К вопросу увеличения срока активного функционирования космических приборов

Язык труда и переводы:
УДК:
539.1.043
Дата публикации:
05 декабря 2021, 02:12
Категория:
Секция 11. Наукоемкие технологии в ракетно-космической технике
Авторы
Морозов Олег Вячеславович
МГУ имени М.В. Ломоносова
Анохин Михаил Всеволодович
Институт тонких экологических технологий
Галкин Владимир Игоревич
МГУ имени М.В. Ломоносова
Дубов Андрей Евгеньевич
ФГБУН «Институт космических исследований РАН»
Савкин Леонид Васильевич
СКБ космического приборостроения, ФГБУН «Институт космических исследований РАН»
Сазонов Василий Викторович
МГУ имени М.В. Ломоносова
Аннотация:
Проведено экспериментальное исследование удельной энергии поля ионизирующих частиц с применением техники полупроводниковой ионизационной камеры, обеспечивающей пространственное разрешение менее 10–6 мм3. Измерения проводились на космических аппаратах SOHO, STEREO, ЯМАЛ 100 и в поле ионизирующих частиц, образуемом изотопным источником Pu239, спектр удельной энергии которого схож с соответствующим спектром на космическом аппарате. Примененная техника пригодна для проведения прямых измерений коэффициента качества поля ионизирующих частиц в штатных условиях эксплуатации на космических аппаратах.
Ключевые слова:
частотный и дозовый спектр линейной энергии, тяжелые космические аппараты, срок активного функционирования, оптимальная защита
Основной текст труда

Космические эксперименты по определению реального срока активного функционирования микроэлектроники, проведённые в недавнее время в различных космических агентствах показали очень существенное отличие предсказанного срока активного функционирования (САФ) нано- и микроэлектроники от реально измеренного в штатных условиях эксплуатации [1].

Значимой мотивацией данной работы послужило исследование, проведённое на многих космических аппаратах (КА) и более всего продемонстрированное во время фундаментального технического исследования на КА SERVIS 1 и SERVIS 2 [2]. На орбите 1000 км экспериментально было показано, что реальный срок активного функционирования часто значительно отличается от предсказанного применяемыми моделями и данными испытаний на протонном и ионном пучках. В ряде случаев отличие составляет более чем в тысячу раз. Это обстоятельство прямо указывает на то, что действующие методики оценки САФ не учитывают существенные в данном случае физические процессы.

Наряду с проблемой применяемых методик оценки стойкости ЭРИ так же актуальна проблема создания радиационных полей для испытания полупроводниковой электроники в условиях, близким к радиационным условиям на борту КА. В ГОСТ 25645.218-90, РД 50-25645.217-90 и их приложениях, помимо линейной энергии y, частотного f(y)и дозового d(y) спектров линейной энергии рассматриваются и удобные для практического использования критериальные параметры — частотную f(z)и дозовую d(z)плотности распределения удельной энергии [3]. При анализе эффектов, вызываемых одиночными ионизирующими частицами в микроэлектронике космического применения, эти параметры прямо соотносятся с плотностью мощности в чувствительном объёме, и, следовательно, с величиной образуемого электрического заряда в этом объёме. 

В связи с этим, в настоящей работе проведено непосредственное измерение спектра удельной энергии в КА ЯМАЛ 100 (ГСО), SOHO (точка L1), STEREO A (орбита Земли). С применением алгоритма распознавания образов был проведён анализ растровых кадров, полученных с помощью ПЗС матриц, получены частотные спектры удельной энергии транзиентных событий выделения энергии с пространственным разрешением 10–6 мм3.

Результат оказался довольно неожиданным. На всех трёх тяжёлых космических аппаратах, находящихся на различных орбитах, спектры удельной энергии поля ионизирующих частиц, оказались однотипными.

Также был проведен анализ эволюции спектра удельной энергии во время случайной Солнечной вспышки и при спокойном Солнце.

При проведении стендовых испытаний микроэлектроники было произведено измерение спектра удельной энергии при помощи отечественной ПЗС матрицы «Лев» в поле ионизирующих частиц, образованном протонами энергией 100 МэВ. Был получен спектр удельной энергии и дозовый спектр. Расчеты спектров удельной энергии на космических аппаратах оказались схожими со спектром, образованным изотопом Pu239 при лабораторных испытаниях.

Было установлено, что во всех случаях события, относящиеся к правому пику в значительной части соотносятся с пиками Брэгга протонов. В работе они были идентифицированы с помощью алгоритма распознавания образов и численного моделирования с применением программного кода GEANT4 [4].

В условиях требований перехода отрасли на отечественные ЭРИ, использование принятых в настоящее время методик отбраковки выпускаемых в РФ микроэлектронных элементов, приводит к неоднозначным заключениям о применимости на космических аппаратах.  Это, в свою очередь ведет к значительным логистическим и экономическим проблемам.

Дополнительно надо отметить, что решение вопросов подбора оптимальной защиты требует отдельного анализа и усовершенствования существующих методик.

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. Space Environment Reliability Verification Integrated System Servis-1, 2. Available at: https://www.jspacesystems.or.jp/en/project/observation/servis-2/ (accessed November 29, 11.2021).
  3. РД 50-25645.217-90. Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в космическом полете. Методики расчета микродозиметрических характеристик космических излучений. Введ. 1991-07-01. М.: Изд-во стандартов, 1990. 26 с.
  4. Geant 4 User's Guide for Application Developers. Version geant 4 10.7. Available at: https://geant4.web.cern.ch/support/user_documentation (accessed November 30, 2021).
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.