Методические основы радиационных испытаний Основные этапы обеспечения радиационной стойкости аппаратуры космических объектов В.Ф.Зинченко, д.ф.-м.н., доцент, ФГУП «НИИП» Рассм атриваю тся основны е задачи, реш аем ы е при создании аппаратуры косм ических объектов с заданны м уровнем стойкости к воздействию ионизирую щ их излучений косм ического пространства (ИИ КП ), в том числе: - анализ радиационной обстановки для заданной орбиты КА; - вы бор ком плектую щ их элементов на основе анализа им ею щ ейся инф орм ации о радиационной стойкости изделий электронной техники; - расчетны е оценки локальны х дозовы х нагрузок и характеристик тяжелы х заряженны х частиц в критических узлах РЭА; -проведение испы таний элем ентов и узлов РЭА на стойкость к воздействию ИИ КП ; - выдача заклю чения о стойкости РЭА к ионизационны м (дозовы м ) эф ф ектам и эф фектам одиночны х собы тий.
30
Embed
Методические основы радиационных испытаний Основные этапы обеспечения радиационной стойкости
Методические основы радиационных испытаний Основные этапы обеспечения радиационной стойкости аппаратуры космических объектов В.Ф.Зинченко, д.ф.-м.н., доцент, ФГУП «НИИП». Радиационные условия КП. Классификация типовых орбит полета КА для установления - PowerPoint PPT Presentation
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Методические основы радиационных испытаний
Основные этапы обеспечения радиационной стойкости аппаратуры космических объектов
В.Ф.Зинченко, д.ф.-м.н., доцент, ФГУП «НИИП»
Рассматриваются основные задачи, решаемые при создании
аппаратуры космических объектов с заданным уровнем стойкости к воздействию ионизирующих излучений космического пространства (ИИ КП), в том числе:
- анализ радиационной обстановки для заданной орбиты КА; - выбор комплектующих элементов на основе анализа
имеющейся информации о радиационной стойкости изделий электронной техники;
- расчетные оценки локальных дозовых нагрузок и характеристик тяжелых заряженных частиц в критических узлах РЭА;
- проведение испытаний элементов и узлов РЭА на стойкость к воздействию ИИ КП;
- выдача заключения о стойкости РЭА к ионизационным (дозовым) эффектам и эффектам одиночных событий.
Радиационные условия КП
ВидИзлучения
Состав Энергия частиц,
МэВ
Плотность потока,м-2с-1
ГКЛ Протоны - частицы
Тяжелые ионы102…1015
1,5104
1,0103
1,2101
СКЛ ПротоныТяжелые ионы
1…104
1…106
107…108
106
ЕРПЗ Протоны 1…3030
31011
2108
Классификация типовых орбит полета КА для установления требований по стойкости РЭА КА по ЭОС
Тип Тип частицчастиц
Диапазоны высот типовых орбит, кмДиапазоны высот типовых орбит, км
< 600< 600 600 – 600 – 12001200
1200 – 1200 – 60006000
6000 – 6000 – 1000010000
>10000>10000 ГСОГСО ВЭОВЭО
Высоты, км, для которых устанавливаются спектры ЗЧВысоты, км, для которых устанавливаются спектры ЗЧ
1. Методы расчета радиационных условий полета КА и их систем за счёт действия заряженных
частиц КП естественного происхождения, Методическое пособие под редакцией Громова О.Г.,
Лукъященко В.И., Панасюка М.И., Космические войска ВС РФ, 2004.
2. ОСТ 134. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование космических аппаратов. Методы расчета радиационных условий на борту космических аппаратов и установления требований по стойкости РЭА космических аппаратов к воздействию заряженных частиц космического пространства естественного происхождения. ЦКБС ЦНИИМАШ, 22 ЦНИИИ МО
РФ, НИИ приборов, НИИЯФ МГУ, РКК «Энергия», 2007.
3. И.В. Гецелев, А.И. Зубарев, О.П. Пудовкин. Радиационная обстановка на борту космических аппаратов. ЦИПК, 2001
Ионизационные ( дозовые ) эффекты
Уровни стойкости ИЭТ в составе РЭА к дозовым эффектам
Схема расчёта дозовых нагрузок на критические элементы аппаратуры КА
ИИ КП,e(Ee, , , t), p(Ep, , , t)
Корпус КА
Отдельные блоки(корпус блока, экранировка
окружающими блоками)
Дискретные элементы(корпус элемента, экранировка
окружающими элементами)
1 Метод Монте-Карло
Расчет ослабления дозовых характеристик ИИ КП в одномерной барьерной геометрии
Программы ELECTRON, PROTON (ФГУП «НИИП»)
Программа Shieldose, NASA
S. Seltzer Shieldose: A computer code for space-shielding radiation dose calculation. NBS Technical note 1116 ( May 1980)Расчет дозы с помощью метода Монте-Карло для заданных спектров КП в геометрии сфера, плоский барьер. Защита – алюминий
Программа GEANT, CERN
GEANT Detector description and simulation Tool, CERN Program Library, Long Write-up W5013, Geneva 1993
Программа разрабатывалась на основе метода Монте-Карло для исследования прохождения элементарных частиц в веществе для описания экспериментов в физике высоких энергий. Рассматривает трехмерную геометрию, учитывает ядерные реакции при прохождении падающих частиц с материалами мишени. В настоящее время находит применение в других областях физики, в частности, в космических исследованиях.
2 Расчет локальных дозовых нагрузок в критических узлах и элементах РЭА Метод посекторного разбиения + метод Монте-Карло
Программы ELECTRON – 3D, PROTON – 3D
z, ã/ñì 2
70 75 80 85 90 95 100
D(z
), î
òí.å
ä.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2
1
Метод Монте-Карло в барьерной геометрии
Распределение поглощенной энергии протонов с начальной энергией Ео = 338 МэВ при прохождении через барьер из меди (точки - эксперимент,
сплошная линия - расчет, = 10-3 ) 1 - модель непрерывного замедления 2 - метод Монте-Карло
Òî ëù èí à, ã/ñì 2
0 2 4 6 8 10 12
Äî
çà
, î
òí.å
ä.
0
10
20
30
40
50
60
Распределение поглощенной энергии протонов с начальной энергией Ео = 100 МэВ при прохождении через барьер из алюминия
( точки - эксперимент , сплошная линия - расчет Монте-Карло, =10-3 )
Доза протонов КП после ослабления сферической оболочкой различной толщины ( 500 км, 28,50 , минимум )
Методы прогнозированиячувствительности приборов к эффектам одиночных событий
Модель прямоугольного параллелепипеда (RPP)
а) Тяжелые заряженные ионы
E,Z
b
a
c
б) Протоны (ядерные реакции)
Р
Р
Параметры чувствительности приборов к эффектам одиночных событий
Сечение эффекта, 2, смчастицфлюенс
событийчисло
а) Ионы
Ì ýÂ.ñì 2/ì ã
0 20 40 60 80 100
ñ
ì2
1e-8
1e-7
1e-6
1e-5
1e-4
1e-3
1e-2
1e-1
í àñ
Lî ð
в
а
с
L() = L(=0o) / cos
() = N / Ф cos
Функция Вейбулла
0,/exp1 LLWLL Sонас
Å, Ì ýÂ
0 10 20 30 40 50 60 70 80
, Ì
ýÂ
1e-8
1e-7
1e-6
í àñ
б) Протоны
Аппроксимация Бендела
AEA
Y
YехрА
В
18
,18,011014
12
Прогноз вероятности сбоев в условиях КП
а) Ионы
порL
dLdL
dФехрР L1
б) Протоны
порЕ
dЕdЕ
ЕdФехрР
)(Е1
Основные подходы к прогнозированию ЭОС в ИЭТ при длительной эксплуатации в условиях КП
1. Оценить потенциальную устойчивость ИЭТ к ЭОС
2. Получить консервативную оценку вероятности возникновения ЭОС
3. Выдать уточненный прогноз вероятности возникновения ЭОС в реальных условиях КП (энергетические характеристики протонов, ЛПЭ-спектры ТЗЧ, плотность потока частиц)
Прогноз вероятности сбоев в условиях КП
Вероятность возникновения ЭОС за время Т можно представить в виде
Рсб = 1 - exp( -T )
а) Ионы
Если чувствительный объем можно считать тонким слоем
порL
dLdL
dФехрР L1
в изотропном поле ТЗЧ
min
,))(()(25.0 0 L X dLLDPLS PX(D>(L)) - вероятность того, что ТЗЧ с ЛПЭ, равными L, имеют длину
хорд при пересечении ЧО больше, чем D(L) = Eпор /L.
б) Протоны
порЕ
dЕdЕ
ЕdФехрР
)(Е1
Моделирующие установки Ускорители тяжелых ионов
U - 400, U - 400М, ОИЯИ, г. Дубна
E = 50…1600 МэВ z = 3…54 ЛПЭ 0,3…60 МэВ·см2/мг
Ускоритель У-10, ИТЭФЕ = 9 ГэВ, Fe, ЛПЭ до 30МэВ·см2/мг
Ускорители протонов
ИФВЭ, г. Протвино Е =70…100 МэВ ИТЭФ, г. Москва Е =70…500 МэВ
ПИЯФ, г. С. Петербург Е 1000 МэВ
Е, МэВ
100 1000
ЛП
Э, М
эв. с
м2/
мг
0
5
10
15
20
25
30
35
40
LET=f(T), Fe in C-O-Si
Зависимость ЛПЭ ионов железа в SiO2 от энергии
Е, МэВ
100 1000
R,м
км
100
1000
Зависимость пробега ионов железа в SiO2 от энергии
Основные источники информации по характеристикам ЭОС
Зависимости сечений ЭОС от ЛПЭ и энергии протонов, пороговые ЛПЭ для ТЗЧ и пороговые энергии для протонов, сечения насыщения ЭОС
1 IEEE Radiation Effect Data Workshop – справочные данные, публикуемые в трудах ежегодной международной конференции IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Conference (NSREC). С 1992 г. приводятся данные более чем для 4000 ИС 2 Труды NSREC в журнале IEEE Transactions on Nuclear Science
3 Труды ежегодной европейской конференции по радиационным эффектам в электронных компонентах и системах(RADECS).
4 Материалы, опубликованные на сайтах ведущих фирм – производителей ИС: Intel, Motorola,
Actel, Xilinx и т.д.
5 Материалы на сайтах американских исследовательских организаций и лабораторий, связанных с космическими исследованиями: Sandia National Laboratory, NRL (Nortrop Research Laboratory), JPL (Jet Propulsion Laboratory), NASA Goddart Space Flight Center, Boeing Radiation Effects Lab., Aerospace Corporation и
т.д.
6 Статьи в журнале ВАНТ (Вопросы Атомной Науки и Техники), серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру.
Вычисление параметров ЭОС
Частота сбоев в РЭА νРЭАSEU за счет мягких сбоев типа SEU, SET под
воздействием ТЗЧ и протонов КП определяется выражением:
max max
1
( ) ( ) ( ) ( )th th
L EnSEU
РЭА i i ТЗЧ i p
L E
n L L dL E E dE
σi(L), σi(Е) – зависимости сечений сбоев ИС i- того типа от ЛПЭ ионов и энергии протонов,
соответственно ;φТЗЧ(L) – дифференциальный ЛПЭ спектр плотности потока ТЗЧ,