105

A kozmikus sugárzás hatásai

Szimler András BME HVT, Őrtechnika Laboratórium V1/105

A kozmikus sugárzás • Fıbb összetétele – Primer sugárzás • 90% proton • 9% α (He2+) • 1% elektron és egyéb ion

– Szekunder sugárzás • gamma és röntgen sugárzás • neutronok

• Naperedető kozmikus sugárzás – Naptevékenység • 11éves ciklusok • flare, korona, …

NASA Marshall Space Flight Center

• Galaktikus kozmikus sugárzás 2015.11.06.


2/26

A Föld magnetoszférája

2015.11.06.


3/26

A Van Allen övek

1958, Explorer-1, Explorer-3 Külsı öv: fıleg elektronok 0,1-10MeV Számuk ezerszeresére nıhet mágneses viharok esetén Belsı öv: fıleg protonok 5-400 MeV 2015.11.06.


4/26

A protonok eloszlása a Van Allen övekben

2015.11.06.


5/26

A Dél-Atlanti anomália (SAA) www.estec.esa.nl/wmwww/wma/rad_env.html

NASA/SAMPEX satellite

2015.11.06.


6/26

A sugárzás energia eloszlása

2015.11.06.


7/26

A sugárzás öregítı hatásai Hatásuk az idıvel egyre növekszik (kumulatív) – Ionizáció • Elektronok, protonok, α, röntgen és gamma sugárzás elektron/lyuk párokat generálnak a szigetelı anyagokban • TID totál ionizáló dózis [rad (anyag)] 1rad= 6,24x107MeV/g • Sugárzási ráta rad/s, rad/év • MOS tranzisztorok bekapcsolási küszöbfeszültsége eltolódik, késleltetések megnınek

– Rácsszerkezet rongálódás • protonok, neutronok, 150keV feletti elektronok hibákat generálnak a félvezetı anyag rácsszerkezetében • Bipoláris tranzisztorok szivárgása nı, áramerısítése csökken 2015.11.06.


8/26

A sugárzás tranziens hatásai Egyszeri hatások, Single event effects (SEE) LET linear energy transfer[(MeV/cm)/(mg/cm3), MeVcm2/mg] CMOS, teljesítmény BJT, MOSFET, lineáris IC, optocsatoló, optikai detektor

• nehéz ionok, protonok által keltett hatások – Átmeneti hatások: • SEU upset • SET transient

digitális áramkörök analóg ák.

– Nem visszaforduló hatások: • SEL latch-up • SEB burn-out

CMOS ák.

– teljesítmény tranzisztorok, egyes lineáris áramkörök

• SEGR gate rupture – teljesítmény FET-ek, programozható eszközök 2015.11.06.


9/26

Latch-up • • • •

A CMOS áramkörök gyártástechnológiájából ered Önfenntartó folyamat, túlhevülést és átégést okozhat Csak a tápfeszültség kikapcsolásával szőnik meg Latch-up mentes gyártástechnológiák (drága, ritka)

2015.11.06.


10/26

Szekunder sugárzások • Nehéz ionok és protonok ütköznek az atommaggal • Bremsstrahlung (fékezı sugárzás) röntgen sugárzás hv=E1-E2 5-100keV

2015.11.06.


11/26

Az őreszközök sugárterhelése • Föld körüli orbit – Magasság, Inklináció, SAA • LEO 300-1400km ~ 2krad/év • MEO 1400-4000km ~ 100krad/év • GEO 36000km ~ 10krad/év

SAA belsı Van Allen külsı Van Allen

• Távoli missziók • MARS • Óriásbolygók

~ 5krad/év (proton) ~ 0,1-100Mrad/év (proton, elektron)

• Dózis számítása pályaadatokból szimulációs modellekkel 2015.11.06.


12/26

A dózis pályafüggése

2015.11.06.


13/26

A sugárzás hatásainak csökkentése • Kritikus területek és idıpontok elkerülése, áthaladás alatti dózis minimalizálása • Árnyékolás • Alkatrészválasztás • Kapcsolástechnikai megoldások

2015.11.06.


14/26

Árnyékolás • Al 2,7 g/cm3 • Ta 16,6 g/cm3

elektronok, protonok <30MeV protonok, röntgen, gamma

– szekunder sugárzás keletkezhet

• Magas hidrogéntartalmú anyagok neutronok – Polietilén – Kompozit anyagok

• Pozícionálás • Aktív árnyékolás 2015.11.06.


15/26

Árnyékolás alumíniummal

100mil =2,54mm

2015.11.06.


16/26

Alkatrész választás • Kevésbé érzékeny eszközök használata (BJT, relé, …) • Optocsatolók használata körültekintéssel • CMOS alkatrészek lehetıség szerinti kerülése – 54HC és 74HC sorozat elfogadható – Latch-up mentes áramkörök (technológia) • RAD-TOLERANT, -HARDENED, -HARD alkatrészek • SEE-HARD alkatrészek • Tesztelt alkatrészek (pl. NASA RADATA) • Magasabb határadatok alkalmazása (derating) UGATE, UDS, … 2015.11.06.


17/26

Rosetta Lander PCU-HPC panel

2015.11.06.


18/26

Rosetta Lander PCU-C panel

2015.11.06.


19/26

Rosetta Lander PCU-F panel

2015.11.06.


20/26

Kapcsolástechnika • Egy pont meghibásodásra védett rendszer – alkatrész szintő tartalékolás – egység szintő tartalékolás (main / redundant)

• Latch-up limiterek – Soros ellenállás a tápfeszültség körében – Fold-back áramlimiter – Kikapcsolódó áramlimiter

• Watch-dog timer áramkörök • Hibajavító kódolás 2015.11.06.


21/26

Rosetta Lander PCU-SW panel

2015.11.06.


22/26

Kritikus alkatrészek bevizsgálása •

Sugárforrások –

Nem részecske sugárzás • •

–

Részecske sugárzás • • •

• •

Proton Kombinált TID és rácsszerkezet károsodás teszt Debreceni ATOMKI (ciklotron 2,5-18 MeV) Elektron Ionok SEE tesztelés Au-197, Br-79, …

Gyártó, gyártási technológia függés Gyártási sorozat függés –

•

Gamma 60Co izotóp TID tesztelés Röntgen

LOT acceptance test, RVT Radiation Verification Test

Dózisráta [rad/s] függés 2015.11.06.


23/26

Tanulságos TID tesz eredmények

Forrás: JPL J.Conley

Mikroprocesszor sugárzásállóságának gyártó függése

Mőveleti erısítı sugárzásállóságának dózisráta függése

BJT sugárzásállóságának gyártó és dózisráta függése

Az őrminısített alkatrész nem feltétlenül sugárzásálló!

2015.11.06.


24/26

• Ellenırzı kérdések: • 1. Milyen a Van Allen övek elhelyezkedése, alakja és milyen töltött részecskék találhatók bennük? • 2. Melyek a sugárzás elektromos alkatrészeket érintı öregítı hatásai? • 3. Milyen tranziens hatásokat hozhat létre a sugárzás az elektromos alkatrészekben? • 4. Mi az a latch-up jelenség és mit lehet tenni ellene? • 5. Milyen módszerekkel lehet a sugárzás elektromos alkatrészekre gyakorolt hatását csökkenteni egy mőhold fedélzetén? • 6. Hogyan befolyásolják az őreszközök sugárterhelését a pályaadatok? • 7. Milyen forrásokkal és elvek betartásával szokták tesztelni az elektromos alkatrészek sugárzásállóságát?

2015.11.06.


25/26

Köszönöm a figyelmet!

2015.11.06.


26/26

105

Recommend Documents