Методические основы радиационных испытаний Основные этапы обеспечения радиационной стойкости

1. Методические основы радиационных испытаний Основные этапы обеспечения радиационной стойкости аппаратуры космических объектов В.Ф.Зинченко, д.ф.-м.н., доцент, ФГУП «НИИП»

2. Радиационные условия КП

3. Классификация типовых орбит полета КА для установления требований по стойкости РЭА КА по ЭОС Типовые толщины защиты 0.1, 0.5, 1.0, 3.0, 10.0 г.см-2 Список источников 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

4. Ионизационные ( дозовые ) эффекты Уровни стойкости ИЭТ в составе РЭА к дозовым эффектам

5. ИИ КП, e(Ee, , , t), p(Ep, , ,t) Корпус КА Отдельные блоки (корпус блока, экранировка окружающими блоками) Дискретные элементы (корпус элемента, экранировка окружающими элементами) Схема расчёта дозовых нагрузок на критические элементы аппаратуры КА

6. 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

7. 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

8. 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)

9. Доза протонов КП после ослабления сферической оболочкой различной толщины ( 500 км, 28,50 , минимум )

10. Доза электронов КП после ослабления защитными барьерами различной толщины ( 500 км, 90, минимум )

11. 2 е, р 3 1 КА x, . z Метод секторного разбиения КА х, см t = x, г/см2

12. θZ x,y,z dS Z1 A(Xd,Yd,Zd) Y1 X1 O Геометрия расчёта локальных дозовых нагрузок в объеме КА

13. Алгоритм расчета локальной дозовой нагрузки • Точка детектирования А(xd,yd,zd) • Рассмотрим грань Z = Z1 • Разбиваем плоскость на элементарные площадки. • Вклад от элементарной площадки dS • d = dSсosz / R2 • сos z = (z1 – zd) / R, Число частиц, приходящих через dS в точку А Ф0, част/см2 - полный поток частиц в телесном угле 4. 3 Вклад в локальную дозу в точке А от площадки dS dD = dD0(L(z)) L(z) - массовая толщина защиты между точкой А и центром площадки dS D0(L) - расчет методом Монте-Карло для барьерной геометрии 4 Полная доза получается в результате суммирования по всем граням параллелепипеда

14. Общий эскиз компоновки объекта

15. Локальные дозовые нагрузки, рад(Si), ВЭО, 7 лет Результаты расчета используются для: планирования испытаний ИЭТ; определения норм испытаний; оптимизации компоновки приборов в объеме КА

16. Эффекты одиночных событий

19. Методы прогнозирования чувствительности приборов к эффектам одиночных событий E,Z b a c Р Р Модель прямоугольного параллелепипеда (RPP) а) Тяжелые заряженные ионы б) Протоны (ядерные реакции)

20.  а в с Параметры чувствительности приборов к эффектам одиночных событий Сечение эффекта, а) Ионы Функция Вейбулла L() = L(=0o) / cos () = N / Ф cos

21. б) Протоны Аппроксимация Бендела Прогноз вероятности сбоев в условиях КП а) Ионы б) Протоны

22. 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)

23. 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 в изотропном поле ТЗЧ 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

24. 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, ИТЭФ Е = 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

25. Зависимость ЛПЭ ионов железа в SiO2 от энергии

26. Зависимость пробега ионов железа в SiO2 от энергии

27. 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 вжурнале 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, BoeingRadiation Effects Lab., Aerospace Corporation и т.д. 6 Статьи в журнале ВАНТ (Вопросы Атомной Науки и Техники), серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру.

28. Вычисление параметров ЭОС Частота сбоев в РЭА νРЭАSEU за счет мягких сбоев типа SEU, SET под воздействием ТЗЧ и протонов КП определяется выражением: (1) 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, част·см-2сек-1МэВ-1см-2мг; φр(Е) – дифференциальный энергетический спектр плотности потока протонов, част·см-2сек-1МэВ-1; Lth – пороговое значение ЛПЭ, при котором возникают SEU, МэВсм2мг-1; Еth – пороговая энергия протонов, при котором возникают SEU, МэВ; Lmax – максимальные ЛПЭ в спектре ТЗЧ, МэВсм2мг-1; Emax – максимальная энергия протонов в спектре протонов; ni – число одинаковых ИС входящих в РЭА; n – число различных ИС, примененных в РЭА.

29. При отсутствии информации о реальных зависимостях σi(L) и σi(Е), обычно используются взятые из литературы величины Lth , Еth, σsat. В этом случае (1) сводится к выражению вида: (2) Здесь σsat,i и σp,sat - величины сечения насыщения сбоев для ионов и протонов соответственно, а FТЗЧ(≥Lth) и Fp(E≥Eth) соответственно, интегральный флюенсы ТЗЧ и протонов для пороговых значений ЛПЭ и энергии протонов. Вероятность возникновения катастрофического отказа (типа SEL, SEB, SEGR) определяется по формуле: (3) где νКРЭА – частота возникновения катастрофических отказов, t – время, в течение которого РЭА находится во включенном состоянии в ходе полета КА. Величина νКРЭА вычисляется по формуле, аналогичной (2).

30. Защищенность приборов в составе КА, средняя зона