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Effets des radiations sur les systèmes électroniques
Françoise BEZERRA
CNES Toulouse
Journées thématiques « Vide en milieu ionisant », GANIL 22-24/11/2017
L’espace, un environnement hostile
© CNES/Rosetta/MPS for OSIRIS TESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team/MPSUPD/LAM, 2014
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L’espace Milieu Hostile
1. Rappel sur l’environnement radiatif spatial
2. Les effets sur les composants électroniques
3. Assurance Durcissement
4. Bonus vols habités
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L’environnement radiatif spatial
En résumé:
Ceintures de radiations
Protons, [keV - 500MeV]
Electrons, [eV - 10MeV]
Eruptions solaires
Protons, [keV - 500MeV]
Ions lourds, [qqs MeV/n - 10MeV/n]
Rayonnements cosmiques
Ions [ -> 300MeV/n]
Le tout modulé par l’activité solaire et l’évolution du champ magnétique
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Effets des Rayonnements Ionisants sur les engins spatiaux
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Effets singuliers
Passage d’une seule particule
Effets cumulatifs
Vieillissement prématuré
Effets sur l’électronique et /ou les matériaux en fonction de
la nature et de l’énergie des particules reçues
Fort effet du blindage
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Effets des Rayonnements Ionisants sur les engins spatiaux
A l’extérieur: Beaucoup de particules de faible énergie
Panneaux solaires, éléments optiques, revêtements, câbles.
Modification des propriétés:
o Mécaniques
o Electriques
o Optiques
Très fort gradient de dose
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Effets des Rayonnements Ionisants sur les engins spatiaux
A l’intérieur: seules les particules de forte énergie pénètrent.
Eléments sensibles: Composants électroniques actifs.
o Numériques : µP, Mémoires, ASICs, FPGAs, …
o Mixtes - Interfaces: CAN, CNA, RX/TX, …
o Analogiques: AOP, Comparateurs, …
o Puissance: MOSFETs…
o Optoélectroniques: Capteurs CCD, optocoupleurs, fibres optiques…
Deux catégories d’effets
o Effets singuliers (induits pas le passage d’une particule unique)
o Effets cumulatifs (accumulation de dose)
©CNES/TRAD © Airbus Defense & Space
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Effets des Rayonnements Ionisants sur les engins spatiaux
Les effets cumulatifs
Vieillissement prématuré du à l’accumulation de dose ionisante ou non ionisante (défauts de
déplacements atomiques)
o Dérive paramétrique
o Perte de fonctionnalité
©CNES/TRAD
© Airbus Defense & Space
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Effets sur les composants électroniques
Effets singuliers: panne
» Liés au passage d’une particule unique
» Ions lourds, protons.
» Destructifs (Latch-up, Burn-out, Rupture de grille)
» Non destructifs (Upset, Transitoire,…)
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Prise en compte de ces effets: l’Assurance durcissement
1. Modélisation de l’environnement de la mission
Courbes de dose
Spectres d’ions et protons
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Prise en compte de ces effets: Assurance durcissement
2. Modélisation du blindage
Apporté par le satellite
Apporté par l’équipement
… et transport de l’environnement derrière ce blindage
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3. Quantifier la sensibilité des composants
Tenue en dose (Phénomènes cumulatifs)
Section efficace et modes de pannes (Effets singuliers)
Nécessité de réaliser des
essais sous irradiations
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Prise en compte de ces effets: Assurance durcissement
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Moyens de simulation
Caractérisations de composants
En dose ionisante – Source Co60
En dose de déplacement – Accélérateurs de protons, faisceaux de neutrons
En effets singuliers – Accélérateurs d’ions lourds ou de protons
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4. Estimation du comportement en vol
Effets cumulatifs: Comparaison contrainte avec comportement sous test
Effets singuliers:
Estimation d’un taux d’occurrence en vol
Conception tolérante:
o Blindage,
o Redondance,
o Codes correcteurs d’erreurs,
o Watchdog,…
Objectif: Remplir la mission sans possibilité de réparation et avec une fiabilité optimale.
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Prise en compte de ces effets: Assurance durcissement
1evt/mois en orbite SPOT
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Moyens utilisés par le CNES: Effets singuliers
Accélérateurs d’Ions lourds
UCL (Louvain la Neuve, Belgique), E=10MeV/n
RADEF (Jyvaskyla, Finlande), E= 30-50MeV/n
GANIL (Caen), E->100MeV/n
KVI (Groningen, Pays Bas), E->40Mev/n, en cours de développement
Accélérateurs de protons
UCL (Louvain la Neuve, Belgique), E= 10-67MeV
KVI (Groningen, Pays Bas), E= 10-187MeV
CNA (Sevilla, Espagne), E= 3MeV et 18MeV (En cours de validation)
MIRAGE (ONERA, Toulouse), E < 2MeV
Accélérateurs d’électrons (R&T)
Centre Hospitalier (Carcassonne), E= 6-20MeV (En cours de validation)
GEODUR (ONERA, Toulouse), E=1MeV
Perspectives à l’étude: Faisceaux X pulsés (ESRF, Grenoble ou Soleil, Saclay)
SET protons eruption solaire
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Irradiateur Panoramique Cobalt 60
GAMRAY, TRAD, Labège, France
Gammas 1,17 et 1,33 MeV
» Source Co60, A=400Ci (07/2016)
» Composants fermés dans l’air
» Travail en zone déportée
» Accès en salle pour changement d’échantillons entre 2 tirs
» Pas d’activation des échantillons.
© GANIL
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Accélérateur d’ions lourds de forte énergie
GANIL, Caen, France ions lourds de fort Z
» E->100MeV/n
» Composants dans l’air (ouverts ou fermés)
» Travail en zone déportée
» Accès en salle pour changement d’échantillons entre 2 tirs
» Activation des échantillons.
© GANIL
© CNES/ BEZERRA F./2010 © CNES/ BEZERRA F./2010
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Accélérateur mixte de moyenne énergie
UCL, Louvain la Neuve, Belgique
Protons 10-67MeV
» Composants fermés dans l’air
» Travail en zone déportée
» Accès en salle entre 2 tirs
» Activation des échantillons
Neutrons
Ions lourds
» E~ 10MeV/n
» Composants ouverts dans enceinte sous vide
» Travail à proximité immédiate.
» Pas d’activation des échantillons
© UCL
© UCL
© CNES/ BEZERRA F./2012
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Accélérateur Mixte de plus forte énergie
KVI, Groningen, Pays-Bas Protons de forte énergie (10-187MeV)
» Composants fermés dans l’air
» Travail en zone déportée
» Accès en salle entre 2 tirs
» Forte activation des échantillons et de la salle
d’irradiation
Depuis 2014
» Ions lourds dans l’air.
» En cours de mise au point
© CNES/ BEZERRA F./2010
© KVI
© CNES/ BEZERRA F./2010
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MERCI POUR VOTRE
ATTENTION