книги / Основы проектирования РЭС в жестких условиях эксплуатации

чением частоты ее экранирующие свойства резко ухудшаются. Снятие перенапряжений от ЭМИ в кабелях осуществляют вкдкн-

чением между проводами полупроводниковых ограничительных диодов или варисторов не только на концах кабеля, но и на всем протя­ жении их с некоторыми интервалами, определить которые можно

сиспользованием теории длинных линий.

4.МЕТОДЫ ОЦЕНКИ РАДИАЦИОННОЙ И ЭДШРОМАГНИТНСЙ

СТОЙКОСТИ ЕЭС

Неотъемлемой частью процесса создания РЭС длк жестких ус­ ловий эксплуатации является прогнозирование их работоспособно­ сти при воздействии полей Ий и ЭМИ. При этом используются как общие, так и частные показатели стойкости. К общим показателям стойкости относятся:

-детерминированный показатель стойкости - максимальный уровень ИИ (ЭМИ), воздействующего на конкретный объект, при котором еще выполняются критерии стойкости этого объекта;

-параметрический показатель стойкости - уровень ИИ (ЭМИ), до которого все определяющие параметры объекта с заданной веро­ ятностью удовлетворяют критериям.стойкости;

-вероятностный показатель стойкости - вероятность, с ко­

торой все .определяющие параметры объекта удовлетворяют крите­ риям стойкости при заданном уровне ИИ (ЭМИ).

Частные показатели характеризуют поведение РЭС и их под­ систем при воздействии отдельных видов ИИ. Наиболее распростра­ нены следующие частные показатели стойкости:

-время потер! работоспособности при воздействии импульса

ИИ(ЭМИ) с заданными характеристиками;

-уровень бессбойной работы - уровень импульсного ИИ (ЭМИ), при котором еще отсутствуют сбои в работе РЭС;

-значение рада параметров РЭС при заданном уровне ИИ. Оценка радиационной и электромагнитной стойкости РЭС начи­

нается с анализа технической, документации, перечня комплектую­ щих изделий, электрических схем , конструкторской документа­ ции, в ходе которого определяется характер и последователь­ ность решаемых задач, характеристики.воздействующих ИИ и ЭМИ,

н е ­ допуски на выходные параметры, наличие справочных данных по

стойкости используемых комплектующих изделий и конструкционных материалов и т.д.

Далее, на основании анализа радиационных и электромагнит­ ных эффектов в типовых схемах РЭС определяются возможные виды отказов, формулируются критерии радиационных отказов для аппа­ ратуры в целом и отдельных блоков. С использованием этой инфор­ мации определяются критичные по радиационным отказам блоки РЭС.

Затем на основании информации о характеристиках воздей­ ствующих Ш и ЭМИ проводят преобразование исходных данных о стойкости комплектующих изделий, которые получены на моделиру­ ющих установках, для учета различий в спектрально-энергетичес­ ких и временных характеристиках реальных ИИ и излучений моде­ лирующих установок.

На следующем этапе проводится аналитический расчет коли­ чественных показателей стойкости блоков Ю С . Этот один из наи­ более сложных этапов оценки стойкости РЭС более подробно рас­ смотрен ниже. Не менее ответственным является и этап проведе­ ния испытаний F3C.

Заканчивается процесс оценки стойкости РЭС анализом резу­ льтатов расчета и испытаний и сравнением их с требованиями технического задания.

4.1. Аналитические методы оценки стойкости РЭС

Сложность аналитического расчета показателей стойкости РЭС обусловлена необходимостью получения математического опи­ сания анализируемого устройства. Необходимым условием реализа­ ции таких методов является наличие математической модели ус­ тройства, учитывающей радиационные и электромагнитные эффекты.

При анализе радиационной стойкости схем наиболее часто используются электрические модели полупроводниковых приборов, которые должны удовлетворять следующим требованиям:

-уравнения должны отражать связь между токами и напря­ жениями на выводах элементов;

-модель должна быть представлена в виде эквивалентного

п-полюскика ( Я =» 2,4), описываемого системой дифференциальных уравнений;

- в качестве параметров модели целесообразно выбирать

электрические параметры прибора, такие как коэффициент передачи

по току,	параметры вольт-зшерых характеристик и емкости р-п-
переходов	и т.д.
Для	полупроводниковых приборов такие модели подробно рас­

смотрены в /|7. Используя приведенные в ш е зависимости электро­ физических параметров полупроводниковот интегрального потока нейтронов, можно получить модели полупроводниковых приборов, ра­ ботающих в условиях радиационных воздействий. Реакция приборов на воздействие импульса гамма-излучения учитывается путем включения в схему дополнительных генераторов ионизационного то­

ка, величина которого	описывается соотношением Д /
l/>P=e.Acj[( W	'4 г^ ( 1/'ср)

u M - i w J E & r Гл 'л Г ъ у г?

ila-t-oii'cp') M u - u ) 7,

где	tyifl	X -	a	f	-Ул	;	£	- заряд электрона;
				J Z	c j y
A	площадь р-п-перехода;					- скорость генерации электронно­
дырочных пар;			U /	- толщина области объемного р заряда;
V h	, £)/>	- коэффициенты диффузии электронов и дырок соответ­
ственно;		Т и	, Tfo	- время жизни электронов в p -области и
дырок в п-области соответственно,							U	{ • £ ) к Ц ( -£-~£с) -

единичные ступенчатые функции, действуицие в моменты времени

Ь а 0 и	/ = £ о	соответственно.
Уменьшение сопротивления резисторов описывается с помощью
введения в	сжвыу резисторов # £ , величина которых, оценивает­
ся соотношением

где Рр, - мощность дозы имцульса гамма-излучения; С - межэле­ ктродная емкость.

Возрастание проводимости конденсатора также отражается щунтирующим сопротивлением

Р $ * £ £ о / с

гд*	— 74 —
	£ - диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

С - емкость конденсатора; с/ь - радиационная проводимость;

<5~р	Аг" ~ 8МПМР1^ еский коэффициент пропорциональ­
ности;	£ - постоянная, характеризующая скорость рекомби­

нации нэбкточнях носителей. Процесс восстановления сопротивле­ ния диэлектрика конденсатора описывается выражением

Й С о - в ^ Я С ,

где Ь ,к - постоянные, зависящие от типа материала диэлек­ трика; ДСс я A t - постоянные времени конденсатора до и после облучения.

Более подробно модели резисторов и конденсаторов рассмо­ трены в /Ъ ].

Расчет параметров типовых схем Ю С с учетом радиационной деградации входящих в их состав комплектующих изделий прово­ дится, как правило, машиннши методами с использованием спе­ циальных программ, например Р £Т -4,£С А Р? $ С £ Р Т р £ / i f .

При наличии математического описания схемы для определе­ ния показателей стойкости используются аналитический метод вероятностного расчета и метод статистических испытаний (метод Монте-Карло). Метод статистических испытаний является наиболее проспи в реализации и основан на многократном расчете значе­ нийвыходных параметров схемы при случайно выбранных в соответ­ ствия с законами распределения значений параметров элементов и сравнения полученных значений с заданными в техническом за­ дания.

4.2. Экспериментальные методы определения показателей стойкости Ю С

Экспериментальные исследования являются неотъемлемым и, пожалуй, основным этапом оценки радиационной и электромагнит­ ной стойкости. РЭС. На этой стадии проводится проверка работы готовых образцов изделий в реальных полях Ш и ЭМИ. Основные сложности экспериментальных методов заключаются в определении

сприемлемой точностью характеристик воздействующих ИИ и ЭМИ,

атакже дистанционной регистрации электрических параметров исследуемых устройств в процессе и непосредственно после воз­ действия ИИ(ЭШ). Наиболее достоверными и информативными

-.75 - является результата испытаний РЭС в реальных условиях, нап­

ример в процессе подземных ядерньк взрывов или в ходе длитель­ ного полета космического аппарата, т.к. при этом на аппаратуру воздействует весь комплекс дестабилизирующих факторов, как ра­ диационных, так и механических и климатических. Но в связи с большими временными и материальными затратами на подготовь и проведение такие работы проводятся лишь в исключительных, осо­ бо важных случаях. Наиболее часто экспериментальные исследова­ ния по определению показателей стойкости РЭС к ИИ и ЭМИ выпол­ няются на специальных моделирующих установках, способных в ог­ раниченном пространстве создавать поля ИИ и ЭМИ какого-либо одного вида. Рассмотрим подробнее основные типы таких модели­ рующих установок /13/.

Для создания полей нейтронного излучения в настоящее время используются импульсные реакторы, ускорители и изотопные источ­ ники.

Импульсные реакторы являются наиболее распространеннш ведом моделирующих установок для создания импульса нейтронного излучения. Можно выделить два типа таких установок: критичес­ кие реакторы без отражателя и реакторы на тепловых нейтронах. Критические реактор: без отражателя представляют компактную сборку расщепляющего материала. В процессе работы такого реак­ тора создается импульс ИИ длительностью 50-100 мкс с приблизи­ тельно одинаковый потоком нейтронов и гаша-лучей к со спектром, соответствующим слегка эамедденноцу спектру нейтронов деления. Максимальная плотность потока нейтронов на малых образцах (с линейными размерами около I см) может достигать 5*I0^®CM"^C~J

в канале активной зоны реактора, вне канала примерно 2) (линейные размеры образца около 10 см). Импульсные тепловые реакторы характеризуются более высоким отношением плотностей потоков гамма-излучения и нейтронов. В области высоких анергий спектр нейтронов приблизительно такой же, как и для реакторов I типа, но доля промежуточных и тепловых нейтронов существенно вше. При работе импульсного теплового реактора формируется

гамма-нейтронный импульс ддяельнхгою	около 10 мс. Максимальная
плотность потока нейтронов достигает	в канале ак­

тивной зоны (размеры образца 5 х 30 см*-) и I0AOc»Ttc"'‘'вне хп~

н а ш на образце с размерами до 30 хЗО см^.

В. основе работы ускорителей частиц как источников потоков нейтронов дехит реакция образования нейтронов с энергией 14МэВ при бомбардировке ускоренньыи дейтронами ( £ — ' 150 кэВ) мишени, содержащей тритий. Источники такого типа могут быть как импульснши, так и непрерывными. Для них характерно высокое процент» ное отношение доли нейтронов к сопутствующему гамма-излучению, однако в целом интенсивность выходного излучения подучается низкой. Несомненны! достоинством таких установок является вы­ сокая энергия генерируемых нейтронов, поэтому источники данно­ го типа используются, в основном для исследования зависимости радиационных эффектов от энергии нейтронов в образцах малых размеров.

В последнее время в качестве непрерывного источника пото­ ка нейтронов с низким гамма-фоном нашли применение изотопные источники на основе массой несколько десятков миллиграш. Они: отличаются ж э х о й интенсивностью, но дают возможность при длительном облучении получать флюенс нейтронов, достаточный для исследования аффектов смещения.

В качестве непрерывного истопника гамма-излучения в на­ стоящее время широко используется реакция распада Со®®. Мощ­ ность дозы гамма-излучения, создаваемого такими установками, в большинстве случаев недостаточна для стимулирования ионизаци­ онных процессов, поэтому такие установки находят широкое при­ менение для изучения дозовых эффектов в аппаратуре и комплекс тующкх изделиях.

Для исследования переходных ионизационных эффектов исполь­ зуются установки, способные создавать за очень короткие про­ межутки времени ИИ с высокой мощностью дозы. К ним относятся импульсные рентгеновские установки и линейные ускорители эле­ ктронов. Импульсные рентеновские установки на облучаемой по­ верхности площадью до 104см^ создают импульс рентгеновского из ­ лучения длительностью около 100 нс с мощностью дозы Ю ^ р а д

( Si )/с при энергии квантов 0,1*10 МэВ. В работе моделирую­ щих установок на основе СВЧ линейного ускорителя электронов используется тормозное гамма-излучение, возникающее при взаи­ модействии ускоренных электронов со специальной мишенью. Полу­ чаемые гамма-кванты имеют энергию 2*100 МэВ. При работе таких

установок на площади IO^tlO^cif^ создается импульс гамма-излу­ чения длительностью 1СГ®*Юг^с и мощностью дозы до 1(/$вд(<£)6.

В последнее время для исследования переходных ионизацион­ ных эффектов в полупроводниковых приборах и интегральных мик­ росхемах все чаще используются лазерные имитаторы. Работа та­ ких имитаторов основана на генерации электронов в кремнии при поглощении фотонов лазерного излучения с энергией, превшающей ширину запрещенной зоны полупроводника. Сравнение результатов, полученных на лазерном имитаторе и на линейном ускорителе, по­ казывает, что полупроводниковый лазер с дайной волны 0,9*1,06мш способен вызывать в кремниевых структурах эффекты, аналогичные эффектам ускорителя. Лазерные имитаторы способны на площади 0,2 см^ создавать импульс излучения длительностью 10 *10“'с мощностью до Ю ^ р а д ( & )/с /14/. В связи с отсутствием ИИ такие установки являются радиационно безопасными и могут ис­ пользоваться в качестве "настольного" инструмента при исследо­ вании переходных ионизационных эффектов.

При моделировании радиационных эффектов, возникающих в космическом пространстве, основная проблема заключается в раз­ работке достоверных методов проведения ускоренных испытаний. Для этих целей в качестве моделирующих установок используют ус­ корители частиц.

Расчет средств защиты радиоэлектронной аппаратуры от Э Ш не дает абсолютной достоверности из-за допускаемых условностей и ограничений, неполноты имеющихся сведений о параметрах матери­ алов, характеристик конструкций, изменений свойств изделий от времени и в ходе эксплуатации неточного соблюдения технологий. Все это требует экспериментальной проверки устойчивости к Э Ш создаваемых устройств на действующих макетах, эксперименталь­ ных и серийных образцах при выпуске из производства и при пе­ риодических профилактических осмотрах.

Для экспериментальной проверки устойчивости систем к Э Ш создают соответствующую аппаратуру и разрабатывают согласо­ ванные методики, удовлетворяющие создателей аппаратуры и ее потребителей. Испытания проводят для определения последствий воздействия полей д Ш на отдельные элементы или ьа готовые из­ делия, а подчас и разветвленные системы. Весьма ответственны­ ми являются испытания экранирующих конструкций.

Для проведения испытаний, проверок разного вида существу­ ют имитаторы двух видов: импульсные генераторы электромагнитно­ го поля и импульсные генераторы напряжений.

Принцип действия импульсных генераторов поля (их иногда называют ударными) заключается в быстром разряде конденсаторов большой емкости, предварительно заряженных от мощных электри­ ческих источников высокого напряжения (до 50 кВ). В качестве устройств, формирующих имитируемые поля Э Ш , применяют антен­ ные системы различных конфигураций, что определяется необходи­ мым для испытания полем, объемом пространства, в котором поме­ щается испытуемая, техника.

Другими ~ди7тяшг испытательной аппаратура,необходимой для проведения проверок на реакцию ЭМИ, являются приемные устрой­ ства измерителя поля, регистрирующие и отображающие кратко­ временные электромагнитные процессы. Основным элементом для всех этих приборов является устройство, чувствительное к полю, по сути антенна , тип которой должен быть согласован с антен­ ной имитатора ЭМИ. Трудноосуществимой задачей является получе­ ние при испытаниях достоверных данных, тах как работы в этих случаях проводятся при полях высокой интенсивности, когда тру­ дно избавиться от неопределенных наводок. Уменьшение погреш­ ностей достигают расположением измерительной аппаратуры в тща­ тельно экранированных помещениях, сокращением длины соедини­ тельных проводов, применением автономного электроснабжения от аккумуляторных батарей иди других гальванических источников тока.

Экспериментальная проверка степени воздействия поражаю­ щих факторов на радиоэлектронную аппаратуру, в том числе эле­ ктромагнитного шпульса и ионизирующего излучения,позволяет выявить дефекты проектирования и несовершенство технологии изготовления.

Реализация на этане проектирования рассмотренных в посо­ бии способов защиты радиотехнических устройств и систем дает возможность сократить сроки вывода изделий на серийное произ­ водство, а также сократить расходы на работы, связанные с доведением стойкости образцов к негативным факторам до требуе­ мых уровней.

БИЫШОГРАЩиюм Пт сшсок

1. Мырова JL0., Чепиженко А.З. Обеспечение стойкости аппа­ ратуры связи к ионизирующим и электромагнитным излучениям. - М.: Радио и связь, 1988. - 296с,

2 . ГОСТ 18296-79. Стойкость аппаратуры, комплектующих элементов и материалов радиационная. Термины и определения.

3.Ширяев Л.Г/ Ионизирующие излучения и электроника. - М.: Сов.радио, 1969. - 191 с.

4.Риккетс Л.У., Бридкес Дк., Майлетта Дк. - Электромаг­ нитный импульс и методы защиты: Пер. с англ /Под ред. Н.А.Ужина

-М . : Атомиздат, 1979,- 328 с.

5. Bioketa Pundaaantala of Unclear Hardening of Blektronlg Bguipaent.-John.-1972.-P.548.

6 . Вавилов B.C., Ухин Н.А. Радиационные эффекты в полупро­ водниках и полупроводниковых, приборах. - М._: Атомиздат, 1969,-

311с.

7.Battiaki S., Boeeart В., Sohonbacher Н., Vanda Toorde М. Radiation Damage to Electronic Components// Hu olear Instrumentsaand Methods.-1976.-Vol.136.-P.451-472.

8 . Костюквв H.C. Радиационное электроыатериаловедение. - M.: Энергоатомиздат, 1979,- 364 с.

9. Коршунов Ф.П., Богатырев JD.B., Вавилов В.А. Воздействие радиации на интегральные микросхемы. - Ын.: Наука и техника, 1986,- 254 с.

10.Вагпеа С.В. Radiation-H ardened Optoalaotronie Compo­ nentал Souroes//SPXB.-1986<?-Vol.—616.-P, 248*253*

11.Kakuta T., Wakayama U., Sanada £., et al. Radiation

Reaiatanoe Oharaoteristioa of Optical Pibera//Journal of light­

wave. Technolgy.-1986.-Vol.bT-4.-K3-P.il 39-1143*

12. ВЭНС Э.ш. Влияние электромагнитных полей на экраниро­ ванные кабели. - М . : Радио и связь, 1982.- 120 с.

13. Ван Линт В.А.Дк. Моделирование радиационных эффектов ь электронике // ТИИЭР, 1974,- Т.62.- # 9.- С. II85-II90.

IA. Hardman Ы.А., Edwards A.R. Exploitation of a Pulaed Laser to Explore Transient Effects on Semiconductor Devices// IEEE Trane. Kucl.Sci.-1984.-Vol.RS-31.-»6.-P.1406-1410.

	- 80 -
	СОДЕРЖАНИЕ
Введете................................	. . ..........3
I» Характеристика а способа задания жестких условий
эксплуатации	4

2.Влияние ионазирудцих а электромагнитных излучений щ работоспособность РЭС . . . . . . . . . . . . . .18

3.Принципы обеспечения стойкости РЭС к ионизирующим

жэлектромагнитным излучениям. « . . • .............43

4.Методы откати» радиационной и электромагнитной стой— коотж РЭС. . . . . . . ............. . . . . . . .71

Библиографический список. ....................... .79

МандеАлександр Федорович Успожокий Бигений Сергеевич Рощупкин Борио Владимирович

У Ш Ш М Х ЭКСПЛУАТАЦИИ

Редактор А.Ф.Мешс

Литературный редактор Н.Н.Петрушина

Подписано в печать 06.05.92. Формат 60 х 84 I/I6. Бумага оберточная. Печать офсетная. Усд.печ.л. 4,65. Уел.кр.-отт. 18.6. Уч.-изд.л. 5,0. Тираж 500 экз.

С 298.

Московский институт радиотехники, электроники и автоматики II7454 Москва, прооп. Вернадского, 78.