Создание комплекса для радиационных испытаний электронной компонентной базы на пучках синхроциклотрона ПИЯФ

Современный мир напрямую зависит от эффективной работы различных космических систем. Множество задач решаются сегодня с помощью средств космического базирования: прогноз погоды и разведка полезных ископаемых, мониторинг окружающей среды и развитие телекоммуникаций и телевидения, обеспечение обороноспособности страны и многое другое. Если первые космические аппараты успешно работали где-то в течение года, то в настоящее время стоит задача обеспечения сроков активного их функционирования в течение 7 -М 0 лет и в перспективе 15 лет.

Совершенствование космической и авиационной техники в значительной степени обеспечивается широким применением изделий микро — и наноэлектроники. Одним из основных условий их успешного использования является способность длительное время надежно функционировать в радиационных полях космического пространства и верхних слоев атмосферы.

На современном этапе развития спутниковых систем остро стоит необходимость создания высоконадежной радиоэлектронной аппаратуры для автоматических космических аппаратов с длительным сроком активного существования, эксплуатируемой в условиях открытого космического пространства, с одновременным увеличением ее функциональных возможностей до 3-х раз, снижением массовых характеристик до 2-х раз и обеспечением радиационной стойкости радиоэлектронной аппаратуры. Это приводит к необходимости применения в радиоэлектронной аппаратуре функционально сложной электронной компонентной базы (ЭКБ) — больших и сверхбольших интегральных схем (БИС, СБИС) и мощных МОП транзисторов, а также электронных модулей на их основе. Указанная ЭКБ и модули являются весьма чувствительными к воздействию высокоэнергетичных протонов и тяжелых заряженных частиц космического пространства, которые могут вызывать одиночные сбои в их работе и катастрофические отказы, что в свою очередь приводит к аналогичным эффектам в радиоэлектронной аппаратуре автоматических космических аппаратов, особенно в периоды повышенной солнечной активности.

Широкое применение полупроводниковых изделий микроэлектроники в качестве элементной базы космических электронных систем сделало актуальной задачу оценки и прогнозирования уровней отказов элементов и узлов к радиационным воздействиям космического пространства.

Требования проведения этих испытаний обусловлены тем обстоятельством, что в современных приборах, изготовляемых по микронной и субмикронной технологиям, возникли новые эффекты радиационного воздействия, связанные с ионизационными эффектами и структурными повреждениями изделий под действием отдельных высокоэнергетических частиц, так называемые единичные радиационные эффекты, или Single Event Effect (SEE). Единичные радиационные эффекты — это сбои (инверсии в ячейках памяти динамических и статических ОЗУ), тиристорные эффекты в паразитных биполярных структурах МОП интегральных схем, микродозовое поглощение в диэлектрических структурах МОП интегральных схем, изготовленных по технологиям менее 0,35 мкм, пробои подзатворного диэлектрика в мощных МОП транзисторах и др. Для различных изделий электронной техники оказались критичны случаи однократного выделения в их объеме больших величин энергии, в результате чего возможно резкое ухудшение параметров или полная потеря работоспособности элементов изделий.

Единичные эффекты возникают в интегральных полупроводниковых элементах (ИПЭ) при воздействии на них высокоэнергетичных космических ионов, протонов, альфа частиц, нейтронов и некоторых других частиц. Воздействие тяжелых ионов, и в некоторых случаях альфа частиц, обусловлено прямыми ионизационными потерями энергии в чувствительных объемах ИПЭ.

В случае протонов и нейтронов, имеющих малые ионизационные потери в материале ИПЭ, единичные эффекты возникают из-за ионизационных потерь энергии вторичными тяжелыми ионами, которые образуются в результате инициируемых протонами и нейтронами ядерных реакций, происходящих непосредственно в чувствительном объеме или рядом с ним.

В основе большинства единичных эффектов лежит эффект изменения состояния элементарных транзисторов и конденсаторов. Непосредственной причиной таких «сбоев» является накопление в критичной области изделия электрического заряда, способного перевести элементарный транзистор или конденсатор в противоположное состояние (из логического нуля в логическую единицу и наоборот, из включенного состояния в выключенное и наоборот, из заряженного состояния в разряженное и наоборот).

Обеспечение и прогнозирование радиационной стойкости интегральных схем осуществляется на основе требований соответствующих нормативно-технических документов. Так, за рубежом этим целям служат стандарты США MIL-STD-883 и JEDEC89, а также Европейского космического агентства ESA/SSC Basic Specification. В России таким документом является Комплекс Государственных Военных Стандартов «Климат-7"1, предусматривающий испытания ЭКБ на воздействие спецфакторов открытого космического пространства, в том числе тяжелых заряженных частиц и высокоэнергетичных протонов.

Развитие отечественной электронной компонентной базы и обеспечение ее радиационной стойкости является приоритетной государственной задачей в соответствии с «Основами политики Российской Федерации в области развития электронной компонентной базы на период до 2010 года и дальнейшую перспективу», утвержденных Президентом Российской Федерации 12.04.2002 и Федеральной Целевой Программой «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008 — 2015 годы, утвержденной постановлением Правительства РФ № 809 от 26 ноября 2007 года.

В России отсутствуют специализированные установки для комплексных исследований радиационных эффектов ЭКБ в протонных, нейтронных и.

1 (ГОСТ РВ 20.39.4.,., ГОСТ РВ 20.57.4.) — система стандартов России 1997;98 г. г. определяющих требования к военной технике (ГОСТ В 20.39) и методы испытаний на соответствие этим требованиям (ГОСТ В 20.57) ионных пучках. Подобные исследования, как правило, проводятся в ядерных научных центрах на испытательных стендах, созданных на базовых экспериментальных установках.

Развитие радиационностойкой ЭКБ требует создания новых и развития действующих испытательных стендов.

Представляется своевременным инициирование работ по созданию и развитию Комплекса для испытаний ЭКБ на воздействие высокоэнергетичных протонов и нейтронов на базе синхроциклотрона ПИЯФ с энергией протонов 1000 МэВ.

Цели работы.

• Создание протонных и нейтронного пучков, удовлетворяющих требованиям Российских и Международных стандартов для испытания ЭКБ.

• Экспериментальные исследования параметров созданных пучков.

• Создание аттестованных рабочих установок для радиационных испытаний ЭКБ и исследовательских работ.

• Создание комплекса для радиационных испытаний ЭКБ на синхроциклотроне ПИЯФ.

Научная новизна.

• Создан стенд для радиационных испытаний ЭКБ на протонных пучках с энергиями от 200 МэВ до 1000 МэВ, оборудованный оригинальными системами диагностики.

• Предложена новая схема получения нейтронного пучка со спектром, повторяющим спектр атмосферных нейтронов. Данный нейтронный пучок является единственным в Европе. Новизна подтверждена Патентом [1].

• На базе синхроциклотрона ПИЯФ создан новый универсальный комплекс для радиационных испытаний Электронной Компонентной Базы в протонных и нейтронном пучках.

Практическая ценность работы.

В течение последних 10 лет в ПИЯФ исследовались отказы и сбои под действием отдельных протонов и нейтронов в работе различных высокоинтегрированных изделий: элементов памяти, транзисторов, ПЗС-матриц. В этом направлении ПИЯФ активно сотрудничает со многими организациями и предприятиями России: Секцией прикладных проблем РАН (г. Москва), ОАО «ЭНПО СПЭЛС», (г. Москва), ОАО «Российские космические системы» (г. Москва), НИИ Космического Приборостроения (г. Москва), ОАО «РНИИ «Электронстандарт» (г. Санкт-Петербург), НИИ Телевидения (г. Санкт-Петербург), и др. Проявлен интерес зарубежных исследовательских фирм: iRoc Technologies, ONERA (Франция). Анализ полученных результатов указывает на то, что в результате ядерных реакций в наноструктурах следует ожидать выхода из строя областей с большим количеством элементов (отдельных блоков).

Следует иметь в виду, что подобные испытания, по всей видимости, необходимы и для конструкционных, биомедицинских и других наноматериалов, которые также повреждаются в полях ионизирующих излучений.

На рисунке 1 приведен график использования синхроциклотрона ПИЯФ на выполнение работ по испытаниям ЭКБ на радиационную стойкость.

Кроме радиационных испытаний ЭКБ на узком протонном пучке 025 мм проводятся тестовые испытания экспериментального оборудования и детектирующих структур, предназначенных для работы в международных физических экспериментах СВМ и PANDA на строящемся в GSI комплексе FAIR.

А юоо^.

-'Г 1 ' I ' ' ¦ ' ' | ' ' I ' '. '-,-1 I ' ' ¦ 1 1 I 1 ' ' ' 1 I ' ' ' '-1—.

1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012.

Год.

Рисунок 1.

График выполнения работ по испытаниям ЭКБ на радиационную стойкость на синхроциклотроне ПИЯФ.

На защиту выносятся;

Способы формирования узких (025 мм) и широких (до 0300 мм) протонных пучков для испытаний ЭКБ.

Расчет и формирование протонного пучка с переменной энергией от 200 МэВ до 1000 МэВ для испытаний ЭКБ.

Создание трактов транспортировки протонного пучка к месту облучения. Создание приборов для диагностики и мониторирования протонного и нейтронного пучков.

Экспериментальное исследование параметров протонных пучков для испытаний ЭКБ.

Расчет, создание и экспериментальное исследование параметров нейтронного пучка, повторяющего спектр атмосферных нейтронов. Создание рабочих мест для проведения испытаний ЭКБ на протонном и нейтронном пучках.

Создание на базе синхроциклотрона ПИЯФ универсального комплекса для радиационных испытаний ЭКБ, используемой в космических аппаратах, авионике и промышленности. Комплекс позволяет проводить ускоренные испытания, как на протонных, так и на нейтронном пучках.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 111 страниц машинописного текста, 73 рисунка, 11 таблиц и список литературы, включающий 79 наименований.

4.4. Выводы.

В главе 4 приводятся расчеты нейтронного пучка с энергетическим спектром нейтронов, повторяющим спектр атмосферных нейтронов и удовлетворяющего международному стандарту JEDEC89, принятого для испытаний ЭКБ.

Описаны способ получения такого нейтронного пучка, методика измерений его параметров.

Выполнены работы по реализации нейтронного пучка и экспериментальные работы по измерению его параметров. Создано рабочее место для проведения испытаний ЭКБ.

Этот пучок является единственным в Европе, позволяющим проводить ускоренные испытания электронной компонентной базы по требованиям международного стандарта.

5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящее время ПИЯФ располагает следующей экспериментальной облучательной базой:

1. Ускорителем протонов — синхроциклотроном — на энергию выведенного пучка 1000 МэВ.

2. Выведенный протонный пучок обладает уникальной временной структурой: duty factor, определяемый как отношение длительности макроимпульса тока протонов к периоду их следования m = At/T может плавно меняться в диапазоне от 1.7% до 85% при частоте вывода 50 Гц.

3. Слабо расходящимся протонным пучком диаметром 26 мм в месте облучения ЭКБ. Энергия протонного пучка 1000 МэВ. Возможно увеличение размера протонного пучка до 0300 мм.

4. Протонным пучком с переменной энергией в диапазоне 200 МэВ + 1000 МэВ и размером в месте облучения 030 мм.

5. Для испытаний ЭКБ на синхроциклотроне ПИЯФ РАН получен и сформирован единственный в Европе нейтронный пучок, спектр которого аналогичен спектру атмосферных нейтронов, удовлетворяющий международному стандарту JESD89.

6. Разработана система on line диагностики и мониторирования протонных и нейтронных пучков.

В последние десять лет ПИЯФ регулярно проводит радиационные испытания ЭКБ на протонном пучке. На протонных пучках синхроциклотрона 1000 МэВ ПИЯФ ведутся работы как сотрудниками ПИЯФ, так и сторонними ведущими организациями России по проведению радиационных испытаний: ОАО «ЭНПО СПЭЛС», (г. Москва), ОАО «Российские космические системы» (г. Москва), НИИ Космического Приборостроения (г. Москва), ОАО «РНИИ «Электронстандарт» (г. Санкт-Петербург), НИИ Телевидения (г. Санкт-Петербург), и др. Проявлен интерес зарубежных исследовательских фирм: iRoc Technologies, ONERA (Франция).

Рабочие места для проведения испытаний ЭКБ на радиационную стойкость показаны на рисунке 5.1.

Места тестирования оборудования на нейтронном и протонном пучках fttyrpewii мейтрамопром" од ««.

Места тестирования оборудования на протонном пучке.

Места тестирования оборудования на «'' нейтронном пучке.

Рисунок 5.1.

Рабочие места для проведения испытаний ЭКБ.