научная статья по теме СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА НА РЭА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В ОБЛАСТИ ОДИНОЧНЫХ ЭФФЕКТОВ Энергетика

Текст научной статьи на тему «СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА НА РЭА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В ОБЛАСТИ ОДИНОЧНЫХ ЭФФЕКТОВ»

Теория и принципы построения

датчиков, приборов и систем

УДК 551.521.64.621.396.664

СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА НА РЭА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В ОБЛАСТИ ОДИНОЧНЫХ ЭФФЕКТОВ

В. С. Анашин

Рассмотрены общие принципы построения системы мониторинга воздействия естественных ионизирующих излучений космического пространства на радиоэлектронную аппаратуру космических аппаратов и, в частности, разработка основного ее элемента — сенсора тяжелых заряженных частиц (СТЗЧ). Предложена структура СТЗЧ, включающая чувствительный элемент на основе твердотельных бистабильных элементов, узел обработки, интерфейсный узел.

Ключевые слова: ионизирующие излучения космического пространства, одиночные эффекты, сенсоры тяжелых заряженных частиц, чувствительный элемент, система мониторинга.

Обеспечение требуемой стойкости бортовой радиоэлектронной аппаратуры к дестабилизирующим факторам космического пространства является одной из важнейших задач создания космических аппаратов (КА) с длительным сроком активного существования (САС). Основной причиной ограничения САС КА является воздействие ионизирующих излучений космического пространства (ИИ КП) на электронную компонентную базу (ЭКБ) бортовой аппаратуры, лежащее в области дозовых и одиночных эффектов (ДЭ и ОЭ).

Одиночные эффекты от воздействия протонов и ионов естественных радиационных поясов Земли (ЕРПЗ), солнечных (СКЛ) и галактических (ГКЛ) космических лучей приводят к обратимым (сбоям) и необратимым (катастрофическим) отказам. По литературным данным на их долю падает до 35 % квалифицированных отказов, хотя реально этот процент выше из-за того, что вызываемая де-

градация материалов является стимулятором других типов отказов [1]. Общепринятая классификация ОЭ, которые принято разделять на обратимые и не-

обратимые (катастрофические) приведена в таблице.

В данном случае под отказом понимается событие, заключающееся в нарушении работоспо-

Классификация одиночных эффектов от воздействия космического пространства

Название Проявление эффекта Характер эффекта

SEU (Single Event Upset) Инвертирование логического состояния бистабильных полупроводниковых структур Обратимый

SEL (Single Event Latchup) Возбуждение паразитных тиристорных полупроводниковых структур(как правило, сопровождается резким возрастанием тока потребления) Катастрофический (обратимый)

SEHE (Single Event Hard Error) Одиночный микродозовый эффект, связанный с локальным выделением энергии Катастрофический

SEFI (Single Event Functional Interrupt) Одиночный эффект функционального прерывания Обратимый

SEB (Single Event Burnout) Одиночный эффект вторичного пробоя в мощных МДП-транзисторах Катастрофический

SEGR (Single Event Gate Rapture) Одиночный эффект пробоя подзатворного диэлектрика в МДП-структурах

SESB (Single Event Snapback) Одиночный эффект вторичного пробоя в я-МДП-КНИ транзисторах

SET (Single Event Transient) Переходная ионизационная реакция в виде импульсов напряжения в выходных цепях Обратимый

38

Sensors & Systems • № 9.2009

собного состояния, а под сбоем — самоустраняющийся отказ и однократный отказ, устраняющийся при незначительном внешнем вмешательстве [2]. Необратимые эффекты (события) могут привести к катастрофическим отказам интегральной микросхемы (ИМС), и для восстановления рабочего состояния (если его можно восстановить), как правило, требуется отключение питания и переинициализация ИМС. Обратимые события или сбои к катастрофическим отказам непосредственно не ведут, и для восстановления нормального функционирования ИМС не нужно отключать питание.

Общим моментом в описании физических процессов, приводящих к возникновению одиночных событий, является концепция чувствительного заряда и чувствительного объема, согласно которой событие происходит, если в чувствительном объеме ИМС собирается генерируемый излучением заряд, превышающий некоторую критическую величину. В свою очередь для этого необходимо, чтобы в чувствительном объеме в результате воздействия излучения выделилась энергия, превосходящая некоторую пороговую величину, определяемую конструкционно-технологическими параметрами облучаемого прибора. С этой точки зрения одиночные события можно рассматривать как пороговые эффекты. Каждый из перечисленных выше видов ОЭ характеризуется следующими параметрами:

— сечение эффекта ст, см2, — отношение общего числа N проявлений эффекта в ИМС к флю-енсу частиц Ф: ст = ^Ф;

— пороговая энергия Е0, МэВ, — минимальная энергия частиц, при которой наблюдаются ОЭ;

— пороговый заряд — минимальная величина заряда, генерированного частицей в чувс-

твительном объеме ИМС, необходимая для возникновения ОЭ;

— пороговые линейные потери энергии (ЛПЭ) иона в веществе Ьд, МэВ-см2/мг, минимальные линейные потери энергии иона, при которых наблюдается ОЭ;

— вероятность Р возникновения ОЭ — вероятность возникновения хотя бы одного события при заданном флюенсе отдельной ядерной частицы (ОЯЧ);

— частота V, с-1, возникновения ОЭ — число ОЭ в единицу времени.

В настоящее время выявлены две группы ОЯЧ, вызывающие ОЭ [3, 4]. К первой группе относят частицы, способные вызвать сбои вследствие первичных ионизационных потерь — все ионы с Z > 2. Ко второй — частицы, вызывающие одиночные сбои в результате ионизации вторичными частицами. В космическом пространстве к данной группе, главным образом, относятся протоны с энергиями более 5...10 МэВ.

Непосредственное определение количественных характеристик воздействия ИИ КП на бортовую аппаратуру (БА) обеспечивается путем создания соответствующей системы мониторинга [5—7], включающей в себя бортовой и наземный сегменты. При этом способ (метод) измерения воздействия ИИ КП должен быть максимально приближен к специфике эффектов, протекающих в реальной ЭКБ.

Одним из основных элементов контроля в бортовом сегменте является сенсор тяжелых заряженных частиц (СТЗЧ), фиксирующий высокоэнерге-тичные протоны и ионы ЕРПЗ, СКЛ и ГКЛ на принципах детектирования проявления вызываемого эффекта в реальной ЭКБ с последующим соотнесением его с априорным известным порогом, а не только измерением характеристик ОЯЧ КП.

Обратимые переключения бистабильных элементов (самым ярким представителем которых выступает память) под воздействием одиночных частиц космического излучения (единичные сбои SEU — Single Event Upset) являются важнейшими из восьми квалифицируемых ОЭ, ограничивающими надежное функционирование изделий микроэлектроники в условиях космического пространства (КП). Физическая причина единичных сбоев (ЕС) — ионизация и последующая концентрация зарядов в пределах так называемого чувствительного микрообъема ячейки памяти.

Наиболее изученными являются обратимые сбои в микросхемах оперативных запоминающих устройств (как статических, так и динамических). Как правило, процедура регистрации SEU включает в себя запись информации в массив запоминающих ячеек ОЗУ, периодическое считывание информации и сравнение считанной информации с записанной ранее. Если по какому-то адресу считанное логическое состояние запоминающей ячейки не совпадает с ранее записанным, то такое событие интерпретируется как сбой. Далее информация в данной запоминающей ячейке либо перезаписывается, либо сохраняется неизменной, и это учитывается в последующих циклах тестирования. Принципиально алгоритмы тестирования БИС статических и динамических ОЗУ различаются тем, что в случае ДОЗУ необходимо организовывать регенерацию хранимой информации; микросхема СОЗУ большую часть времени может находиться в режиме хранения информации, потребляя при этом минимальную энергию. Однако следует отметить, что чувствительность к SEU у микросхем ДОЗУ обычно выше, чем у микросхем СОЗУ, но можно выбрать такую БИС СОЗУ,

Рис. 1. Типовая зависимость сечения эффекта от ЛПЭ

чувствительность которой позволит ей уверенно реагировать на потоки ОЯЧ, способные привести к отказам в электронной компонентной базе (ЭКБ), используемой в бортовой аппаратуре.

В общем случае структура СТЗЧ содержит чувствительный элемент, фиксирующий воздействия тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) космического пространства, узел обработки, определяющий уровень воздействия и преобразующий измеренные характеристики в заданный формат, а также интерфейсный узел, обеспечивающий взаимодействие с потребителями по информационным цепям и командам управления.

В качестве чувствительного элемента (ЧЭ) предпочтительно применение твердотельных бис-табильных элементов (динамических или статических), работающих на принципе фиксации вызываемого 8Еи эффекта, которые имеют ряд преимуществ: возможность исключения других (катастрофических) эффектов; малые габариты; низкое потребление; относительная простота фиксации сбоя; низкая угловая чувствительность.

На рис. 1 показана типовая зависимость сечения эффекта от линейных потерь энергии (ЛПЭ) с ярко выраженным порогом (кривая 1) и без такового (кривая 2); на рис. 2 приведена типовая электрическая схема ячейки КМОП СОЗУ.

Очевидно, что конкретный ЧЭ на базе СОЗУ имеет фиксированный порог, определяемый как специфическими конструк-торско-технологическими аспектами производителя, так и условиями использования (напряжением питания). Теоретически возможно только за счет изменения внешнего напряжения питания СОЗУ добиться существенного изменения порога, хотя на практике видно сопутствующее изменение крутизны порога (рис. 3), что существенно ухудшает точность и чувствительность ЧЭ.

Вообще говоря, применение ЧЭ на базе серийно изготавливаемых СОЗУ наряду с очевидными преимуществами (в первую очередь финансовыми) влечет необходимость проведения

10

-2

г 10

-3

: 10

-4

й н о

1310

сЗ 10

-5

-6

4 В

5 В \ \

\ 6 В \ 7 В \ 8 В

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4, ЛПЭ

Рис. 2. Типовая электрическая схема ячейки КМОП СОЗУ:

Мр1, Мр2 — транзисторы с р-проводи-мостью; Мп1, Мп2 — транзисторы с п-проводимостью

Рис. 3. Зависимость сечения одиночных сбоев в КМОП СОЗУ НМ6508-RH (1 Кбит) от напряжения питания [8]

Рис. 4. Электрическая схема ячейки КМОП СОЗУ с управлением чувствительностью к од

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»