Широкая область применения ЭС, в том числе для осуществления спутниковой связи, предполагает их работу в условиях действия ионизирующих излучений (ИИ). Это требует знания особенностей воздействия радиации на различные компоненты и материалы в составе конструкции и разработки комплекса мер по обеспечению работоспособности РЭС в этих условиях.
По происхождению радиоактивные излучения могут быть разделены на естественные и искусственные.
К естественным излучениям относятся космические (галактические) лучи, корпускулярное и рентгеновское излучение Солнца, излучение радиационных поясов Земли.
Космические лучи образуются вне солнечной системы и состоят из протонов (~ 85%), ядер гелия (~10%), тяжелых ядер (~1%), электронов (~1%), рентгеновского и γ-излучения. Энергия лучей – 108 ÷1020 эВ, плотность – 1÷5 см-2 с-1 (низкая). Из-за низкой плотности существенного влияния на функционирование ЭС не оказывают, но могут привести к случайным сбоям в БИС бортовых вычислительных комплексов.
Солнечное излучение обусловлено вспышками, носит периодический характер и состоит в основном из протонов, включая ядра гелия, и более тяжелых элементов.
Естественные радиационные пояса Земли (РПЗ) – это обширные области околоземного космического пространства, в которых существуют интенсивные потоки элементарных частиц – электронов и протонов. Существует внутренний РПЗ на высоте от 600 ÷ 1500 км до 10000 км от поверхности Земли и внешний – на расстоянии от 10 до 60-85 тыс. км.
Искусственное радиоактивное излучение возникает в результате ядерных реакций в реакторах (АЭС, подводные лодки, атомоходы), во всевозможных ускорителях частиц, а также при атомном взрыве.
Радиоактивное излучение может быть электромагнитным (фотонным) в виде γ- и рентгеновского излучений и корпускулярным в виде потока частиц (α- и β- излучение, нейтронное излучение).
При проектировании РЭС, как правило, учитывают воздействие нейтронов и γ-излучения, обладающих наибольшей проникающей способностью.
Радиационная стойкость изделия или материала (ГОСТ 18298-96) – свойство аппаратуры, комплектующих элементов, материалов выполнять свои функции и сохранять параметры в пределах установленных норм во время воздействия излучения.
Показателем радиационной стойкости служит значение характеристики поля излучения, при котором достигаются критерии радиационной стойкости.
Воздействие излучения на изделие (материал) проявляется в виде радиационного и ионизационного эффекта, обратимого или необратимого радиационного дефекта, радиационного разогрева и других явлений:
- Радиационный эффект – изменение значений параметров изделий и материалов в результате воздействия излучения.
- Ионизационный эффект – радиационный эффект, обусловленный ионизацией и возбуждением атомов вещества.
- Радиационный дефект – радиационный эффект, проявляющийся в нарушении структуры вещества под воздействием излучения.
- Радиационный разогрев – радиационный дефект, проявляющийся в повышении температуры материала в результате поглощения энергии излучения.
Нейтронное излучение в основном является причиной радиационных дефектов, обусловленных физико-химическими преобразованиями в материалах. При γ-излучении преобладают ионизационные эффекты (образования избыточных носителей зарядов, увеличение концентрации носителей).
Обратимые отказы носят временный характер и обусловлены переходными ионизационными эффектами и нестабильными структурными повреждениями в электрорадиоизделиях и материалах, входящих в состав ЭС. К ним относятся кратковременное изменение уровня сигнала на выходе аналоговых схем, ложное срабатывание ключевых элементов, изменения логического состояния цифровых схем (триггеров регистров, счетчиков), единичные случайные сбои в запоминающих устройствах. После прекращения воздействия излучения аппаратура самостоятельно возвращается в рабочее состояние.
Необратимые отказы обусловлены постепенным накоплением радиационных дефектов в материалах и электрорадиоэлементах. В результате этих процессов выходные параметры ЭС претерпевают изменения, имеющие необратимый характер: изменяются выходные напряжения источников питания, уменьшается коэффициент усиления усилительных схем, изменяются уровни лог.1 и лог.0 цифровых схем.
Лекция 7
Раздел 7. Технический дизайн при проектировании электронных средств
