Металлокерамические корпуса АО «ТЕСТПРИБОР»: эффективная защита от ионизирующего излучения
Н.Василенков,генеральный директор, АО «ТЕСТПРИБОР»,
А.Максимов, начальник КБ, АО «ТЕСТПРИБОР»,
Сегодня радиационная стойкость электронной компонентной базы (ЭКБ) обеспечивается преимущественно двумя способами: технологическим (применением специальных процессов и материалов при изготовлении интегральных микросхем – ИМС) и конструктивным. Конструктивная защита (обшивка) космических аппаратов (КА), выполненная на основе алюминия и его сплавов, не в полной мере ослабляет радиационные факторы космического пространства (КП). Применение радиационно-стойких ИМС не всегда возможно: например, ограничен срок проектирования КА, неприемлемо высока стоимость и др. Поэтому для защиты наиболее уязвимых элементов следует использовать локальную защиту, которая не влечет за собой значительного увеличения массы и габаритов КА и при этом обеспечивает необходимый уровень ослабления ионизирующего излучения КП.
Для локальной защиты кристаллов ИМС в составе КА от воздействия ионизирующего излучения (ИИ) КП по дозовым эффектам существует ряд технических решений: специализированные корпуса ИМС (WALOPACK, RAD-PAK), покрытия и локальная защита ИМС в составе аппаратуры КА. Все эти решения направлены на повышение радиационной стойкости коммерческих микросхем либо микросхем с уникальными функциональными характеристиками, радиационностойкие аналоги которых отсутствуют.
В АО «ТЕСТПРИБОР» разработаны два варианта специализированных металлокерамических корпусов (МК) с интегрированными радиационно-защитными экранами (РЗЭ): 4247.100-2 и 4248.144-2 (рис.1). Их основное различие состоит в способе герметизации подкорпусного пространства. В первом корпусе металлическая крышка с Т-образным профилем соединяется с корпусом методом шовно-роликовой сварки, а защитный экран размещается под ней (рис.1а); во втором – защитный экран припаивается к корпусу и служит также крышкой (рис.1б).
Оба корпуса имеют нижние защитные экраны, которые одновременно являются монтажными площадками для посадки кристаллов ИМС. Рассмотрим эффективность ослабления локальных дозовых нагрузок этими корпусами и сроки активного существования размещенных в них микросхем в различных условиях.
Эффективность ослабления локальных дозовых нагрузок
Для оценки ослабления локальных дозовых нагрузок (ЛДН) специализированными металлокерамическими корпусами 4248.144-2 и 4247.100-2 использовалось численное моделирование в ПО Fastrad и GEANT4 и сравнение полученных данных с экспериментом.
Оценка ослабления ЛДН проводилась в два этапа: при перпендикулярном падении пучка частиц (протонов или электронов) на крышки МКК 4248.144-2 и 4247.100-2; для изотропного потока частиц в КП на пяти типовых орбитах.
Критерий выбора типовых орбит – их прохождение через естественные радиационные пояса Земли (ЕРПЗ): протонов, электронов, а также одновременно через оба этих пояса. Кроме того, учитывалась распространенность тех или иных орбит для современных КА. Было выбрано пять орбит:
· МКС – круговая орбита с высотой 400 км и наклонением 51,5º;
· круговая полярная орбита с высотой 800 км и наклонением 98º;
· высокая эллиптическая орбита (ВЭО) – апогей 40000 км, перигей 500 км, наклонение 63º, аргумент перигея 270º;
· ГЛОНАСС – круговая орбита с высотой 19100 км и наклонением 64,8º;
· геостационарная орбита (ГСО) – высота 35786 км.
В результате исследований были получены коэффициенты ослабления дозовой нагрузки специализированными МК 4248.144-2 и 4247.100-2 при воздействии потоков электронов (табл.1) и протонов (рис.2).
Для выбранных типовых орбит и внешней защиты (обшивка КА, корпуса аппаратуры и др.) различных уровней (0,1; 0,5 и 1,0 г/см2) были рассчитаны коэффициенты ослабления дозовой нагрузки (отношение дозы в корпусе к дозе без корпуса) при воздействии отдельно электронов и протонов, а также при их суммарном воздействии (табл.2, 3). Расчеты проводились для всего спектра энергий электронов и протонов, имеющихся на соответствующих орбитах.
Полученные результаты показывают, что специализированные МК наиболее эффективны для орбит ГСО и ГЛОНАСС. Для низких орбит (МКС, круговая полярная) и орбиты ВЭО коэффициент ослабления ЛДН находится в диапазоне от 2,0 до 9 при эффективной внешней защите не более 1,0 г/см2.
Срок активного существования кристаллов ИМС в корпусах
При определении срока активного существования (САС) ИМС в составе бортовой аппаратуры КА разработчики ориентируются на уровень стойкости кристалла ИМС, определенный расчетно-экспериментальным способом по результатам испытаний на гамма и/или рентгеновских установках (источниках). Однако при применении корпусов со специализированными РЗЭ этот подход неприменим, поскольку не учитывается дополнительное ослабление корпусом потоков электронов и протонов. Поэтому была разработана и использована специальная методика оценки САС кристаллов ИМС, включающая несколько основных этапов:
1. Расчет внешних радиационных условий с учетом спектров электронов и протонов ЕРПЗ и протонов солнечных космических лучей (СКЛ) и галактических космических лучей (ГКЛ).
2. Расчет (методом Монте-Карло) суммарной мощности ионизирующего излучения внутри специализированного МК с РЗЭ с учетом ослабления дозовых нагрузок обшивкой КА и корпусом прибора; при этом важно учитывать реальный химический состав материалов, из которых они изготовлены.
3. Определение уровня стойкости кристалла ИМС расчетно-экспериментальным методом с предварительным проведением испытаний на источниках гамма-излучения (ускорители электронов, работающие в режиме тормозного излучения, изотропные источники Со60, Cs137 и др.) или рентгеновских источниках. Стойкость ИМС к воздействию электронов и протонов, в соответствии с действующей в РФ нормативной документацией, принимается равной стойкости к воздействию гамма-излучения.
4. Расчет САС как отношения уровня стойкости кристалла ИМС к мощности излучения внутри корпуса МК с РЗЭ. В качестве примера были рассчитаны САС для кристаллов с типовым для коммерческих ИМС значением уровня стойкости 10 крад, установленных в специализированный МК 4248.144-2 и серийный корпус без РЗЭ (табл.4). Расчеты выполнены для минимума солнечной активности при значении эффективной внешней защиты 1 г/см2 и с учетом только электронов и протонов ЕРПЗ.
Как видно из полученных результатов, САС ИМС, установленных в специализированные корпуса, значительно превышает САС тех же кристаллов, размещенных в серийных корпусах без РЗЭ.
Таким образом, компания АО «ТЕСТПРИБОР» разработала корпуса с интегрированной радиационной защитой для ЭКБ, применяемой в аппаратуре ракетной и космической техники. Такие корпуса позволят решить ряд задач: обеспечить повышенную радиационную стойкость ИМС; использовать электронные компоненты коммерческого и промышленного классов для космических приложений; расширить номенклатуру применяемых ИМС и тем самым снизить затраты на комплектацию при производстве космической аппаратуры; обеспечить снижение массы и габаритов КА по сравнению с использованием стандартных методов конструктивной защиты.
Таблица 1. Коэффициенты ослабления дозовой нагрузки корпусами 4248.144-2 и 4247.100-2 при воздействии потоков электронов
Наименование корпуса |
Электроны с энергией 2,2 МэВ |
Электроны с энергией 3,6 МэВ | ||
Эксперимент |
Расчет 1) |
Эксперимент |
Расчет 1) | |
2124 |
1800 |
90 |
130 | |
859 |
700 |
34 |
50 |
1) расчет проводился в ПО Fastrad (версия 3.4.3.0) прямым методом Монте-Карло.
Таблица 2. Коэффициенты ослабления дозовой нагрузки для корпуса МКК 4248.144-2
Внешняя защита |
Орбита |
Суммарная доза |
Доза от электронов |
Доза от протонов | |||
KминСА1) |
KмаксСА1) |
KминСА |
KмаксСА |
KминСА |
KмаксСА | ||
0,1 г/см2 |
МКС |
46 |
612 |
3586 |
4946 |
9 |
4 |
Полярная |
89 |
74 |
9958 |
3242 |
6 |
5 | |
ВЭО |
879 |
1345 |
6120 |
9564 |
552 |
552 | |
ГЛОНАСС |
4151 |
5509 |
4151 |
5509 |
– 2) |
– | |
ГСО |
27320 |
27328 |
27320 |
27328 |
– |
– | |
0,5 г/см2 |
МКС |
5 |
43 |
941 |
1149 |
2 |
2 |
Полярная |
4 |
9 |
1022 |
1175 |
2 |
2 | |
ВЭО |
30 |
40 |
996 |
1143 |
14 |
14 | |
ГЛОНАСС |
1085 |
1361 |
1085 |
1361 |
– |
– | |
ГСО |
2034 |
2034 |
2034 |
2034 |
– |
– | |
1,0 г/см2 |
МКС |
2,0 |
7,7 |
649 |
717 |
1,6 |
1,4 |
Полярная |
1,9 |
2,5 |
606 |
673 |
1,5 |
1,5 | |
ВЭО |
7,2 |
8,9 |
521 |
599 |
4,7 |
4,7 | |
ГЛОНАСС |
609,2 |
692,7 |
609 |
693 |
– |
– | |
ГСО |
732,4 |
705,4 |
732 |
705 |
– |
– |
1) минСА и максСА – минимальный и максимальный уровень солнечной активности, соответственно;
2) протоны ЕРПЗ для орбит ГЛОНАСС и ГСО не вносят вклад в поглощенную дозу.
Таблица 3. Коэффициенты ослабления дозовой нагрузки для корпуса МКК 4247.100-2
Внешняя защита |
Орбита |
Суммарная доза |
Доза от электронов |
Доза от протонов | |||
KминСА1) |
KмаксСА1) |
KминСА |
KмаксСА |
KминСА |
KмаксСА | ||
0,1 г/см2 |
МКС |
36 |
436 |
1586 |
2093 |
7,0 |
3,0 |
полярная |
71 |
59 |
4316 |
1362 |
4,8 |
4,1 | |
ВЭО |
484 |
733 |
2752 |
4172 |
308,2 |
308,2 | |
ГЛОНАСС |
1798 |
2273 |
1798 |
2273 |
–2) |
– | |
ГСО |
10989 |
10992 |
10989 |
10992 |
– |
– | |
0,5 г/см2 |
МКС |
4,8 |
42,3 |
436 |
523 |
2,0 |
1,7 |
полярная |
4,5 |
9,5 |
491 |
553 |
1,9 |
1,9 | |
ВЭО |
30,7 |
41,4 |
493 |
553 |
14,7 |
14,7 | |
ГЛОНАСС |
516,4 |
644,2 |
516 |
644 |
– |
– | |
ГСО |
1038,5 |
1038,5 |
1039 |
1039 |
– |
– | |
1,0 г/см2 |
МКС |
2,0 |
7,9 |
377 |
438 |
1,6 |
1,4 |
полярная |
1,9 |
2,6 |
343 |
394 |
1,5 |
1,5 | |
ВЭО |
7,6 |
9,3 |
293 |
346 |
4,9 |
4,9 | |
ГЛОНАСС |
357,7 |
411,2 |
358 |
411 |
– |
– | |
ГСО |
434,0 |
434,0 |
434 |
434 |
– |
– |
1) минСА и максСА – минимальный и максимальный уровень солнечной активности, соответственно;
2) протоны ЕРПЗ для орбит ГЛОНАСС и ГСО не вносят вклад в поглощенную дозу.
Таблица 4. САС кристаллов с уровнем стойкости 10 крад, установленных в МКК 4248.144-2 и серийный корпус без РЗЭ
Орбита |
Доза внутри специализированного корпуса за 1 год, рад |
САС, лет |
Доза внутри серийного аналога (крышка из ковара) за 1 год, рад |
САС, лет |
Круговая полярная 800 км |
3,6×102 |
28 |
5,1×102 |
20 |
Геостационарная |
1,2×101 |
83 |
1,1×103 |
9 |
Орбита ГЛОНАСС |
8,6×101 |
116 |
7,7×103 |
1 |
Высокоэллиптическая орбита |
1,6×103 |
6 |
5,3×103 |
2 |
Орбита МКС |
4,2×101 |
238 |
6,2×101 |
161 |
Подписи к рисункам:
Рис.1. Специализированные планарные металлокерамические корпуса с интегрированными радиационно-защитными экранами:
а) 100-выводной 4247.100-2,
Рис.2. Ослабление дозовой нагрузки корпусами 4248.144-2 и 4247.100-2 при воздействии потока протонов