре теми же потоками первичных частиц:
Ф(е) = («S)n
Qn(e)
(10)
'прк (О 5)/
Здесь (Ш)пр - геометрический фактор прибора, (О5)ц - геометрический фактор микропиктометра.
В предположении независимости радиационных сбоев и сбоев по другим причинам вероятность безотказной работы прибора в течение времени г от начала эксплуатации (момент времени г = = 0) может быть записан в виде
P(t) = РЖрад(0 Ррад(0)ехр
-J(v(T) + аф(т)) dT
, (11)
где v(t) и ф(0 выражены через формулы (3), (7), (8) и (10).
Рис. 2. Картина сложных последовательных процессов с локальным выделением большой энергии, полученная в аналогичном эксперименте.
Рис. 3. Прохождение через чувствительную область ПЗС "ЛЕВ" матрицы релятивистской частицы. Эксперимент выполнен на космическом аппарате ЯМАЛ-100 с системой звездной ориентации БОКЗ на геостационарной орбите. Солнечная вспышка лета 2000 г.
Предварительная проработка показала, ч
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.