Теория и принципы построения
датчиков, приборов и систем
УДК 621.3.049.774.539.1.074
СЕНСОРЫ ДЛЯ СИСТЕМ БОРТОВОЙ ДОЗИМЕТРИИ
В. С. Анашин
Рассмотрены проблемы создания сенсора накопленной дозы (СНД) — одного из основных элементов бортового сегмента системы мониторинга ионизирующих излучений космического пространства (ИИ КП). Обоснован выбор его чувствительного элемента (ЧЭ), функционирующего на принципе МДП-дозиметрии. Определены технические требования к средствам бортовой дозиметрии, принципам построения СНД и ЧЭ, к разработке структур СНД. Конкретизированы приоритетные направления в области бортовой дозиметрии.
Ключевые слова: ионизирующие излучения космического пространства, система мониторинга, бортовая дозиметрия, бортовой сегмент, сенсорыI накопленной дозы, чувствительный элемент.
Ионизирующие излучения космического пространства (ИИ КП), к которым относятся естественные радиационные пояса Земли (ЕРПЗ), солнечные и галактические космические лучи (СКЛ и ГКЛ), являются главенствующими естественными факторами, ограничивающими срок активного существования (САС) радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) космических аппаратов (КА), в основном, из-за воздействия на электронную компонентную базу (ЭКБ) и проявляющимися в одиночных и дозовых эффектах. Дозовые эффекты от воздействия протонов и электронов ЕРПЗ приводят к параметрическим и функциональным отказам ЭКБ (РЭА). На их долю падает по литературным данным [8] от 5 до 15 % квалифицированных отказов, хотя реально этот процент выше из-за того, что вызываемая деградация материалов является стимулятором других типов отказов.
В настоящее время не вся ЭКБ имеет должный гарантированный уровень стойкости к ИИ КП, что приводит к необходимости оценивать остаточный ресурс РЭА каждого КА и применять необходимые структурно-алгоритмические методы повышения САС. Это возможно лишь при проведении постоянного измерения и оценки воздействия ИИ КП на критические узлы РЭА в различных местах КА. В работе [1] рассмотрена система мониторинга ИИ КП, содержащая наземный и бортовой сегменты, одним из основных элементов которого выступает сенсор накопленной дозы (СНД).
Основными техническими требованиями, предъявляемыми к средствам бортовой дозиметрии являются:
— использование способа измерения дозовых воздействий ИИ КП, максимально приближенного к специфике эффектов, протекающих в реальной ЭКБ для повышения достоверности оценок;
— минимальные массогабаритные и энергетические характеристики для расширения сферы использования и упрощения применения;
— диапазон измерения, согласованный с уровнем воздействия ИИ КП на типовых орбитах за весь САС (не менее 10 лет);
— точность измерения, позволяющая производить оценки остаточного ресурса с высокой достоверностью и др.
Сформулированные в работе [1] принципы построения бортового сегмента системы мониторинга ИИ КП для СНД трансформируются в следующий набор: адаптивность; функциональная модульность и функциональный минимализм; стандартные интерфейсы; технологическая реализуемость; максимальное использование отечественного задела и передового зарубежного опыта; стандартные средства разработки и отработки.
В общем случае СНД включает в себя (рис. 1): дозовый чувствительный элемент ДЧЭ для преобразования воздействия ИИ КП в области дозовых эффектов в электрический сигнал; узел дозовых измерений УДИ для обработки электрических сигналов, являющихся функцией величины на-
Измерения — Управление —№ Электропитание —№ УИ УДИ ДЧЭ /Воздействие Ч ИИ КП
Рис. 1. Структура СНД
Рис. 2. МДП-дозиметры на основе МОП-структур [7]:
1 — электронно-дырочные пары, вызванные ионизирующим излучением; 2 — прыжковый перенос дырок через локализованные состояния в объеме оксида кремния; 3 — захват глубоких дырок вблизи границы раздела кремний/оксид кремния; 4 — радиационно-индуцированные поверхностные состояния в запрещенной зоне 81 (кремния)
Рис. 3. МДП-дозиметры на основе МНОП-структур [8]:
1 — ловушки электронов и дырок; 2 — ловушки дырок; 3 — наведенный заряд (направление переноса зависит от поля)
копленной дозы; узел интерфейсный УИ для обеспечения передачи измерений абоненту.
Очевидно, что объект, принимающий дозовые измерения, должен обеспечить требуемый логический и электрический интерфейс в части управления, приема измерений и обеспечения электропитания.
Основным элементом СНД является ЧЭ, по существу определяющий все его потребительские свойства. В бортовых дозиметрических системах в силу очевидной специфики, из всего многообразия детекторов, в основном, нашли применение: детекторы на основе цилиндра Фарадея; цилиндрические электростатические анализаторы; полупроводниковые детекторы (поверхостно-барьерные и диффузионно-дрейфовые); МДП; алмазные.
Анализ их достоинств и недостатков позволил определить следующие конкурентные преимущества МДП-дозиметрии:
— наличие электрического информационного сигнала, пропорционального дозе ИИ;
— возможность регистрации накопленной дозы в реальном масштабе времени (а не мощности дозы);
— наличие рабочего объема (подзатворный диэлектрик) и его конструкционных особенностей, аналогичных области, чувствительной к до-зовым отказам в метал-оксид-полупроводнико-вых (МОП) приборах;
— малые габариты и энергопотребление.
Принцип действия МДП-преобразователей
(дозиметров), начало разработки которых было положено работами [3—5], основан на эффекте ионизации и последующем захвате радиационно-индуцированного положительного заряда в под-затворном диэлектрике МДП-структуры. Встраивание положительного заряда, величина которого зависит от дозовой нагрузки, вызывает изменение статических электрических характеристик МДП-приборов. Применяются МДП-преобразо-ватели (дозиметры) на основе МОП- и МНОП-структур, механизмы которых иллюстрируются на рис. 2 и 3 соответственно.
В качестве ЧЭ СНД могут использоваться как серийно выпускаемые МДП-транзисторы, так и специализированные, созданные для целей МДП-дозиметрии. В первом случае использование очевидных преимуществ (низкая цена, доступность и т. п.) может быть крайне затруднительным вслед-
Рис. 4. Электрическая схема ЧЭ
12 _ввпвогв & Буагетв • № 6.2009
Рис. 5. Внешний вид МЭД-Ч-01
ствие несогласованности технических характеристик с требованиями дозиметрии (диапазон измерения и точность), большим разбросом параметров от партии к партии, необходимости проведения дополнительных работ по отбраковке, отбору и калибровке. Этих недостатков (помимо калибрования характеристик) лишен специализированный, разработанный специально для средств дозиметрии ЧЭ, в качестве которого может быть использован МЭД-Ч-01 (разработка НИИ Приборов, г. Лыткарино, МО; адаптация НИИ КП, г. Москва). Электрическая схема и внешний вид (со снятой крышкой) приведены на рис. 4 и 5 соответственно.
Приведенные на рис. 6 сравнительные дозо-вые характеристики различных МДП ЧЭ, применяемые ранее в бортовой дозиметрии, однозначно демонстрируют преимущества МЭД-Ч-01.
На рис. 7 представлена структурная схема СНД, разработанного ФГУП НИИ КП в 2006 г., использующего в попутной нагрузке КА "Гло-насс" и предполагаемого к применению в составе бортовой аппаратуры КА "Спектр-УФ".
Основные технические характеристики СНД
Диапазон измерений, усл. ед....... .........102...105
Частотный выход, кГц (ТТЬ)...............1...200
Аналоговый выход, В.....................0,5...5
Напряжение питания, В...................27
Потребление, Вт, не более.................2
Температурный дрейф, мВ/°С, не более.......±5
Масса без корпуса, кг, не более.............0,08
Представленная разработка использует МЭД-Ч-01 в качестве чувствительного элемента (резервированный (дублированный) транзистор в одном корпусе для повышения надежности). Микроэлектронный элемент дозиметрический чувствительный МЭД-Ч-01 АБКЛ.432236 предназначен для регистрации дозовых нагрузок смешанных полей ионизирующего излучения на электронную компонентную базу, входящую в состав бортовой аппаратуры КА, выполнен в виде интегральной схемы в корпусе 401.14 Н.
Достоинствами сенсора, помимо малых мас-согабаритных характеристик и широкого диапазона измерений, являются:
— управление по напряжению вместо токового управления, требующего точного поддержания электрических параметров для линеаризации выходных характеристик;
— температурная стабилизация за счет выбора рабочей точки (рабочего тока) по минимальному изменению ВАХ ЧЭ в диапазоне температур.
Реализованная схема управления ЧЭ по напряжению в отличие от токовой имеет ряд преимуществ:
— уменьшение роли захвата в 5Ю2 и как следствие — лучшая линейность;
— уменьшение порога инжекции горячих электронов из канала в окисел, приводящее к повышению линейности;
— уменьшение тока, протекающего через ЧЭ, от 90 до 10 мкА и снижение энергопотребления;
я
«
Я
Л §
Я
о я
5 §
А РЭ
О
К X
О
X
о
со
к
100
10
0,1
0,01
0,001 1е + 1
, 3
2
/ -1
1е + 2 1е + 3 1е + 4 1е + 5 Поглощенная доза (81), рад
1е + 6
Рис. 6. Дозовые характеристики МДП ЧЭ:
1 — рМОПТ564ПН2; 2 — МЭД-Ч-01; 3 — рМОПТ КП301Б
Датчик дозы
+24...+32 В Земля|
Вторичный источник питания
+и„
Управляющий модуль
тл
Преобразователь напряжение/ частота
+исс / ~ и
и —
Чувствительный Выходной 1/вых
элемент каскад 1 *
|_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _|
Рис. 7. Структурная схема СНД
1
— оптимизация частотного выхода датчика (повышение нагрузочной способности).
Сенсор прошел весь цикл наземной и экспериментальной отработки в соответствии с условиями эксплуатации, включая калибровочные испытания (результат приведен на рис. 8).
В процессе калибровки и испытаний ЧЭ на надежность измерялось значение информативного параметра ивых (не менее чем через 1 мин после
Рис. 10. Структурная схема трехотсчетного дублированного ЧЭ
Металлический 'затвор
Si3N4 1 LSi3N4
SiO2 i LoX
p+ p+ J
n-подложка
Рис. 8. Калибровочные характеристики СНД:
а — экспериментальные зависимости изменения частоты на выходе; б — экспериментальные зависимости изменения напряжения на выходе
Рис. 9. Внешний вид СНД
Рис. 11. Разрез МНОП транзистора
подачи напряжения)
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.