Спектр плотностей энерговыделений — новый подход к оценке радиационной стойкости космической микро- и наноэлектроники

Язык труда и переводы:
УДК:
539.1.043
Дата публикации:
14 декабря 2021, 00:17
Категория:
Секция 11. Наукоемкие технологии в ракетно-космической технике
Авторы
Егоров Матвей Владимирович
МГУ имени М.В. Ломоносова
Морозов Олег Вячеславович
МГУ имени М.В. Ломоносова
Галкин Владимир Игоревич
МГУ имени М.В. Ломоносова
Сазонов Василий Викторович
МГУ имени М.В. Ломоносова
Анохин Михаил Всеволодович
МГУ имени М.В. Ломоносова
Аннотация:
Показан альтернативный традиционному подход к оценке радиационной стойкости электронного оборудования космических аппаратов, основанный на дозировке с помощью спектров плотности энерговыделения в качестве критериального параметра. Представлены физические обоснования возможности радиационных испытаний электронного оборудования с использованием компактных изотопных источников. Помимо тестирования электронного оборудования на радиационную стойкость такой подход также позволяет создать целостную систему мониторинга радиационной опасности, изучения радиационной стойкости электронных компонентов и оптимизации геометрии нового электронного оборудования. Новая система предусматривает лабораторные и полевые эксперименты и детальное моделирование методом Монте-Карло. Это позволит значительно улучшить прогнозы радиационной опасности благодаря использованию более адекватных физических моделей радиационных эффектов и данных мониторинга радиации на месте в реальном времени, а разработчикам оборудования и пользователям даст возможность лично принять участие в тестах или даже провести их самостоятельно. Внедрение предложенной системы позволит существенно расширить перечень электронных компонентов, разрешенных для использования в космической технике.
Ключевые слова:
радиационная стойкость, спектральная плотность энерговыделения, ионизирующее излучение, радиационная опасность
Основной текст труда

Анализ отказов бортовой аппаратуры показывает [1], что частота одиночных событий нештатной работы микроэлектронных элементов во время эксплуатации на космических аппаратах (КА) существенно меньше, чем её оценка при наземной отработке на существующих моделирующих стендах. Как следствие, применяемые методы испытаний и оценок стойкости электроники в полях ионизирующих излучений в настоящее время приводят зачастую к ложноотрицательным заключениям о применимости электронных комплектующих в космических приборах. Основная причина ошибочной оценки радиационной стойкости по ныне действующим методикам заключается в процедуре использования макродозиметрического критериального параметра «полная доза».

Воздействие ионизирующего излучения на вещество традиционно описывают поглощенной дозой — количеством поглощенной некоторым объемом среды энергии излучения, отнесенным к массе вещества в этом объеме. Описание это является макроскопическим, пока геометрические размеры рассматриваемого объема существенно превосходят размеры треков частиц, оставивших в нем энергию [2].

Макроскопический дозовый подход сложился десятилетия назад, когда сомнений в его применимости к аппаратуре не возникало в силу характерных для того времени размеров функциональных элементов электронных приборов. Современный уровень интеграции полупроводниковых приборов даёт все основания для таких сомнений. Кроме того, ЛПЭ (линейная передача энергии), как средняя характеристика, не содержит информации о флуктуациях, а именно большие флуктуации плотности энерговыделений представляют опасность для электронных приборов с высокой степенью интеграции (т. е. с малыми размерами функциональных элементов). Это означает, что даже после прохождения одной заряженной частицы малый функциональный элемент прибора, размером порядка десятков нанометров, может получить большую поглощённую дозу, способную повлиять на его работу. Таким образом, макроскопическое рассмотрение, то есть рассмотрение с масштабом усреднения, значительно превышающим характерный размер функционального элемента прибора, может привести к неправильному заключению относительно радиационной безопасности прибора [3]. Если ориентироваться на макроскопическую дозу и даже на ЛПЭ, размеры флуктуаций не видны, что неминуемо приводит к недооценке опасности [4]. Попытка скомпенсировать незнание флуктуаций (высоких локальных мгновенных доз) введением некоторого постоянного коэффициента, имеющего смысл запаса прочности, может привести к переоценке радиационной опасности, поскольку такой коэффициент должен зависеть от расположения рассматриваемого прибора в КА, от характеристик источника ионизирующего излучения, от режима работы прибора и т. п.

С 2017 г. ведется подготовка к проведению на РС МКС целевых работ «ПИЧ» (поле ионизирующих частиц), которые позволят существенно улучшить прогноз радиационной опасности за счет использования более адекватных физических моделей радиационных эффектов и данных оперативного радиационного мониторинга in situ. Новая методология оценки влияния ионизирующего излучения на электронику и материалы даст возможность разработчикам и пользователям аппаратуры участвовать в испытаниях или даже проводить их самостоятельно. Переход на предлагаемую систему позволит существенно расширить перечень электронной компонентной базы, разрешенной для применения в космической технике.

Литература
  1. Анохин М.В., Галкин В.И., ДОбриян М.Б., Дубов А.К., Малков А.К. Особенности ядерно-физического эксперимента на космических аппаратах с длительным сроком активного функционирования // Известия РАН. Сер. физическая. 2008. Т. 72, № 7. С. 1036–1039.
  2. Анохин М.В., Галкин В.И., Дитлов В.А., Дубов А.Е., Калегаев В.В., Королёв А.Г., Кузнецов Н.В., Макарычев С.В., Панасюк М.И., Попов В.Д., Чабанов В.М., Шило А.Г. К вопросу о роли пика Брэгга при оценке воздействия поля ионизирующих частиц на микроэлектронику космических аппаратов // Стойкость – 2015: сб. тр. конф. Лыткарино, 2015. С. 27–29.
  3. Анохин М.В., Галкин В.И., Морозов О.В., Сазонов В.В. Особенности оценки радиационной стойкости космической микро- и наноэлектроники // Космическая техника и технологии. 2017. Т. 3, № 18. С. 24–33.
  4. Анохин М.В., Галкин М.В., Дитлов В.А., Дубов А.Е., Королёв А.Г., Чабанов В.М. Разработка микромонитора для испытаний микроэлектроники на стойкость при воздействии ТЗЧ // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2013. Т. 2. С. 87–92.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.