eng
Содержание
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Глава 1. Радиационные условия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.
Внешние воздействующие факторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.
Состав ионизирующего излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.
Величины и единицы ионизирующих излучений . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.
Основные соотношения между величинами ионизирующих излучений 19
Глава 2. Источники ионизирующего излучения естественного происхождения . . . . . . . . 21
2.1.
Радиационные факторы космического пространства . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.1.
Радиационные пояса Земли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.2.
Солнечные космические лучи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1.3.
Галактические космические лучи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.1.4.
Вторичное излучение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.
Естественный радиационный фон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.
Естественная радиоактивность материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Глава 3. Источники ионизирующего излучения искусственного происхождения . . . . . . . 41
3.1.
Радиационные факторы ядерного взрыва . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.
Искусственные радиационные пояса Земли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.
Ядерно-энергетические установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Глава 4. Основные механизмы взаимодействия ионизирующих частиц с веществом. . . . 49
4.1.
Ионизационные потери ядерных частиц. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.1.
Ионы и протоны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.2.
Электроны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.3.
Рентгеновское и гамма-излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.4.
Оптическое излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2.
Дефектообразование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.
Ядерные реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4.
Радиационно-индуцированный разогрев . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.5.
Поглощенная доза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Глава 5. Элементы интегральных схем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.1.
Современные тенденции развития ИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2.
Биполярная технология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.3.
КМОП-технология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.4.
Особенности элементов современных ИС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Глава 6. Доминирующие радиационные эффекты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.1.
Энергетический подход. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.2.
Структурные повреждения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.3.
Объемные равновесные ионизационные эффекты. . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.4.
Поверхностные равновесные ионизационные эффекты . . . . . . . . . . . . 117
6.5.
Неравновесные радиационные эффекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.6.
Термомеханические эффекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Глава 7. Структурные повреждения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7.1.
Деградации характеристик элементов биполярных схем . . . . . . . . . . . 127
7.2.
Оценка деградации характеристик МОП-транзисторов . . . . . . . . . . . . 135
7.3.
Оценка деградации характеристик диодных элементов . . . . . . . . . . . . 136
7.4.
Деградация характеристик оптоэлектронных приборов . . . . . . . . . . . . 139
7.5.
Деградация характеристик ИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
7.6.
Микродозиметрические эффекты в ИС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Глава 8. Объемные ионизационные эффекты в полупроводниковых структурах . . . . . . 157
8.1.
Основные уравнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
8.2.
Однородная полупроводниковая структура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
8.3.
Формирование ионизационного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
8.4.
Формирование ионизационной реакции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
8.5.
Асимптотическая модель. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
8.6.
Влияние условий эксплуатации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
8.7.
Ионизационная реакция в условиях сильной ионизации. . . . . . . . . . . 183
Глава 9. Объемные ионизационные эффекты в ИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
9.1.
Схемотехнические модели. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
9.2.
Эффект «просадки» питания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
9.3.
Тиристорный эффект . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
9.4.
Переходные ионизационные эффекты в ИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Глава 10. Поверхностные радиационные эффекты в элементах ИС . . . . . . . . . . . . . . 209
10.1.
МОП-структуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
10.2.
Биполярные транзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
10.3.
Влияние интенсивности облучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
10.3.1.
Низкоинтенсивное излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
10.3.2.
Среднеинтенсивное излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
10.3.3.
Высокая интенсивность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
10.4.
Особенности проявления поверхностных радиационных эффектов
в ИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Глава 11. Ионизационная реакция от отдельной ядерной частицы . . . . . . . . . . . . . . . 244
11.1.
Одиночные радиационные эффекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
11.2.
Механизмы энерговыделения в чувствительном микрообъеме . . . . . 249
11.3.
Диффузионно-дрейфовые механизмы собирания заряда с трека
заряженной частицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
11.4.
Диффузионные процессы собирания заряда с трека ТЗЧ . . . . . . . . . 254
11.5.
Генерация неравновесного заряда вторичными частицами . . . . . . . . 262
Глава 12. Одиночные радиационные эффекты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
12.1.
Одиночные сбои . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
12.2.
Импульсы помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
12.3.
Многократные сбои. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
4
Содержание
12.4.
Одиночные тиристорные эффекты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
12.5.
Эффекты лавинного умножения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
12.6.
Пробой диэлектрика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
12.7.
Микродозовые эффекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
Глава 13. Оценка показателей стойкости к эффектам от отдельных ядерных частиц . . 306
13.1.
Оценка показателей при воздействии тяжелых заряженных частиц . 306
13.1.1.
Модель тонкой области . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
13.1.2.
Модель прямоугольного параллелепипеда . . . . . . . . . . . . . . . 307
13.1.3.
Диффузионная модель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
13.1.4.
Эффекты пробоев . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
13.2.
Оценка показателей при воздействии протонного излучения . . . . . . 315
13.3.
Особенности оценки частоты ОРЭ при нейтронном воздействии . . . 322
13.4.
Оценка соответствия заданным требованиям . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
Глава 14. Типовые уровни радиационной стойкости ИС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
14.1.
Классификация ИС по уровням стойкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
14.2.
Типовые уровни стойкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
Список сокращений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
Условные обозначения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
Приложение 1. Полезная информация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
Приложение 2. Цветные иллюстрации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
Введение
Современные изделия микроэлектроники находят широкое распространение
в различных сферах деятельности: от применения в простейшей бытовой тех-
нике до систем искусственного интеллекта. Сегодня невозможно представить
себе жизнь без персональных компьютеров, различных гаджетов, систем кос-
мической навигации т.п.
Среди многочисленных факторов, влияющих на функционирование элект-
ронной аппаратуры при ее эксплуатации, особое значение имеет воздействие
полей ионизирующих излучений искусственного и естественного происхожде-
ний. Даже на поверхности Земли имеют место функциональные сбои кар-
диостимуляторов, автомобильной электроники и суперкомпьютеров, вызван-
ные фоновым радиационным излучением. Увеличение сроков активного
существования, переход на открытые платформы космических аппаратов уси-
лили актуальность задачи оценки и прогнозирования уровней отказов элект-
ронных элементов и узлов к радиационным воздействиям космического про-
странства. Из-за влияния атмосферных нейтронов имеют место сбои и отказы
авионики, а естественная альфа-радиоактивность материалов вызывает сбои
даже в нормальных условиях эксплуатации.
Проблема обострилась еще и тем, что в электронной аппаратуре, в первую
очередь специального назначения, широко используются функционально
сложные изделия, для которых практически невозможно провести весь цикл
работ по обеспечению требований по радиационной стойкости. Проектирова-
ние электронных систем с использованием современных изделий электронной
компонентной базы (ЭКБ), появление новых радиационных эффектов, посто-
янное совершенствование технологии изготовления ИС привело к невозмож-
ности производства относительно полной номенклатуры радиационно стойких
изделий. Это обусловлено тем, что разработка ИС с повышенными показате-
лями качества, в соответствии с действующими стандартами, требует значи-
тельных средств и ресурсов. Стоимость радиационно cтойких изделий на
два-три порядка выше, чем аналогичные изделия индустриального назначе-
ния. Необходимо отметить также «провал» в этой проблематике в РФ, кото-
рый произошел с начала 90-х годов прошлого столетия. Фактически многие
подразделения у разработчиков элементной базы и электронной аппаратуры,
занимающихся проектированием и испытанием радиационно стойких изде-
лий, были ликвидированы.
На современном этапе методы моделирования и оценки радиационной
стойкости ИС должны учитывать следующие тенденции:
— рост качества технологии изготовления интегральных схем, которое по-
тенциально не ухудшает показатели радиационной стойкости активных
элементов ИС, но приводит к существенному влиянию паразитных
структур;
— появление новых элементов ИС и увеличение их плотности размещения
на кремниевом кристалле, для которых ограничены классические мето-
ды схемотехнического моделирования из-за влияния интегральных эф-
фектов и паразитных структур;
— усиление роли микродозиметрических и одиночных радиационных эф-
фектов, для которых неприменимы классические модели, ориентиро-
ванные на использование усредненных характеристик полей ионизиру-
ющего излучения.
В настоящее время достигнутый уровень разрешения технологии интег-
ральных схем составляет около 2 нм. Использование пониженного напря-
жения или мощности потребления означает, что требуются меньший заряд,
необходимый для запоминания информации, и реализуются более низкие из-
менения пороговых напряжений, приводящих к параметрическим отказам.
Однако при этом имеет место и положительная тенденция в связи с совершен-
ствованием технологических операций (за счет уменьшения толщин структур,
снижения уровня дефектности исходных материалов, повышения уровней ле-
гирования и т.п.), вследствие чего происходит снижение чувствительности ха-
рактеристик ИС к радиационным эффектам.
Вопросам изучения радиационных эффектов в полупроводниковых прибо-
рах и ИС посвящено достаточно много публикаций и монографий. Наиболее
полно результаты научно-технических исследований представлены на ежегод-
ных российской конференции «Стойкость», международных конференциях
IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Conference (NSREC) и RADECS.
Однако следует отметить, что российские издания по этой проблеме в
основном не в полной мере отражают современное состояние проблемы, к
тому же они затрагивают только часть ее, в основном связанную с факторами
космического пространства. Зарубежные монографии или обзоры труднодо-
ступны российским специалистам. Поэтому назрела необходимость публика-
ции издания, в котором нашли бы отражение все основные накопленные по
этой тематике знания, начиная с фундаментальных основ физики радиацион-
ных эффектов в ИС и проявления их в изделиях микроэлектроники с учетом
последних технологических достижений. При этом автору хотелось уделить
внимание как фундаментальным основам физики радиационных эффектов в
ИС, так и непосредственному анализу особенностей проявления радиацион-
ных эффектов в ИС. Понимая невозможность полноценного решения постав-
ленной задачи, пришлось пожертвовать материалами, которые можно найти в
других доступных публикациях или имеющирми чисто прикладной характер.
Большинство представленных оригинальных результатов получено спе-
циалистами экспериментального научно-производственного объединения
«Специализированные электронные системы» (ЭНПО СПЭЛС) и НИЯУ
МИФИ, в том числе Бобровским Д.В., Боруздиной А.Б., Егоровым А.Н., Ка-
лашниковым О.А., Кессаринским Л.Н., Маврицким О.Б., Петровым А.Г., Пе-
ченкиным А.А., Скоробогатовым П.К., Савченковым Д.В., Смолиным А.А.,
Согояном А.В., Швецовым-Шиловским И.И., Яненко А.В. и другими, за что
им автор очень признателен. В представленной работе нашли отражение также
результаты исследований специалистов из других организаций, в том числе
Беляковым В.В., Герасимовым В.Ф., Емельяновым В.В., Ереминым Н.В., Зин-
ченко В.Ф., Кузнецовым В.Н., Першенковым В.С., Потапенко А.И., Тапе-
ро К.И., Тверским М.Г., Улимовым В.Н., Хаустовым В.В. и рядом других.
Введение 7
Автор считает своим приятным долгом также выразить признательность
Артамонову А.С., Бойченко Д.В., Громову Д.В., Демидову А.С., Никифоро-
ву А.Ю., Полунину В.А., Помазану Ю.В., Тельцу В.А., Улановой А.В., Шахов-
скому В.В. и другим за обсуждение актуальных научно-технических проблем.
За время работы мне посчастливилось познакомится с основоположника-
ми этой тематики в РФ: с Ухиным Н.А., Агаханяном Т.М., Ладыгиным Е.А.,
Чепиженко А.З., Малининым В.Г., Гориным Б.Г., Вавиловым В.А. и другими,
которые в значительной мере помогли в моем становлении как специалиста.
Автор признателен членам своей семьи: супруге Татьяне и сыновьям Кон-
стантину и Иннокентию, которые помогали в работе.
Хочется выразить благодарность сотрудникам ЦЭПЭ НИЯУ МИФИ,
АО «ЭНПО СПЭЛС» за помощь материалами при подготовке рукописи к из-
данию.
Особо хотелось поблагодарить рецензентов Маркова Михаила Борисовича
и Титаренко Юрия Ефимовича, которые нашли время ознакомиться с рукопи-
сью и дать ряд ценных замечаний.
Ваши отзывы, предложения и замечания по содержанию книги и по суще-
ству затронутых в ней проблем просим направлять по адресу: 115409, Москва,
Каширское ш., 31, НИЯУ МИФИ, ЦЭПЭ.
8 Введение
ÃËÀÂÀ 1
ÐÀÄÈÀÖÈÎÍÍÛÅ ÓÑËÎÂÈß
1.1. Внешние воздействующие факторы
Интегральные схемы (ИС) и полупроводниковые приборы (ППП) в составе ра-
диоэлектронной аппаратуры (РЭА) могут функционировать в различных усло-
виях эксплуатации, в том числе в условиях воздействия внешних дестабилизи-
рующих факторов (ВВФ) [1]. Все ВВФ делятся на классы ГОСТ 21964 [2]
(рис. 1.1). Для большинства изделий микроэлектроники основными внешними
воздействующими факторами являются климатические и механические. Элект-
ромагнитные, биологические, термические, радиационные и факторы специаль-
ных сред рассматриваются для специализированных изделий, среди которых
важное место занимают радиационные воздействия.
В общем случае конкретных видов ВВФ существует достаточно много.
Проанализируем их на примере факторов космического пространства (ФКП)
исходя из современных представлений о существующих факторах космическо-
го пространства (КП) [3-5], способных повреждать электронную аппаратуру
космических аппаратов (КА). В табл. 1.1 на примере средств оптико-электрон-
ных систем представлены основные ФКП и их характеристики.
Ионизирующее излучение (ИИ) состоит из потока первичных заряженных
ядерных частиц (электроны, протоны и тяжелые заряженные частицы), а так-
же вторичных ядерных частиц — продуктов ядерных превращений, связанных
с первичными частицами. Основные эффекты воздействия ИИ на электрон-
ную аппаратуру обусловлены ионизационными и ядерными потерями энер-
гии первичных и вторичных частиц в чувствительных объемах элементов ин-
тегральных схем.
Рис. 1.1. Классы внешних воздействующих факторов
Таблица 1.1. Основные эффекты, возникающие в бортовых электронных
устройствах при воздействии ФКП [3—5]
№ Факторы космиче-
ского пространства
Особенности влияния ФКП на элементы
и технические устройства КА
Характеристики
ФКП и сопутствую-
щих эффектов, тре-
бующих учета
1 Ионизирующие
излучения:
— естественные
радиационные по-
яса Земли;
— искусственные
радиационные по-
яса Земли;
— галактические
и солнечные кос-
мические лучи
(радиация)
Деградация параметров ИС, отказы и сбои
в работе изделий микроэлектроники;
изменение прозрачности оптических сред
(радиационное окрашивание и растрески-
вание оптических стекол), световые поме-
хи в оптико-электронной аппаратуре
вследствие радиолюминесценции и воздей-
ствия ядер космических излучений в опти-
ческих деталях;
пробой и растрескивание изолирующих
материалов вследствие электризации ди-
электриков;
уменьшение мощности источников пита-
ния из-за деградации параметров солнеч-
ных батарей
Флюенсы потоков
ионизирующих из-
лучений, их энерге-
тические спектры,
зарядовое состояние
и пространствен-
но-временные рас-
пределения потоков
заряженных частиц
2 Космическая
плазма
(плазма)
Сбои и отказы радиоэлектронной аппара-
туры вследствие паразитных наводок
и пробоев;
загрязнение элементов оптических
устройств из-за распыления материалов;
ухудшение свойств терморегулирующих
покрытий из-за растрескивания и частич-
ного испарения их материала;
паразитные высокочастотные наводки
Параметры плазмы
на различных орби-
тах полета КА.
Параметры элект-
ризации КА:
— предельный по-
тенциал;
— частота разрядов;
— спектры электро-
магнитных и опти-
ческих помех;
— параметры пер-
вичной и вторич-
ной фотоэмиссии
3 Тепловое излуче-
ние Солнца, пла-
нет и космическо-
го пространства
(температура)
Изменение оптических свойств оптических
покрытий различного назначения (оптиче-
ских фильтров, клеев и т.п.);
изменения характеристик электрорадиоиз-
делий вследствие влияния температурных
эффектов
Характеристики
тепловых потоков
на солнечной сто-
роне и в тени КА
на орбитах полета;
диапазон и гради-
енты изменения
температур
4 Невесомость Отсутствие конвекционного теплообмена;
отсутствие механических нагрузок под дей-
ствием силы тяжести;
экранирование поля зрения оптических
устройств частицами, элементами конст-
рукций, «плавающими» в невесомости
Температурные
поля, их градиенты
над различными
поверхностями
в вакууме
10 Глава 1. Радиационные условия
№ Факторы космиче-
ского пространства
Особенности влияния ФКП на элементы
и технические устройства КА
Характеристики
ФКП и сопутствую-
щих эффектов, тре-
бующих учета
5 Собственная
внешняя
атмосфера
(атмосфера)
Загрязнение внешних покрытий и оптиче-
ских поверхностей;
теневые помехи оптико-электронным
устройствам
Характеристики
ионно-газопылевой
атмосферы КА (со-
став и плотность
частиц, их про-
странственно-вре-
менные распределе-
ния и зарядовое со-
стояние)
6 Микрометеориты
(объекты)
Эрозия поверхности, нарушение механиче-
ских характеристик корпусов, необратимые
отказы элементов солнечных батарей
Потоки микромете-
оритов, масса
и скорость налетаю-
щих микрометеори-
тов
7 Космический
вакуум
(атмосфера)
Ухудшение характеристик теплоотвода
в негерметизированных отсеках;
«холодная» сварка металлических поверх-
ностей контактов в механизмах привода
Давление и концен-
трация газовых час-
тиц;
эффективная темпе-
ратура
8 Замкнутый объем Отсутствие потенциала «земли»;
сигналы электрических помех из-за повер-
хностных токов
Амплитудно-вре-
менные характери-
стики сигналов
электромагнитных
помех
9 Геомагнитное
поле
(геомагнетизм)
Изменение электромагнитных полей внут-
ри КА;
сбои и отказы радиоэлектронной аппарату-
ры вследствие паразитных наводок и про-
боев
Характеристики
магнитного поля,
изменение характе-
ристик во время
магнитных бурь
Влияние ИИ совместно с космической плазмой проявляется через элект-
ризацию диэлектрических защитных и термоизолирующих покрытий. По мере
достижения критического заряда происходит внутренний локальный электро-
статический пробой, который может привести к непосредственному отказу
или сбою прибора. Возможен также косвенный эффект через действие элект-
ромагнитного поля, возникающего при пробое.
Неравномерный разогрев конструкций КА за счет солнечного излучения,
а также при попадании в зону тени от других объектов приводит к значитель-
ным циклическим изменениям температуры внешней поверхности КА. В резу-
льтате возникают температурные градиенты, которые могут приводить к тер-
момеханическим напряжениям и возникновению термоэдс.
1.1. Внешние воздействующие факторы 11
Таблица 1.1. (Окончание)
Из-за действия невесомости ухудшается тепловой режим работы электрон-
ной аппаратуры, так как отсутствует конвекционный съем тепла с нее. Поэто-
му возможен разогрев аппаратуры за счет внутренней рассеиваемой мощности.
Действие микрометеоритов приводит к механическим повреждениям
внешней поверхности приборов. Наиболее существенно этому воздействию
подвержены солнечные батареи.
Отсутствие привычной шины земли приводит к тому, что общий потенци-
ал колеблется, а протекание поверхностных токов по поверхности КА может
служить дополнительным источником возникновения сигналов помех.
Анализ табл. 1.1 показывает, что эксплуатационные условия электронной
аппаратуры КА в условиях КП определяются большим числом факторов, име-
ющих различную физическую природу. Детальный анализ влияния этого ком-
плекса на работоспособность КА в условиях открытого космоса позволяет вы-
делить ряд независимых факторов, а остальные рассматривать с точки зрения
радиационного и теплового воздействия. Справедливость этого вывода под-
тверждена наличием тесной корреляционной связи между отдельными факто-
рами. Так, например, невесомостью обусловлено отсутствие конвекции при
теплообмене, а наличие вокруг КА собственной внешней атмосферы приводит
к изменению вакуума, что, в свою очередь, влияет на теплообмен в открытом
космическом пространстве.
1.2. Состав ионизирующего излучения
В общем виде радиационные факторы можно разделить на две большие груп-
пы по их происхождению — естественного или искусственного происхожде-
ния. К первой группе относится ионизирующее излучение, источниками кото-
рого являются различные природные явления, например космическое
излучение. К искусственным источникам радиации относится излучение, ко-
торое возникает за счет деятельности человека, например ионизирующее излу-
чение ядерных энергетических установок.
Ионизирующее излучение, или радиация, создается различными типами
ядерных частиц. К важнейшим из них относятся: нейтроны, протоны, ионы,
электроны, гамма-кванты и фотоны, характеристики взаимодействия которых
в значительной степени зависят от энергии ядерных частиц. Как правило,
в ядерной физике энергию определяют величиной эВ, которая соответствует
значению, полученному ядерной частицей с зарядом по абсолютной величине
равному заряду одного электрона при приложенном напряжении равном 1 В.
1 эВ равен 2,6.1019
Дж.
Кратко рассмотрим физические особенности каждой ионизирующей час-
тицы. По типам ядерных частиц их можно разделить на заряженные: протоны,
ионы и электроны и нейтральные (косвенно ионизирующие): нейтроны, гам-
ма-кванты и фотоны.
Нейтрон
Нейтрон в свободном состоянии представляет собой нейтральную ядерную
частицу с массой покоя около 1,67·1027
кг (940 МэВ). В свободном состоянии
12 Глава 1. Радиационные условия
нейтрон радиоактивен и распадается на протон, электрон и нейтрино. Период
полураспада чуть более 10 мин. Для нейтрона, как элементарной ядерной час-
тицы, характерно проявление волновых свойств.
Очень часто нейтроны квалифицируют по спектру — функции, описываю-
щей распределение нейтронов по энергии. Как правило, выделяют несколько
областей спектра энергии нейтронов:
— релятивистские нейтроны, с энергией более 1010 эВ;
— быстрые нейтроны, с энергией больше 0,1 МэВ (иногда больше 1 МэВ);
—медленные нейтроны — общее название нейтронов с энергией менее 100 кэВ;
— тепловые нейтроны с энергией около 0,025 эВ.
Скорость нейтрона vn зависит от его энергии и может быть определена из
соотношения:
vn 1.4 104 En , м/с, (1.1)
где En — энергия нейтрона в эВ.
Гамма-кванты
Гаќмма-излучеќние (г-кванты) — вид электромагнитного излучения с чрез-
вычайно маленькой длиной волны — < 5 Ї 103
нм — и вследствие этого ярко
выраженными корпускулярными свойствами. Энергии квантов гамма-излуче-
ния лежат в диапазоне 105—109 эВ. На шкале электромагнитных волн оно гра-
ничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот
(рис. 1.2). Гамма-излучение испускается при переходах между возбужденными
состояниями ядер элементов. Образуются при радиоактивных превращениях
атомных ядер и при ядерных реакциях. Гамма-излучение образуется также за
счет радиационных потерь заряженных частиц с энергией более нескольких
сотен кэВ, хотя по природе возникновения в данном случае можно говорить
о тормозном излучении.
В состоянии покоя масса гамма-кванта равна нулю. Скорость распростра-
нения гамма-кванта равна скорости света. Поэтому, если имеется источник
гамма-нейтронного излучения, испускающий одновременно гамма-квант и 1
МэВ нейтрон, то уже на расстоянии R в метрах временной сдвиг между ними
будет равен:
t r/vn. (1.2)
Другими словами, даже на расстоянии 1 м временной сдвиг между одно-
временно испущенными гамма-квантом и 1 МэВ нейтроном будет составлять
величину чуть более 70 нс.
1.2. Состав ионизирующего излучения 13
Рис. 1.2. Шкала электромагнитных волн
Рентгеновское излучение
Область энергий от 1 до 100 кэВ относят к рентгеновскому излучению. Ис-
точниками рентгеновского излучения являются рентгеновские трубки, Солн-
це, излучение возбужденных атомов и т.п. Спектр рентгеновского излучения
может быть непрерывным или линейчатым. Линейчатый спектр (характери-
стическое излучение) возникает при возбуждении атомов при переходе элект-
ронов с одной внутренней орбиты на другую. Эти спектры строго соответству-
ют энергетической структуре электронных оболочек атома, и по ним может
производиться идентификация химических элементов.
Непрерывный спектр формируется как за счет торможения ядерных час-
тиц в веществе (тормозное излучение), так и в результате сильного разогрева
материала (излучательный спектр, или спектр абсолютно черного тела).
Фотонное излучение
Фотонное излучение — вид электромагнитного излучения с относительно
большой длиной волны ~ 1 мкм. У фотонов проявляются как волновые, так
и корпускулярные свойства. Энергии фотонов лежат в диапазоне 103—
103 эВ.
На шкале электромагнитных волн оно граничит с рентгеновским излучением,
занимая диапазон более низких частот.
В общем случае для фотонного излучения различают три области излуче-
ния: инфракрасное с длиной волны более 760 нм, видимое оптическое излуче-
ние (диапазон длин волн 400…760 нм) и ультрафиолетовое излучение с длиной
волны менее 400 нм.
Электроны
Электрон является самой легкой заряженной частицей. Ее заряд составля-
ет 1,6·1019
Кл, а масса покоя 9,1·1031
кг (0,51 МэВ). Заряд электрона служит
единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц. Из
электронов состоят электронные оболочки атомов всех веществ. Движение
электронов определяет многие электрические явления, такие как электриче-
ский ток в металлах и вакууме.
В ряде случаев к электронам относят как собственно электроны, так и по-
зитроны (например, рассматривая их как общее электрон-позитронное поле,
получаемое из решения уравнения Дирака).
Иногда выделяют в отдельную группу электронное излучение, получаемое
в результате радиоактивного распада вещества, — бета-излучение. Бета-части-
ца (в-частица) — это электрон, испускаемый в результате бета-распада ряда
радиоактивных материалов. Типовые значения энергии бета-частиц лежат
в диапазоне чуть ниже 1 МэВ.
Находясь в периодическом потенциале кристалла, электрон рассматрива-
ется как квазичастица, эффективная масса которой может значительно отли-
чаться от массы покоя электрона.
Протоны
Протон — положительно заряженная частица, входящая вместе с нейтро-
ном в состав ядра атома. Из-за их общности с нейтроном их называют нукло-
нами. Протон имеет положительный заряд по величине, равной заряду элект-
рона, а масса протона равна 1,67·1027
кг. Протон в химическом смысле
является ядром атома водорода без электрона. В природе протоны присутству-
ют в составе космических лучей.
14 Глава 1. Радиационные условия
Ионы
Атомы химических элементов с частично или полной удаленной электрон-
ной оболочкой. Масса иона определяется суммарным количеством протонов
и нейтронов, входящих в состав ядра атома. Заряд иона определяется количе-
ством потерянных электронов. В общем случае заряд иона зависит от его
энергии. Чем выше его энергия, тем больше «обдирается» его электронная
оболочка и, тем самым, выше его заряд.
Иногда выделяют в отдельную группу альфа-излучение, получаемое в ре-
зультате радиоактивного распада вещества. Альфа-частица ( -частица) — это
ион гелия, испускаемый в результате альфа-распада ряда радиоактивных ма-
териалов. Типовые значения энергии альфа-частиц лежат в диапазоне око-
ло 5 МэВ.
Существуют другие типы ядерных частиц (мюоны, нейтрино и т.п.), кото-
рые потенциально могут также воздействовать на ИС. Но в силу их относите-
льно малой распространенности они рассматриваться в дальнейшем не будут.
1.3. Величины и единицы ионизирующих
излучений
Радиационные поля характеризируются несколькими параметрами, к важней-
шим из которых относятся [6]:
Энергия ионизирующих частиц E обычно выражается в электронвольтах (эВ).
1 эВ равен 1,6·1019
Дж = 1,6·1012
эрг.
Поток ионизирующих частиц F — отношение числа ионизирующих частиц
dN, прошедших через данную поверхность за интервал времени dt, к этому ин-
тервалу:
F = dN/dt, [1/c]. (1.3)
Этот параметр относительно редко используется на практике.
Флюенс (интегральный поток) ионизирующих частиц — отношение чис-
ла ионизирующих частиц dN, проникающих в элементарную сферу, к площа-
ди dS центрального сечения этой сферы:
= dN/dS, [частиц/cм2]. (1.4)
Данное определение справедливо к любому потоку частиц ионизирующе-
го излучения, в том числе и изотропному. На практике часто имеет место
однонаправленный поток. В этом случае флюенс можно определить как от-
ношение числа частиц, падающих перпендикулярно на поверхность, к пло-
щади этой поверхности. Другими словами, под флюенсом понимают одно-
направленный интегральный поток, умноженный на косинус угла падения
частиц по отношению к нормальному падению этих частиц, на поверхность
кристалла.
Плотность потока ионизирующих частиц — отношение потока ионизи-
рующих частиц dF, проникающих в элементарную сферу, к площади dS цент-
рального сечения этой сферы:
= dF/dS = d /dt, [частиц/(cм2·c)]. (1.5)
1.3. Величины и единицы ионизирующих излучений 15
Энергетическая плотность потока ионизирующих частиц e(E) — отноше-
ние плотности потока ионизирующих частиц с энергией от E до E + dE
к энергетическому интервалу dE:
e(E) = d /dE = d2F/(dS.dE), [частиц/(cм2·c·МэВ)]. (1.6)
Очень часто эту величину называют дифференциальным энергетическим
спектром плотности потока ионизирующих частиц. Если взять определенный
интеграл по энергии от энергетической плотности потока ионизирующих час-
тиц, то получим интегральный энергетический спектр плотности потока иони-
зирующих частиц:
( ) ( )
E E dE
E
, [частиц/(cм2·c)]. (1.7)
Данная характеристика определяет плотность потока частиц ионизирую-
щего излучения, имеющих энергию, большую, чем E.
Энергетическо-угловая плотность потока ионизирующих частиц (E, ) —
отношение плотности потока ионизирующих частиц с энергией от E до
E + dE, распространяющихся в пределах телесного угла d , ориентированного
в направлении к энергетическому интервалу dE и этому телесному углу:
(E, ) = d2 /(dS.d ), [частиц/(cм2·c·МэВ·стерадиан)]. (1.8)
При оценках радиационных эффектов от воздействия нейтронов наиболее
широко используется такой параметр, как флюенс. С другой стороны, при
описании полей излучения космического пространства наиболее распростра-
ненными являются энергетическая плотность потока ионизирующих частиц
или интегральный энергетический поток.
Помимо этих единиц необходимо также ввести величины и единицы, ха-
рактеризующие взаимодействие ИИ с веществом. Приведем определения не-
которых из них.
Сечение взаимодействия ионизирующих частиц (парциальное сечение взаи-
модействия) i — отношение числа определенного типа (i-го) взаимодействий
Ni ионизирующих частиц и частиц-мишеней в элементарном объеме при пере-
носе ионизирующих частиц к числу частиц-мишеней N в этом объеме и к
этому флюенсу:
i
Ni
N
, [см2 = 1024 барн]. (1.9)
Полное сечение взаимодействия ионизирующих частиц (полное сечение взаи-
модействия) — сумма всех сечений взаимодействия i ионизирующих частиц
данного вида, соответствующих различным реакциям или процессам:
i
i
. (1.10)
Макроскопическое сечение взаимодействия ионизирующих частиц (макроско-
пическое сечение взаимодействия) i — произведение сечения взаимодейст-
вий i на концентрацию частиц-мишеней (атомов) No в веществе:
i = i
.No, [1/см]. (1.11)
16 Глава 1. Радиационные условия
Линейный коэффициент ослабления — отношение dN/N косвенно ионизи-
рующих частиц, испытавших взаимодействие при прохождении элементарного
пути dl в веществе, к длине этого пути:
1
N
dN
dl
, [1/см]. (1.12)
Под косвенно ионизирующими частицами понимаются частицы, у кото-
рых отсутствуют заряд (фотоны, нейтроны, гамма-кванты и т.п.).
Массовый коэффициент ослабления m — отношение линейного коэффици-
ента ослабления к плотности вещества , через которое проходит косвенно
ионизирующее излучение:
1
N
dN
dl
, [см2/г]. (1.13)
Линейный коэффициент передачи энергии tr — отношение доли энер-
гии dw/w косвенно ионизирующего излучения (исключаю энергию покоя), ко-
торая преобразуется в кинетическую энергию заряженных частиц при прохож-
дении элементарного пути dl в веществе, к длине этого пути:
tr w
dw
dl
1
, [1/см]. (1.14)
Массовый коэффициент передачи энергии tr,m — отношение линейного ко-
эффициента передачи энергии tr к плотности вещества , через которое про-
ходит косвенно ионизирующее излучение:
tr
tr , [см2/г]. (1.15)
Линейный коэффициент поглощения энергии en — произведение линейного
коэффициента передачи энергии на разность между единицей и долей энергии
вторичных заряженных частиц g, переходящих в тормозное излучение в дан-
ном веществе:
en tr (1 g), [1/см]. (1.16)
Массовый коэффициент энергии e — отношение линейного коэффициента
поглощения энергии en к плотности вещества , через которое проходит кос-
венно ионизирующее излучение:
tr
en , [см2/г]. (1.17)
Средний линейный пробег заряженной ионизирующей частицы Ro — среднее
значение модуля вектора между началом и концом пробега заряженной иони-
зирующей частицы в веществе.
Средний массовый пробег заряженной ионизирующей частицы Rom — произве-
дение среднего линейного пробега Ro заряженной ионизирующей частицы
в данном веществе на плотность этого вещества:
Rom=Ro
. , [г/см2]. (1.18)
Линейная плотность ионизации Gi — отношение числа dN ионов одного
знака, образованных заряженной ионизирующей частицей на элементарном
пути dl, к этому пути:
1.3. Величины и единицы ионизирующих излучений 17
Gi = dN/dl, [1/см]. (1.19)
Линейная тормозная способность вещества Sx — отношение энергии dE, те-
ряемой заряженной ионизирующей частицей при прохождении элементарного
пути dl в веществе, к длине этого пути:
Sx = dE/dl, [МэВ/мкм]. (1.20)
Массовая тормозная способность вещества Sxm — отношение линейной тор-
мозной способности Sx вещества к плотности вещества:
Sxm = Sx/ , [МэВ.см2/мг]. (1.21)
Линейная передача (потери) энергии (ЛПЭ) L — отношение энергии dE ,
переданной веществу заряженной частицей вследствие столкновений на эле-
ментарном пути, к длине dl этого пути:
L = dE /dl, [МэВ/мкм]. (1.22)
В данной работе мы будем использовать величину ЛПЭ, приведенную
к массе вещества:
Lz = L / , [МэВ.см2/мг]. (1.23)
Поглощенная доза ионизирующего излучения (доза излучения) D — отноше-
ние средней энергии dw, переданной ионизирующим излучением веществу
в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:
D = dw/dm, [Грей=100 рад]. (1.24)
Грей равен поглощенной дозе ИИ, при которой веществу массой 1 кг пере-
дается энергия ИИ, равная 1 Дж, а рад определяется величиной поглощенной
дозы, при которой веществу массой 1 г передается энергия ИИ, равная 100 эрг.
Мощность поглощенной дозы ИИ (мощность поглощенной дозы) P — отно-
шение приращения поглощенной дозы D за интервал времени dt к этому ин-
тервалу времени:
P = dD/dt, [Грей/c = 100 рад/c]. (1.25)
Керма K — отношение суммы начальных кинетических энергий dEk всех
заряженных ионизирующих частиц, образовавшихся под действием косвенно
ИИ в элементарном объеме вещества, к массе dm вещества в этом объеме:
K = dEk/dm, [Грей = 100 рад]. (1.26)
Важно подчеркнуть разницу между кермой и поглощенной дозой. В равно-
весном случае, когда перенос энергии происходит из смежных материалов,
равных между собой, керма и поглощенная доза также равны. В микрообъемах
или на границах раздела двух материалов это условие может не выполняться.
Так ионизирующая частица, образовавшаяся в объеме, может его покинуть
так, что основные потери энергии будут вне этого объема.
В радиационной физике полупроводниковых приборов очень часто вводят
понятие i-кермы (Ki) и d-кермы (Kd), которые относятся, соответственно,
к значениям кермы, затрачиваемым на ионизацию и структурные поврежде-
ния. В последнем случае используется также величина энергии, затрачиваемая
на неионизационные потери NIEL (non ionizing energy losses).
18 Глава 1. Радиационные условия
Экспозиционная доза фотонного излучения (экспозиционная доза) Dx — отно-
шение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, создаваемых в воздухе,
когда все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в элементарном
объеме воздуха с массой dm, полностью остановились в воздухе, к массе возду-
ха в указанном объеме:
Dx = dQ/dm, [Р(рентген) = 2.58·104
Кл/кг]. (1.27)
Мощность экспозиционной дозы фотонного излучения (мощность экспозицион-
ной дозы) Px — отношение приращения экспозиционной дозы Dx за интервал
времени dt к этому интервалу времени:
Px = dDx/dt, [Р/c]. (1.28)
Существует связь между поглощенной и экспозиционной дозой. Она опре-
деляется различиями в коэффициентах поглощения и передачи энергии в воз-
духе и в анализируемом веществе. Соотношения между этими величинами при
определении поглощенной дозы в кремнии приведены в приложении.
Активность радионуклида в источнике (образце) A — отношение числа
спонтанных переходов dN из определенного ядерно-энергетического состоя-
ния радионуклида, происходящих в источнике (образце) за интервал времени
dt, к этому интервалу времени:
A = dN/dt, [1/c = Бк (Беккерель)]. (1.29)
Постоянная радиоактивного распада радионуклида
а — отношение доли
ядер dN/N радионуклида, распадающихся за интервал времени dt, к этому ин-
тервалу времени:
a N
dN
dt
1
, [1/c]. (1.30)
Период полураспада радионуклида T1/2 — время, в течение которого число
ядер радионуклида в результате радиоактивного распада уменьшается в 2 раза.
1.4. Основные соотношения между величинами
ионизирующих излучений
Представленные выше величины не являются независимыми и между некото-
рыми из них существуют взаимосвязи. Проиллюстрируем это на наиболее
важных примерах.
Например, при известной активности радионуклида в приближении точеч-
ного источника плотность потока ионизирующих частиц будет определяться
через соотношение:
A
4 r 2
, (1.31)
где r — расстояние от источника до объекта.
По определению при воздействии ионизирующих заряженных частиц
определяется поглощенная доза через соотношение (1.24). В свою очередь, по-
тери каждой отдельной ядерной частицы выражаются через ЛПЭ (1.23). Оцен-
1.4. Основные соотношения между величинами ионизирующих излучений 19
ка общей потерянной энергии выражается через флюенс. Таким образом,
можно записать:
D
dw n
dm
L dl A
dl A
Lz
1
, (1.32)
где n — количество падающих частиц на объект площадью A, dw1 — потери
энергии от одной заряженной частицы.
Таким образом, несложно заметить, что суммарная доза в равновесном
случае не зависит от формы объекта, а определяется только ЛПЭ и флюенсом
заряженных частиц.
Пробег частицы также зависит от ЛПЭ. Если пренебречь отклонением тра-
ектории заряженной частицы от прямой линии, то величина среднего пробега
оценивается из соотношения:
R
dE
L o
o
E
0
, (1.33)
где E0 — начальная энергия ядерной частицы.
Несколько иначе производится расчет величины суммарной поглощенной
дозы при воздействии косвенно ионизирующих частиц. Например, при воз-
действии узкого рентгеновского пучка в материале на глубине xd мощность
поглощенной дозы оценивается из соотношения:
Px kx
Ex en(Ex) x(Ex) exp( m xd)dEx , (1.34)
где xn(E) — дифференциальный спектр рентгеновского излучения, падающего на
преграду массовой толщиной xd; t и e — массовые коэффициенты ослабления
и поглощения энергии квантов; kx — коэффициент пропорциональности. В слу-
чае если энергия фотонов Ex выражена в МэВ, величина kx = 1,6·108
рад/част.
Еще раз следует подчеркнуть разницу между поглощенной дозой и кер-
мой. Если при воздействии косвенно ионизирующего излучения имеют мес-
то заметные различия в коэффициентах поглощения энергии, то за счет пе-
реноса энергии вторичными электронами на границе раздела будут иметь
место различия в значениях поглощенной дозы от своих равновесных значе-
ний (рис. 1.3).
20 Глава 1. Радиационные условия
Рис. 1.3. Изменения кермы и поглощенной дозы на границе раздела двух мате-
риалов с разными значениями коэффициентов поглощения энергии
ÃËÀÂÀ 2
ÈÑÒÎ×ÍÈÊÈ ÈÎÍÈÇÈÐÓÞÙÅÃÎ
ÈÇËÓ×ÅÍÈß ÅÑÒÅÑÒÂÅÍÍÎÃÎ
ÏÐÎÈÑÕÎÆÄÅÍÈß
Существующие источники ионизирующего излучения (ИИ) можно разделить на
две большие группы. К первой группе относятся источники ИИ естественного
происхождения, а ко второй — искусственного происхождения. Наиболее зна-
чимым источником ИИ естественного происхождения являются радиационные
факторы космического пространства. К ним также следует отнести естествен-
ную радиоактивность материалов и фоновое излучение у поверхности Земли.
Источниками ИИ искусственного происхождения являются радиационные
факторы ядерного взрыва, фоновое радиационное излучение на ядерных энер-
гетических и электрофизических установках, ряд приборов медицинского на-
значения и т.п.
2.1. Радиационные факторы космического
пространства
В настоящее время одним из наиболее актуальных вопросов при разработке кос-
мических аппаратов (КА) является обеспечение их длительных сроков активного
существования. Эта задача не может быть реализована без решения вопросов, свя-
занных с обеспечением радиационной стойкости электронной аппаратуры КА.
Повышение ее актуальности обусловлено следующими основными причинами:
— отказом от гермоконтейнеров, размещение блоков радиоэлектронной
аппаратуры на открытой платформе КА приводит к увеличению радиа-
ционных нагрузок на электронную компонентную базу (ЭКБ) за счет
снижения защитных характеристик конструкционных материалов КА;
— увеличением сроков активного существования приводит к соответствую-
щему увеличению уровней радиационных дозовых нагружений;
— широким применением функционально сложных изделий микроэлект-
роники индустриальной системы качества (без требований по радиа-
ционной стойкости);
— появление новых механизмов отказов и сбоев электронной аппаратуры
КА, обусловленных радиационными эффектами от воздействия отдель-
ных высокоэнергетичных ядерных частиц (ОЯЧ) космического про-
странства (КП).
Анализ возможных причин нештатного поведения из-за воздействия ВВФ
выявил, что значительная доля объясняется влиянием радиационных факторов
КП (рис. 2.1, приложение 2) [7]. Доля возникающих сбоев и отказов из-за
действия радиации достигает почти 50%.
Одним из первых примеров поте-
ри КА из-за воздействия проникаю-
щей радиации является космический
аппарат Telestar, запущенный
10 июля 1962 г. сразу же после прове-
дения испытания ядерного оружия
(9 июля). Образовавшийся искусст-
венный радиационный пояс Земли
привел к существенному увеличению
потоков электронов, почти на два по-
рядка. Уже 24 ноября часть электрон-
ной аппаратуры КА начала функцио-
нировать неверно. Окончательно
спутник потерял свою работоспособ-
ность в феврале 1963 г. При этом уровень радиационной стойкости электрон-
ной аппаратуры, определенной по результатам испытаний, составлял
0,6—2 Мрад. Этот образовавшийся искусственный радиационный пояс Земли
явился причиной потери семи КА.
Но даже при относительно спокойной радиационной обстановке имеют
место сбои и отказы. Ярким примером является схема КМОП оперативного
запоминающего устройства (ОЗУ) NEC 64 K, которая широко использовалась
в электронных узлах КА. В этой схеме наблюдалось в среднем 2,4 одиночных
сбоев и 0,76 тиристорных эффектов за неделю [8]. В качестве одной из основ-
ных причин потеря КА «Фобос-Грунта» также считается воздействие радиа-
ции. Эффекты частичной потери работоспособности аппаратов за счет воздей-
ствия космической радиации наблюдались во многих отечественных
и зарубежных КА, например в DSCS-II, DSP, Intelsat III, Intersat IV, «Стерх»,
Feng Yun I и других [9]. При этом значительная доля отказов и сбоев имела
место при нахождении КА в районе южно-бразильской аномалии.
Резкое увеличение потоков ядерных частиц в момент мощной солнеч-
ной вспышки увеличивает вероятность отказов и сбоев в электронной аппа-
ратуре КА. Так, в момент солнечной вспышки, имевшей место 20 января
1994 года, произошли функциональные отказы электронной системы
стабилизации канадского спутника
связи Anik E-1 [9].
В качестве примера на рис. 2.2
(приложение 2) представлено распре-
деление по отказам и сбоям в элект-
ронной аппаратуре КА, обусловлен-
ное различными радиационными
эффектами [7]. Как видно, в настоя-
щее время доминирующее место за-
нимают одиночные радиационные
эффекты (ОРЭ) в ИС из-за воздейст-
вия отдельных ядерных частиц
(ОЯЧ), а именно одиночные сбои
(ОС) и тиристорные эффекты (ТЭ).
22 Глава 2. Источники ионизирующего излучения естественного происхождения
Рис. 2.1. Аномалии в поведении КА, обу-
словленные воздействием ВВФ КП [7]
(приложение 2)
Рис. 2.2. Причины отказов и сбоев РЭА
КА от воздействия ИИ КП [7] (приложе-
ние 2)
Роль тех или иных отказов в большой степени зависит от орбиты КА. На-
пример, для геостационарной орбиты основную дозу формируют электроны,
в то же время вероятность возникновения эффектов при воздействии ОЯЧ на
средних орбитах значительно увеличивается при нахождении КА в зоне юж-
но-атлантической аномалии и/или при возникновении мощных солнечных
вспышек.
Традиционно радиационные источники КП анализируют применительно
к воздействию:
— электронов и протонов естественных радиационных поясов Земли
(ЕРПЗ);
— протонов и тяжелых заряженных частиц галактических космических лу-
чей (ГКЛ);
— протонов и тяжелых заряженных частиц солнечных космических лучей
(СКЛ).
2.1.1. Радиационные пояса Земли
Оценке радиационной обстановки в околоземном пространстве уделялось зна-
чительное внимание уже с первых лет освоения космического пространства.
Существующие модели построены на базе различных наборов данных, полу-
ченных с нескольких десятков спутников; тем самым обеспечивается широкий
пространственно-временной охват [10—17]. Вследствие того что все области
радиационного окружения непрерывно изменяются, никакая из существую-
щих моделей не является полностью всеохватывающей. Наиболее успешные
версии отражают эти изменения вместе с совершенствованием процесса изме-
рения частиц и техники обработки полученных данных.
Модели, как правило, строятся при следующих предположениях:
— потоки частиц представляются как всенаправленные (изотропные);
— орбитальная интеграция представляется для различных высот и углов
наклонения;
— данные по пространственному распределению заряженных частиц пред-
ставляются обычно в L, B-координатах (L-радиус Земли, В — напряжен-
ность магнитного поля);
— интегральный энергетический спектр плотности потока Ф(> E) пред-
ставляет собой общий поток (см-2.с-1) при всех энергиях, выше указан-
ной пороговой энергии;
— дифференциальный энергетический спектр плотности потока (Е),
представляет собой скорость изменения потока от энергии для опреде-
ленного уровня энергии (см2
·с1
·МэВ1);
— модели соответствуют конкретным промежуткам времени и поэтому от-
носятся конкретно к условиям солнечного минимума или солнечного
максимума.
В настоящее время для описания распределения электронов и протонов
в околоземном космическом пространстве наиболее часто применяются моде-
ли АЕ-8 и АР-8 и их модификации [13]. В настоящее время общепризнанны-
ми являются модели радиационных поясов Земли AE-8 (АЕ-8min, AE-8max)
2.1. Радиационные факторы космического пространства 23
и AP-8 (AP-8min AP-8max), которые описывают распределения электронов
и протонов для минимума и максимума солнечной активности. В России так-
же действуют эти модели, а также ряд усовершенствованных моделей, в част-
ности, описанных в монографии «Модель космоса» [10].
Новые модели NASA АЕ-9 и АР-9 [18, 19] включают результаты последних
натурных исследований радиационной обстановки, рассматривают широкий
диапазон энергий, включая горячую плазму и очень энергичные протоны, учи-
тывают неопределенность в прогнозировании обстановки, вводят вероятности
плотностей потоков электронов и протонов и наихудшие случаи для различных
условий эксплуатации, включают больше информации об энергии, времени
и местоположении захваченных энергетических частиц и плазмы и т.п.
Условное графическое обозначение радиационных поясов Земли для про-
тонов (рис. 2.3,а) и электронов (рис. 2.3,б) приведено ниже [20]. Протонная
компонента имеет относительно несложное распределение с максимальным
значением интенсивности для 10 МэВ протонов на расстоянии L = 1,7. Элект-
ронный пояс является более сложным с двумя максимумами для внутреннего
и внешнего радиационных поясов. Первый находится в пределах L = 1,4…2,8,
а второй имеет максимум при L = 5 и распространяется от L = 2,8 до L = 10,
Оценки радиационных полей на орбитах могут быть проведены с по-
мощью специализированного программного обеспечения типа КОСРАД [11,
17, 21], OMERE [22], SPENVIS [23] или подобных. На рис. 2.4 и рис. 2.5 в ка-
честве примера представлены результаты моделирования радиационной обста-
новки радиационных поясов Земли (интегральные спектры электронов и про-
тонов) при следующих параметрах орбиты КА: круговая орбита с высотой,
равной 500 км и наклонением равным 97,5°. Расчеты осуществлялись с по-
мощью модифицированных моделей AP-8 и AE-8 при условии максимума
24 Глава 2. Источники ионизирующего излучения естественного происхождения
а) б)
Рис. 2.3. Условное обозначение протонного (а) и электронного (б) поясов
ЕРПЗ в зависимости от расстояния в единицах радиуса Земли
(AP-8max и AE-8max) и минимума (AP-8min и AE-8min) солнечной активно-
сти за период, равный 1 году.
На этих же рисунках представлены результаты, полученные с помощью
приближенных соотношений:
— для электронов:
Фe(> Ee) = 1,4·1012·exp(Ee/
0,45), электрон/(см2·год); (2.1)
2.1. Радиационные факторы космического пространства 25
Рис. 2.4. Суммарная интегральная плотность потока электронов за год вне КА
с параметрами орбиты: высота 500 км и наклонение 97.5о
Рис. 2.5. Суммарная интегральная плотность потока протонов за год вне КА
с параметрами орбиты: высота 500 км и наклонение 97.5о
— для протонов:
Фp(> Ep) = 5,7·109·Ep
0,68,
протон/(см2·год), (2.2)
где Фe(> Ee) — интегральная плотность потока электронов с энергией выше
Ee МэВ; Фp(> Ep) — интегральная плотность потока протонов с энергией выше
Ep МэВ.
Для сравнения на рис. 2.6 и 2.7 представлены усредненные интегральные
суточные флюенсы электронов и протонов на круговых орбитах высотой
705 км [11] с наклонением около 97 градусов. Нетрудно заметить, что между
представленными зависимостями наблюдается хорошее соответствие с учетом
различия во временных параметрах. Немного заниженные уровни флюенсов
(в 1,5 раза) для орбиты 500 км объясняются влиянием магнитосферы Земли.
Вклад протонной компоненты ЕРПЗ очень сильно зависит от высоты ор-
биты, достигая своих максимальных уровней на высотах порядка несколько
тысяч километров (рис. 2.8). На этом рисунке представлены зависимости
энергетических плотностей потоков с энергией протонов, равной 10 МэВ
и 30 МэВ, за сферической защитой, равной 1 г/см2, усредненные за 10 лет для
круговых орбит при наклонении, равном 60°. На этом же рисунке для сравне-
ния представлена аналогичная зависимость для 1 МэВ электронов. Здесь
и в дальнейшем, если не указано отдельно, оценки радиационной обстановки
проводились с помощью программы КОСРАД [10,11].
Из представленных результатов следует резкое уменьшение вклада протон-
ного излучения при высотах более 10 тысяч километров. Поэтому радиацион-
ная обстановка на геостационарной орбите определяется электронами ЕРПЗ,
протонами и ионами галактических и солнечных космических лучей (рис. 2.9).
Протоны ГКЛ дают также несущественный вклад в суммарную поглощенную
26 Глава 2. Источники ионизирующего излучения естественного происхождения
Рис. 2.6. Суммарная интегральная плотность потока электронов за сутки вне
КА с параметрами орбиты: высота 705 км и наклонение 96о [13]
2.1. Радиационные факторы космического пространства 27
Рис. 2.8. Средние энергетические плотности потока протонов и электронов
в зависимости от высоты для круговой орбиты с наклонением 60о
Рис. 2.7. Суммарная интегральная плотность потока протонов за сутки вне КА
с параметрами орбиты: высота 705 км и наклонение 96о [13]
Рис. 2.9. Интегральные потоки электронов и протонов РПЗ и ГКЛ на геостаци-
онарной орбите за 1 год (протонный поток увеличен на 4 порядка)
дозу (не более 2 рад/год). Основной вклад в величины суммарной поглощен-
ной дозы ИИ дают электроны ЕРПЗ и протоны СКЛ, роль которых будет про-
анализирована ниже.
2.1.2. Солнечные космические лучи
Ощутимый вклад для некоторых орбит КА в суммарную поглощенную дозу
ИИ могут давать потоки протонов солнечных космических лучей, которые
в общем случае сложно прогнозировать. Это связано с тем, что возникновение
солнечных вспышек носит случайный характер, и, вследствие этого, такие ха-
рактеристики СКЛ, как потоки заряженных частиц и их энергетические спек-
тры, сильно варьируются от вспышки к вспышке. Потоки СКЛ появляются
эпизодически, а их максимальная интенсивность может достигать величин,
превосходящих на многие порядки потоки ГКЛ. Однако их энергетика чуть
ниже.
В большинстве вспышек максимальная энергия ускоренных частиц не
превышает 10 МэВ/нуклон. Такие вспышки происходят довольно часто,
в годы высокой солнечной активности — 1 раз в неделю. Реже — раз в месяц,
бывают вспышки, в которых частицы ускоряются до 100 МэВ/нуклон. В еще
более редких событиях, раз в год, частицы получают энергию до 1 ГэВ/нук-
лон. Особенно мощные события, возникающие 2...4 раза за 11-летний цикл
солнечной активности, характеризуются очень большими потоками ускорен-
ных частиц, максимальные энергии которых достигают 10 ГэВ/нуклон
и выше. В результате солнечных вспышек происходит, как правило, выброс
высокоэнергичных солнечных частиц, состоящих преимущественно из прото-
нов с небольшим содержанием -частиц (5…10%) и более тяжелых ядер.
Условно солнечные события разбиваются на четыре (или пять) класса. Ве-
роятность возникновения события каждого класса вычисляется по полуэмпи-
рической модели. Критерием принадлежности является средняя величина
флюенса протонов за вспышку с энергией Еp > 10 МэВ, которая для каждого
класса солнечного события составляет:
> 8,6·106 — среднее событие (M),
> 1,3·108 — большое событие (L),
> 2,0·109 — очень большое событие (VL),
> 1,8·1010 — экстремально большое событие (EL).
В ряде случаев критерий выбирается исходя из потока протонов с энергией
выше 30 МэВ:
> 105 протон/см2 — малое событие (S);
> 106 протон/см2 — среднее событие (M);
> 107 протон/см2 — большое событие (L);
> 108 протон/см2 — очень большое событие (VL);
> 109 протон/см2 — экстремально большое событие (EL).
Анализ нескольких солнечных циклов позволил провести следующую
классификацию наблюдаемых событий (табл. 2.1) [24].
Энергетический спектр СКЛ формируется под действием ускоряющих сил
и потерь энергии в области ускорения, и его характер сильно зависит от дли-
28 Глава 2. Источники ионизирующего излучения естественного происхождения
тельности ускорения, механизма ускорения и возможности выхода частиц из
области ускорения в межпланетное пространство. Энергетический спектр СКЛ
сильно варьирует от события к событию и изменяется в течение каждого дан-
ного события, отражая особенности генерации и распространения частиц на
Солнце, выхода в межпланетное пространство и распространения в нем
(рис. 2.10) [25]. В силу того что эти события имеют вероятностный характер,
их и описывают на вероятностном языке. Например, вероятность появления
события типа EL на порядок ниже, чем события типа VL.
В целом точность прогноза по СКЛ невелика. В зависимости от задавае-
мых условий однотипные характеристики СКЛ могут отличаться на несколько
порядков, что затрудняет прогнозирование радиационной стойкости ИС.
На рис. 2.11 представлены расчетные интегральные потоки протонов сол-
нечных вспышек при разных исходных данных для геостационарной орбиты.
Оценки проводились по модели, разработанной в НИИЯФ МГУ Нымми-
ком Р.А. [10, 25], при двух вероятностях возникновения событий: P = 0,5
2.1. Радиационные факторы космического пространства 29
а) б)
Рис. 2.10. Дифференциальные энергетические спектры протонов СКЛ: а) спектр
на орбите Hmin = 263 км, Н max = 193 км, = 51°; б) спектр вне магни-
тосферы Земли [24]
Таблица 2.1. Количество солнечных вспышек за три солнечных цикла [24]
Группа Цикл 20 Цикл 21 Цикл 22
EL 1 0 8
VL 5 9 5
L 23 18 21
M 14 24 24
S 1 0 20
Итого 44 5291 78
и P = 0,01 и продолжительностях миссий 10 лет и 1 год. Очевидно, что чем
меньше вероятность события, тем большие запасы по уровням воздействия
должны закладываться (учет маловероятных очень мощных солнечных вспы-
шек). При этом в силу случайности возникновения солнечных вспышек сум-
марная доза за несколько лет не является произведением годовой дозы на
количество лет. Она может быть и больше (если год был спокойным) или
меньше, если будет иметь место большая солнечная активность. Очевидно,
что максимальная плотность потока будет иметь место, если проводится
оценка пикового значения.
Следует обратить внимание, что в соответствие с представленной мо-
делью основной флюенс набирается в течение одного года, когда происходит
максимальная солнечная вспышка. Поэтому имеются столь значительные
различия в средних плотностях потоков протонов СКЛ, оцениваемых для
различных годов солнечной активности. Как видно, различия достигают бо-
лее двух порядков (кривые для средних плотностей потоков без сдвига и со
сдвигом 4 года от начала нового солнечного цикла).
Представленные результаты относились к оценкам потока протонов СКЛ
за пределами магнитосферы Земли. Магнитосфера существенно экранирует
протонный поток для низких орбит и при малых углах наклонения. На
рис. 2.12 представлены оценки для пиковых значений интегральных спектров
протонной компоненты СКЛ для различных круговых орбит. Нетрудно заме-
тить уменьшение интенсивности протонов СКЛ более чем на порядок для
средних орбит. При еще дальнейшем снижении высоты орбиты будет также
наблюдаться спад в характеристиках воздействия СКЛ.
Помимо протонов в состав СКЛ входят ионы различных химических эле-
ментов. В общем случае они не дают существенного вклада в величину сум-
марной поглощенной дозы. Однако в ИС повышенной степени интеграции
30 Глава 2. Источники ионизирующего излучения естественного происхождения
Рис. 2.11. Интегральные плотности потоков СКЛ протонов на геостационарной
орбите при разных условиях их оценки
возникают сбои и отказы за счет эффектов от отдельных ядерных частиц.
При оценке этих эффектов необходимо иметь интегральные энергетиче-
ские спектры протонов и спектры линейных потерь энергии (ЛПЭ) для
ионов (рис. 2.13).
2.1. Радиационные факторы космического пространства 31
Рис. 2.12. Интегральные плотности пиковых потоков СКЛ протонов для раз-
личных орбит
Рис. 2.13. Пиковые интегральные плотности потоков ионов СКЛ для различ-
ных орбит
2.1.3. Галактические космические лучи
Галактические космические лучи (ГКЛ) не дают заметного вклада в суммар-
ную поглощенную дозу (менее нескольких рад(Si) за год). Однако они явля-
ются причиной возникновения в ИС эффектов от отдельных ядерных час-
тиц. Состав ГКЛ изучен довольно подробно, и сейчас известны не только
потоки групп ядер в различных диапазонах энергий, но и относительное
процентное содержание отдельных ядер. Ядерная компонента ГКЛ разбива-
ется на 5 групп: протоны, -частицы, L-группа (легкие ионы с атомными
номерами Z = 3…5), М-группа (средние ионы Z = 6…9) и Н-группа (тяжелые
ионы Z > 10) [10, 11]. Интенсивность различных групп ядер в области реля-
тивистских энергий изучена достаточно хорошо. Изменение интенсивности
ГКЛ с фазой солнечного цикла называют 11-летней вариацией космиче-
ских лучей. Величина ее для разных энергий различна. Так, например, для
E ~ 100 МэВ она достигает 20…30%, в то время как для Е > 2 ГэВ ее величи-
на не превышает 1…3%.
На рис. 2.14 представлены спектры протонов ГКЛ и СКЛ для круговой ор-
биты с высотой 650 км и наклонением 60° геостационарной орбиты. Нетрудно
заметить, что влиянием ГКЛ протонов можно пренебречь.
В отличие от протонов влиянием ТЗЧ ГКЛ пренебречь нельзя. Эти ионы
могут давать определяющий вклад в частоту возникновения одиночных ради-
ационных эффектов (ОРЭ). На рис. 2.15 представлены дифференциальные
флюенсы ТЗЧ ГКЛ за 10 лет для разных орбит: геостационарная орбита
(ГЕО), круговые орбиты с наклонением 60° и высотой 360 км и 1000 км
и эллиптическая орбита с апогеем 36000 км и перигеем 360 км и наклонени-
ем также 60°.
Сравнение представленных зависимостей позволяет сделать следующие
выводы:
— фактический уровень воздействия ТЗЧ на относительно низких орбитах
падает до порядка величины, что связано с влиянием магнитного поля
и атмосферы Земли;
— для высокоэллиптических и геостационарных орбит уровни практически
совпадают.
В целом для большинства орбит различия в характере изменений между
ЛПЭ-спектрами несущественны. Только для орбит с малыми углами накло-
нения и низкими высотами необходимо учитывать экранирование потока
протонов и ТЗЧ магнитосферой Земли. Из представленных результатов сле-
дует, что для практически важных случаев (ЛПЭ больше 1 МэВ·мг/см2)
спектры различаются между собой не более, чем в 3…5 раз. Поэтому для
многих приложений эти различия можно считать незначительными и пользо-
ваться данными, полученными для геостационарной орбиты как наиболее
консервативный случай.
Из-за высоких энергий галактических частиц происходит слабое влияние
защитных слоев на характеристики поля излучения ТЗЧ. Действительно, даже
при конструкционной защите 10 г/см2 в среднем флюенсы ТЗЧ во всем диапа-
зоне ЛПЭ уменьшаются на величину около порядка (рис. 2.16).
32 Глава 2. Источники ионизирующего излучения естественного происхождения
Совершенно по-другому происходит трансформация спектров ЛПЭ для
ТЗЧ СКЛ. При прочих равных условиях ослабление у них происходит на не-
сколько порядков сильнее (рис. 2.17).
2.1. Радиационные факторы космического пространства 33
а)
б)
Рис. 2.14. Энергетические плотности потоков протонов ГКЛ и СКЛ круговой
орбиты с высотой 650 км и наклонением 60° (а) и геостационарной
орбиты (б)
34 Глава 2. Источники ионизирующего излучения естественного происхождения
Рис. 2.15. Дифференциальные флюенсы ТЗЧ ГКЛ за 10 лет для разных орбит
Рис. 2.16. Интегральный ЛПЭ-спектр для ионов ГКЛ на геостационарной орби-
те за сферической защитой разной толщины
Рис. 2.17. Интегральный ЛПЭ-спектр для ионов СКЛ на геостационарной орби-
те за сферической защитой разной толщины
2.1.4. Вторичное излучение
Вторичное ионизирующее излучение формируется из первичного в результате
взаимодействия последнего с конструкционными материалами КА и/или
с окружающей атмосферой. Основными являются три компоненты фонового
излучения — гамма-кванты, мезоны и нейтроны.
Гамма-кванты (тормозное рентгеновское излучение) образуются в первую
очередь из-за радиационных потерь электронов в конструкционных материа-
лах КА. Спектр и интенсивность тормозного излучения зависят от энергии
и интенсивности внешнего электронного излучения, а также от параметров
материала, в котором происходит торможение электронов. Например, при
нормальном падении электронов с энергией порядка 1 МэВ за материалом
из алюминия формируется рентгеновское излучение с интенсивностью по-
рядка (1…5)·10-12 рад(Si)·см2/электрон. Таким образом, для этого случая
вклад тормозного излучения за защитой будет составлять десятые доли про-
цента от величины суммарной дозы внешнего электронного излучения. Бо-
лее подробные оценки характеристик тормозного излучения будут сделаны
в главе 4.
В соответствии с физическими законами выход тормозного излучения бу-
дет тем выше, чем больший атомный номер имеет материал защиты. Поэтому,
с одной стороны, материалы с большими атомными номерами более эффек-
тивно ослабляют первичное радиационное излучение, а с другой — после пол-
ного торможения за этой преградой будут формироваться более высокие уров-
ни тормозного излучения. Данный вывод подтверждают расчетные значения
дозы от электронного излучения на геостационарной орбите за преградами из
алюминия и свинца (рис. 2.18) [3]. Практически до полного поглощения пер-
вичного электронного излучения (до 2 г/см2) свинцовая защита оказывается
2.1. Радиационные факторы космического пространства 35
Рис. 2.18. Формирование дозы на геостационарной орбите за преградами, вы-
полненными из алюминия и свинца [3]
более эффективной. При больших значениях массовой толщины уровни ради-
ационного нагружения за счет тормозного излучения для преграды из свинца
становятся заметно более высокими.
2.2. Естественный радиационный фон
К источникам фонового радиационного излучения, приводящим к сбоям и от-
казам, относятся те воздействия, которые способны создавать локальное энер-
говыделение в районе долей и единиц МэВ в чувствительных микрообъемах
с размерами порядка 1…100 мкм3 [3—5, 26, 27].
Фоновое ионизирующее излучение формируется вторичными ядерными
частицами, которые образуются как из первичных частиц космического излу-
чения (протонов, -частиц, тяжелых ядер, возможно, фотонов и электронов),
так и из вторичных частиц (вторичных протонов, вторичных нейтронов высо-
ких энергий, - и -мезонов, фотонов и др.) [27, 28]. На рис. 2.19 [28] (при-
ложение 2) схематически изображено образование нейтронов (n) и мезонов
( и ) средних энергий (менее 10 МэВ) при взаимодействии первичных час-
тиц с ядрами воздуха. Наряду с нейтронами умеренных энергий при ядерных
расщеплениях появляются приблизительно в равном количестве протоны (p)
таких же энергий. Наиболее тяжелыми ядерными частицами являются нейтро-
ны, которые способны вызывать сбои и отказы в СБИС (рис. 2.20) [27]. Влия-
ние вторичного нейтронного излучения проявляется в основном в верхних
слоях атмосферы. Вместе с тем нейтронный фон присутствует и на уровне
моря. Сбои могут также возникнуть из-за воздействия -мезонов,
36 Глава 2. Источники ионизирующего излучения естественного происхождения
Рис. 2.19. Формирование фонового излучения у поверхности Земли [28] (при-
ложение 2)
Поскольку нуклонная компонента поглощается в атмосфере значительно
сильнее, чем жесткая компонента, относительный вклад образования нейтро-
нов умеренных энергий под действием -мезонов неодинаков на различных
высотах над уровнем моря.
Первичная частица космического излучения при взаимодействии с ядрами
воздуха может передать нейтрону значительную часть своей энергии. Во вся-
ком случае, экспериментально установлено [29], что в атмосфере имеются
нейтроны с энергией во много сотен МэВ. Замедляясь в атмосфере вследствие
упругих и неупругих столкновений, нейтроны могут в конце концов достиг-
нуть тепловых энергий. Таким образом, в атмосфере имеются нейтроны все-
возможных энергий — от тепловых (порядка 0,025 эВ) до энергий первичных
космических частиц. Для того чтобы охарактеризовать энергетический спектр
нейтронов в атмосфере, нужно указать плотность или поток нейтронов в вы-
бранном интервале энергий в зависимости от их энергии.
На рис. 2.21 показаны энергетические спектры нейтронов (En) в атмосфе-
ре на различной высоте над уровнем моря (интенсивности нейтронов и их
энергии приведены в логарифмической шкале). Из этих спектров видно, что
максимум плотности потока нейтронов наблюдается приблизительно при
энергии нейтронов 0,1 эВ, т.е. при энергии, близкой к тепловой. Оценка ин-
тегральных потоков нейтронов показывает, что в равновесной области атмо-
сферы поток нейтронов с энергией до 1 эВ примерно на порядок меньше, чем
нейтронов с энергией от 1 эВ до десятков МэВ.
Дифференциальный спектр интенсивности нейтронов в атмосфере изме-
няется от изотропного до пропорционального cos n
2 при изменении энергии
от нескольких МэВ до 1 ГэВ. В интервале от 1 МэВ до 10 ГэВ спектр интен-
сивности нейтронного излучения с достаточной степенью точности аппрокси-
мируется выражением [29]:
d n/dEn = k En
-a-b lgEn , [нейтрон/(см2 сек МэВ)]; (2.3)
2.2. Естественный радиационный фон 37
Рис. 2.20. Типовые уровни фонового радиационного излучения у поверхности
Земли
или
d n/dEn = 0,3459En
-0,9219 exp [0,01522
(lnEn)2], (2.4)
где k = 4,8·10-3; a = 1,0; b = 0,17.
Изменение плотности распространения нейтронов с высотой связано с за-
висимостью энергии космических лучей от глубины их проникновения в ат-
мосферу. Обнаружено, что максимум плотности потока нейтронов находится
на высоте ~ 15 км и его значение экспоненциально уменьшается с характери-
стической длиной [30]. Поэтому это излучение необходимо учитывать в пер-
вую очередь при оценке уровней сбоев и отказов электронной аппаратуры
авиационной техники.
2.3. Естественная радиоактивность материалов
Естественная альфа-радиоактивность конструкционных материалов возникает
в первую очередь в результате спонтанного деления трансурановых материалов
или радиоактивного распада ряда материалов. Следует отметить, что значи-
тельная часть существующих альфа-источников получается искусственным пу-
тем. К наиболее распространенным источникам естественного происхождения
относятся торий, уран, радий и радон (табл. 2.2). Но радий является газом,
и он не в состоянии входить в состав конструкционных материалов. Но он мо-
жет попасть в подкорпусное пространство на этапе герметизации СБИС. Его
влияние проявляется также в бескорпусных СБИС и при проведении экспери-
ментальных исследований по определению характеристик фонового излуче-
ния. Радиоактивные ряды начального распада нескольких трансурановых эле-
ментов представлены на рис. 2.22.
Современные изделия микроэлектроники находят широкое распространение
в различных сферах деятельности: от применения в простейшей бытовой тех-
нике до систем искусственного интеллекта. Сегодня невозможно представить
себе жизнь без персональных компьютеров, различных гаджетов, систем кос-
мической навигации т.п.
Среди многочисленных факторов, влияющих на функционирование элект-
ронной аппаратуры при ее эксплуатации, особое значение имеет воздействие
полей ионизирующих излучений искусственного и естественного происхожде-
ний. Даже на поверхности Земли имеют место функциональные сбои кар-
диостимуляторов, автомобильной электроники и суперкомпьютеров, вызван-
ные фоновым радиационным излучением. Увеличение сроков активного
существования, переход на открытые платформы космических аппаратов уси-
лили актуальность задачи оценки и прогнозирования уровней отказов элект-
ронных элементов и узлов к радиационным воздействиям космического про-
странства. Из-за влияния атмосферных нейтронов имеют место сбои и отказы
авионики, а естественная альфа-радиоактивность материалов вызывает сбои
даже в нормальных условиях эксплуатации.
Проблема обострилась еще и тем, что в электронной аппаратуре, в первую
очередь специального назначения, широко используются функционально
сложные изделия, для которых практически невозможно провести весь цикл
работ по обеспечению требований по радиационной стойкости. Проектирова-
ние электронных систем с использованием современных изделий электронной
компонентной базы (ЭКБ), появление новых радиационных эффектов, посто-
янное совершенствование технологии изготовления ИС привело к невозмож-
ности производства относительно полной номенклатуры радиационно стойких
изделий. Это обусловлено тем, что разработка ИС с повышенными показате-
лями качества, в соответствии с действующими стандартами, требует значи-
тельных средств и ресурсов. Стоимость радиационно cтойких изделий на
два-три порядка выше, чем аналогичные изделия индустриального назначе-
ния. Необходимо отметить также «провал» в этой проблематике в РФ, кото-
рый произошел с начала 90-х годов прошлого столетия. Фактически многие
подразделения у разработчиков элементной базы и электронной аппаратуры,
занимающихся проектированием и испытанием радиационно стойких изде-
лий, были ликвидированы.
На современном этапе методы моделирования и оценки радиационной
стойкости ИС должны учитывать следующие тенденции:
— рост качества технологии изготовления интегральных схем, которое по-
тенциально не ухудшает показатели радиационной стойкости активных
элементов ИС, но приводит к существенному влиянию паразитных
структур;
— появление новых элементов ИС и увеличение их плотности размещения
на кремниевом кристалле, для которых ограничены классические мето-
ды схемотехнического моделирования из-за влияния интегральных эф-
фектов и паразитных структур;
— усиление роли микродозиметрических и одиночных радиационных эф-
фектов, для которых неприменимы классические модели, ориентиро-
ванные на использование усредненных характеристик полей ионизиру-
ющего излучения.
В настоящее время достигнутый уровень разрешения технологии интег-
ральных схем составляет около 2 нм. Использование пониженного напря-
жения или мощности потребления означает, что требуются меньший заряд,
необходимый для запоминания информации, и реализуются более низкие из-
менения пороговых напряжений, приводящих к параметрическим отказам.
Однако при этом имеет место и положительная тенденция в связи с совершен-
ствованием технологических операций (за счет уменьшения толщин структур,
снижения уровня дефектности исходных материалов, повышения уровней ле-
гирования и т.п.), вследствие чего происходит снижение чувствительности ха-
рактеристик ИС к радиационным эффектам.
Вопросам изучения радиационных эффектов в полупроводниковых прибо-
рах и ИС посвящено достаточно много публикаций и монографий. Наиболее
полно результаты научно-технических исследований представлены на ежегод-
ных российской конференции «Стойкость», международных конференциях
IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Conference (NSREC) и RADECS.
Однако следует отметить, что российские издания по этой проблеме в
основном не в полной мере отражают современное состояние проблемы, к
тому же они затрагивают только часть ее, в основном связанную с факторами
космического пространства. Зарубежные монографии или обзоры труднодо-
ступны российским специалистам. Поэтому назрела необходимость публика-
ции издания, в котором нашли бы отражение все основные накопленные по
этой тематике знания, начиная с фундаментальных основ физики радиацион-
ных эффектов в ИС и проявления их в изделиях микроэлектроники с учетом
последних технологических достижений. При этом автору хотелось уделить
внимание как фундаментальным основам физики радиационных эффектов в
ИС, так и непосредственному анализу особенностей проявления радиацион-
ных эффектов в ИС. Понимая невозможность полноценного решения постав-
ленной задачи, пришлось пожертвовать материалами, которые можно найти в
других доступных публикациях или имеющирми чисто прикладной характер.
Большинство представленных оригинальных результатов получено спе-
циалистами экспериментального научно-производственного объединения
«Специализированные электронные системы» (ЭНПО СПЭЛС) и НИЯУ
МИФИ, в том числе Бобровским Д.В., Боруздиной А.Б., Егоровым А.Н., Ка-
лашниковым О.А., Кессаринским Л.Н., Маврицким О.Б., Петровым А.Г., Пе-
ченкиным А.А., Скоробогатовым П.К., Савченковым Д.В., Смолиным А.А.,
Согояном А.В., Швецовым-Шиловским И.И., Яненко А.В. и другими, за что
им автор очень признателен. В представленной работе нашли отражение также
результаты исследований специалистов из других организаций, в том числе
Беляковым В.В., Герасимовым В.Ф., Емельяновым В.В., Ереминым Н.В., Зин-
ченко В.Ф., Кузнецовым В.Н., Першенковым В.С., Потапенко А.И., Тапе-
ро К.И., Тверским М.Г., Улимовым В.Н., Хаустовым В.В. и рядом других.
Введение 7
Автор считает своим приятным долгом также выразить признательность
Артамонову А.С., Бойченко Д.В., Громову Д.В., Демидову А.С., Никифоро-
ву А.Ю., Полунину В.А., Помазану Ю.В., Тельцу В.А., Улановой А.В., Шахов-
скому В.В. и другим за обсуждение актуальных научно-технических проблем.
За время работы мне посчастливилось познакомится с основоположника-
ми этой тематики в РФ: с Ухиным Н.А., Агаханяном Т.М., Ладыгиным Е.А.,
Чепиженко А.З., Малининым В.Г., Гориным Б.Г., Вавиловым В.А. и другими,
которые в значительной мере помогли в моем становлении как специалиста.
Автор признателен членам своей семьи: супруге Татьяне и сыновьям Кон-
стантину и Иннокентию, которые помогали в работе.
Хочется выразить благодарность сотрудникам ЦЭПЭ НИЯУ МИФИ,
АО «ЭНПО СПЭЛС» за помощь материалами при подготовке рукописи к из-
данию.
Особо хотелось поблагодарить рецензентов Маркова Михаила Борисовича
и Титаренко Юрия Ефимовича, которые нашли время ознакомиться с рукопи-
сью и дать ряд ценных замечаний.
Ваши отзывы, предложения и замечания по содержанию книги и по суще-
ству затронутых в ней проблем просим направлять по адресу: 115409, Москва,
Каширское ш., 31, НИЯУ МИФИ, ЦЭПЭ.
8 Введение
ÃËÀÂÀ 1
ÐÀÄÈÀÖÈÎÍÍÛÅ ÓÑËÎÂÈß
1.1. Внешние воздействующие факторы
Интегральные схемы (ИС) и полупроводниковые приборы (ППП) в составе ра-
диоэлектронной аппаратуры (РЭА) могут функционировать в различных усло-
виях эксплуатации, в том числе в условиях воздействия внешних дестабилизи-
рующих факторов (ВВФ) [1]. Все ВВФ делятся на классы ГОСТ 21964 [2]
(рис. 1.1). Для большинства изделий микроэлектроники основными внешними
воздействующими факторами являются климатические и механические. Элект-
ромагнитные, биологические, термические, радиационные и факторы специаль-
ных сред рассматриваются для специализированных изделий, среди которых
важное место занимают радиационные воздействия.
В общем случае конкретных видов ВВФ существует достаточно много.
Проанализируем их на примере факторов космического пространства (ФКП)
исходя из современных представлений о существующих факторах космическо-
го пространства (КП) [3-5], способных повреждать электронную аппаратуру
космических аппаратов (КА). В табл. 1.1 на примере средств оптико-электрон-
ных систем представлены основные ФКП и их характеристики.
Ионизирующее излучение (ИИ) состоит из потока первичных заряженных
ядерных частиц (электроны, протоны и тяжелые заряженные частицы), а так-
же вторичных ядерных частиц — продуктов ядерных превращений, связанных
с первичными частицами. Основные эффекты воздействия ИИ на электрон-
ную аппаратуру обусловлены ионизационными и ядерными потерями энер-
гии первичных и вторичных частиц в чувствительных объемах элементов ин-
тегральных схем.
Рис. 1.1. Классы внешних воздействующих факторов
Таблица 1.1. Основные эффекты, возникающие в бортовых электронных
устройствах при воздействии ФКП [3—5]
№ Факторы космиче-
ского пространства
Особенности влияния ФКП на элементы
и технические устройства КА
Характеристики
ФКП и сопутствую-
щих эффектов, тре-
бующих учета
1 Ионизирующие
излучения:
— естественные
радиационные по-
яса Земли;
— искусственные
радиационные по-
яса Земли;
— галактические
и солнечные кос-
мические лучи
(радиация)
Деградация параметров ИС, отказы и сбои
в работе изделий микроэлектроники;
изменение прозрачности оптических сред
(радиационное окрашивание и растрески-
вание оптических стекол), световые поме-
хи в оптико-электронной аппаратуре
вследствие радиолюминесценции и воздей-
ствия ядер космических излучений в опти-
ческих деталях;
пробой и растрескивание изолирующих
материалов вследствие электризации ди-
электриков;
уменьшение мощности источников пита-
ния из-за деградации параметров солнеч-
ных батарей
Флюенсы потоков
ионизирующих из-
лучений, их энерге-
тические спектры,
зарядовое состояние
и пространствен-
но-временные рас-
пределения потоков
заряженных частиц
2 Космическая
плазма
(плазма)
Сбои и отказы радиоэлектронной аппара-
туры вследствие паразитных наводок
и пробоев;
загрязнение элементов оптических
устройств из-за распыления материалов;
ухудшение свойств терморегулирующих
покрытий из-за растрескивания и частич-
ного испарения их материала;
паразитные высокочастотные наводки
Параметры плазмы
на различных орби-
тах полета КА.
Параметры элект-
ризации КА:
— предельный по-
тенциал;
— частота разрядов;
— спектры электро-
магнитных и опти-
ческих помех;
— параметры пер-
вичной и вторич-
ной фотоэмиссии
3 Тепловое излуче-
ние Солнца, пла-
нет и космическо-
го пространства
(температура)
Изменение оптических свойств оптических
покрытий различного назначения (оптиче-
ских фильтров, клеев и т.п.);
изменения характеристик электрорадиоиз-
делий вследствие влияния температурных
эффектов
Характеристики
тепловых потоков
на солнечной сто-
роне и в тени КА
на орбитах полета;
диапазон и гради-
енты изменения
температур
4 Невесомость Отсутствие конвекционного теплообмена;
отсутствие механических нагрузок под дей-
ствием силы тяжести;
экранирование поля зрения оптических
устройств частицами, элементами конст-
рукций, «плавающими» в невесомости
Температурные
поля, их градиенты
над различными
поверхностями
в вакууме
10 Глава 1. Радиационные условия
№ Факторы космиче-
ского пространства
Особенности влияния ФКП на элементы
и технические устройства КА
Характеристики
ФКП и сопутствую-
щих эффектов, тре-
бующих учета
5 Собственная
внешняя
атмосфера
(атмосфера)
Загрязнение внешних покрытий и оптиче-
ских поверхностей;
теневые помехи оптико-электронным
устройствам
Характеристики
ионно-газопылевой
атмосферы КА (со-
став и плотность
частиц, их про-
странственно-вре-
менные распределе-
ния и зарядовое со-
стояние)
6 Микрометеориты
(объекты)
Эрозия поверхности, нарушение механиче-
ских характеристик корпусов, необратимые
отказы элементов солнечных батарей
Потоки микромете-
оритов, масса
и скорость налетаю-
щих микрометеори-
тов
7 Космический
вакуум
(атмосфера)
Ухудшение характеристик теплоотвода
в негерметизированных отсеках;
«холодная» сварка металлических поверх-
ностей контактов в механизмах привода
Давление и концен-
трация газовых час-
тиц;
эффективная темпе-
ратура
8 Замкнутый объем Отсутствие потенциала «земли»;
сигналы электрических помех из-за повер-
хностных токов
Амплитудно-вре-
менные характери-
стики сигналов
электромагнитных
помех
9 Геомагнитное
поле
(геомагнетизм)
Изменение электромагнитных полей внут-
ри КА;
сбои и отказы радиоэлектронной аппарату-
ры вследствие паразитных наводок и про-
боев
Характеристики
магнитного поля,
изменение характе-
ристик во время
магнитных бурь
Влияние ИИ совместно с космической плазмой проявляется через элект-
ризацию диэлектрических защитных и термоизолирующих покрытий. По мере
достижения критического заряда происходит внутренний локальный электро-
статический пробой, который может привести к непосредственному отказу
или сбою прибора. Возможен также косвенный эффект через действие элект-
ромагнитного поля, возникающего при пробое.
Неравномерный разогрев конструкций КА за счет солнечного излучения,
а также при попадании в зону тени от других объектов приводит к значитель-
ным циклическим изменениям температуры внешней поверхности КА. В резу-
льтате возникают температурные градиенты, которые могут приводить к тер-
момеханическим напряжениям и возникновению термоэдс.
1.1. Внешние воздействующие факторы 11
Таблица 1.1. (Окончание)
Из-за действия невесомости ухудшается тепловой режим работы электрон-
ной аппаратуры, так как отсутствует конвекционный съем тепла с нее. Поэто-
му возможен разогрев аппаратуры за счет внутренней рассеиваемой мощности.
Действие микрометеоритов приводит к механическим повреждениям
внешней поверхности приборов. Наиболее существенно этому воздействию
подвержены солнечные батареи.
Отсутствие привычной шины земли приводит к тому, что общий потенци-
ал колеблется, а протекание поверхностных токов по поверхности КА может
служить дополнительным источником возникновения сигналов помех.
Анализ табл. 1.1 показывает, что эксплуатационные условия электронной
аппаратуры КА в условиях КП определяются большим числом факторов, име-
ющих различную физическую природу. Детальный анализ влияния этого ком-
плекса на работоспособность КА в условиях открытого космоса позволяет вы-
делить ряд независимых факторов, а остальные рассматривать с точки зрения
радиационного и теплового воздействия. Справедливость этого вывода под-
тверждена наличием тесной корреляционной связи между отдельными факто-
рами. Так, например, невесомостью обусловлено отсутствие конвекции при
теплообмене, а наличие вокруг КА собственной внешней атмосферы приводит
к изменению вакуума, что, в свою очередь, влияет на теплообмен в открытом
космическом пространстве.
1.2. Состав ионизирующего излучения
В общем виде радиационные факторы можно разделить на две большие груп-
пы по их происхождению — естественного или искусственного происхожде-
ния. К первой группе относится ионизирующее излучение, источниками кото-
рого являются различные природные явления, например космическое
излучение. К искусственным источникам радиации относится излучение, ко-
торое возникает за счет деятельности человека, например ионизирующее излу-
чение ядерных энергетических установок.
Ионизирующее излучение, или радиация, создается различными типами
ядерных частиц. К важнейшим из них относятся: нейтроны, протоны, ионы,
электроны, гамма-кванты и фотоны, характеристики взаимодействия которых
в значительной степени зависят от энергии ядерных частиц. Как правило,
в ядерной физике энергию определяют величиной эВ, которая соответствует
значению, полученному ядерной частицей с зарядом по абсолютной величине
равному заряду одного электрона при приложенном напряжении равном 1 В.
1 эВ равен 2,6.1019
Дж.
Кратко рассмотрим физические особенности каждой ионизирующей час-
тицы. По типам ядерных частиц их можно разделить на заряженные: протоны,
ионы и электроны и нейтральные (косвенно ионизирующие): нейтроны, гам-
ма-кванты и фотоны.
Нейтрон
Нейтрон в свободном состоянии представляет собой нейтральную ядерную
частицу с массой покоя около 1,67·1027
кг (940 МэВ). В свободном состоянии
12 Глава 1. Радиационные условия
нейтрон радиоактивен и распадается на протон, электрон и нейтрино. Период
полураспада чуть более 10 мин. Для нейтрона, как элементарной ядерной час-
тицы, характерно проявление волновых свойств.
Очень часто нейтроны квалифицируют по спектру — функции, описываю-
щей распределение нейтронов по энергии. Как правило, выделяют несколько
областей спектра энергии нейтронов:
— релятивистские нейтроны, с энергией более 1010 эВ;
— быстрые нейтроны, с энергией больше 0,1 МэВ (иногда больше 1 МэВ);
—медленные нейтроны — общее название нейтронов с энергией менее 100 кэВ;
— тепловые нейтроны с энергией около 0,025 эВ.
Скорость нейтрона vn зависит от его энергии и может быть определена из
соотношения:
vn 1.4 104 En , м/с, (1.1)
где En — энергия нейтрона в эВ.
Гамма-кванты
Гаќмма-излучеќние (г-кванты) — вид электромагнитного излучения с чрез-
вычайно маленькой длиной волны — < 5 Ї 103
нм — и вследствие этого ярко
выраженными корпускулярными свойствами. Энергии квантов гамма-излуче-
ния лежат в диапазоне 105—109 эВ. На шкале электромагнитных волн оно гра-
ничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот
(рис. 1.2). Гамма-излучение испускается при переходах между возбужденными
состояниями ядер элементов. Образуются при радиоактивных превращениях
атомных ядер и при ядерных реакциях. Гамма-излучение образуется также за
счет радиационных потерь заряженных частиц с энергией более нескольких
сотен кэВ, хотя по природе возникновения в данном случае можно говорить
о тормозном излучении.
В состоянии покоя масса гамма-кванта равна нулю. Скорость распростра-
нения гамма-кванта равна скорости света. Поэтому, если имеется источник
гамма-нейтронного излучения, испускающий одновременно гамма-квант и 1
МэВ нейтрон, то уже на расстоянии R в метрах временной сдвиг между ними
будет равен:
t r/vn. (1.2)
Другими словами, даже на расстоянии 1 м временной сдвиг между одно-
временно испущенными гамма-квантом и 1 МэВ нейтроном будет составлять
величину чуть более 70 нс.
1.2. Состав ионизирующего излучения 13
Рис. 1.2. Шкала электромагнитных волн
Рентгеновское излучение
Область энергий от 1 до 100 кэВ относят к рентгеновскому излучению. Ис-
точниками рентгеновского излучения являются рентгеновские трубки, Солн-
це, излучение возбужденных атомов и т.п. Спектр рентгеновского излучения
может быть непрерывным или линейчатым. Линейчатый спектр (характери-
стическое излучение) возникает при возбуждении атомов при переходе элект-
ронов с одной внутренней орбиты на другую. Эти спектры строго соответству-
ют энергетической структуре электронных оболочек атома, и по ним может
производиться идентификация химических элементов.
Непрерывный спектр формируется как за счет торможения ядерных час-
тиц в веществе (тормозное излучение), так и в результате сильного разогрева
материала (излучательный спектр, или спектр абсолютно черного тела).
Фотонное излучение
Фотонное излучение — вид электромагнитного излучения с относительно
большой длиной волны ~ 1 мкм. У фотонов проявляются как волновые, так
и корпускулярные свойства. Энергии фотонов лежат в диапазоне 103—
103 эВ.
На шкале электромагнитных волн оно граничит с рентгеновским излучением,
занимая диапазон более низких частот.
В общем случае для фотонного излучения различают три области излуче-
ния: инфракрасное с длиной волны более 760 нм, видимое оптическое излуче-
ние (диапазон длин волн 400…760 нм) и ультрафиолетовое излучение с длиной
волны менее 400 нм.
Электроны
Электрон является самой легкой заряженной частицей. Ее заряд составля-
ет 1,6·1019
Кл, а масса покоя 9,1·1031
кг (0,51 МэВ). Заряд электрона служит
единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц. Из
электронов состоят электронные оболочки атомов всех веществ. Движение
электронов определяет многие электрические явления, такие как электриче-
ский ток в металлах и вакууме.
В ряде случаев к электронам относят как собственно электроны, так и по-
зитроны (например, рассматривая их как общее электрон-позитронное поле,
получаемое из решения уравнения Дирака).
Иногда выделяют в отдельную группу электронное излучение, получаемое
в результате радиоактивного распада вещества, — бета-излучение. Бета-части-
ца (в-частица) — это электрон, испускаемый в результате бета-распада ряда
радиоактивных материалов. Типовые значения энергии бета-частиц лежат
в диапазоне чуть ниже 1 МэВ.
Находясь в периодическом потенциале кристалла, электрон рассматрива-
ется как квазичастица, эффективная масса которой может значительно отли-
чаться от массы покоя электрона.
Протоны
Протон — положительно заряженная частица, входящая вместе с нейтро-
ном в состав ядра атома. Из-за их общности с нейтроном их называют нукло-
нами. Протон имеет положительный заряд по величине, равной заряду элект-
рона, а масса протона равна 1,67·1027
кг. Протон в химическом смысле
является ядром атома водорода без электрона. В природе протоны присутству-
ют в составе космических лучей.
14 Глава 1. Радиационные условия
Ионы
Атомы химических элементов с частично или полной удаленной электрон-
ной оболочкой. Масса иона определяется суммарным количеством протонов
и нейтронов, входящих в состав ядра атома. Заряд иона определяется количе-
ством потерянных электронов. В общем случае заряд иона зависит от его
энергии. Чем выше его энергия, тем больше «обдирается» его электронная
оболочка и, тем самым, выше его заряд.
Иногда выделяют в отдельную группу альфа-излучение, получаемое в ре-
зультате радиоактивного распада вещества. Альфа-частица ( -частица) — это
ион гелия, испускаемый в результате альфа-распада ряда радиоактивных ма-
териалов. Типовые значения энергии альфа-частиц лежат в диапазоне око-
ло 5 МэВ.
Существуют другие типы ядерных частиц (мюоны, нейтрино и т.п.), кото-
рые потенциально могут также воздействовать на ИС. Но в силу их относите-
льно малой распространенности они рассматриваться в дальнейшем не будут.
1.3. Величины и единицы ионизирующих
излучений
Радиационные поля характеризируются несколькими параметрами, к важней-
шим из которых относятся [6]:
Энергия ионизирующих частиц E обычно выражается в электронвольтах (эВ).
1 эВ равен 1,6·1019
Дж = 1,6·1012
эрг.
Поток ионизирующих частиц F — отношение числа ионизирующих частиц
dN, прошедших через данную поверхность за интервал времени dt, к этому ин-
тервалу:
F = dN/dt, [1/c]. (1.3)
Этот параметр относительно редко используется на практике.
Флюенс (интегральный поток) ионизирующих частиц — отношение чис-
ла ионизирующих частиц dN, проникающих в элементарную сферу, к площа-
ди dS центрального сечения этой сферы:
= dN/dS, [частиц/cм2]. (1.4)
Данное определение справедливо к любому потоку частиц ионизирующе-
го излучения, в том числе и изотропному. На практике часто имеет место
однонаправленный поток. В этом случае флюенс можно определить как от-
ношение числа частиц, падающих перпендикулярно на поверхность, к пло-
щади этой поверхности. Другими словами, под флюенсом понимают одно-
направленный интегральный поток, умноженный на косинус угла падения
частиц по отношению к нормальному падению этих частиц, на поверхность
кристалла.
Плотность потока ионизирующих частиц — отношение потока ионизи-
рующих частиц dF, проникающих в элементарную сферу, к площади dS цент-
рального сечения этой сферы:
= dF/dS = d /dt, [частиц/(cм2·c)]. (1.5)
1.3. Величины и единицы ионизирующих излучений 15
Энергетическая плотность потока ионизирующих частиц e(E) — отноше-
ние плотности потока ионизирующих частиц с энергией от E до E + dE
к энергетическому интервалу dE:
e(E) = d /dE = d2F/(dS.dE), [частиц/(cм2·c·МэВ)]. (1.6)
Очень часто эту величину называют дифференциальным энергетическим
спектром плотности потока ионизирующих частиц. Если взять определенный
интеграл по энергии от энергетической плотности потока ионизирующих час-
тиц, то получим интегральный энергетический спектр плотности потока иони-
зирующих частиц:
( ) ( )
E E dE
E
, [частиц/(cм2·c)]. (1.7)
Данная характеристика определяет плотность потока частиц ионизирую-
щего излучения, имеющих энергию, большую, чем E.
Энергетическо-угловая плотность потока ионизирующих частиц (E, ) —
отношение плотности потока ионизирующих частиц с энергией от E до
E + dE, распространяющихся в пределах телесного угла d , ориентированного
в направлении к энергетическому интервалу dE и этому телесному углу:
(E, ) = d2 /(dS.d ), [частиц/(cм2·c·МэВ·стерадиан)]. (1.8)
При оценках радиационных эффектов от воздействия нейтронов наиболее
широко используется такой параметр, как флюенс. С другой стороны, при
описании полей излучения космического пространства наиболее распростра-
ненными являются энергетическая плотность потока ионизирующих частиц
или интегральный энергетический поток.
Помимо этих единиц необходимо также ввести величины и единицы, ха-
рактеризующие взаимодействие ИИ с веществом. Приведем определения не-
которых из них.
Сечение взаимодействия ионизирующих частиц (парциальное сечение взаи-
модействия) i — отношение числа определенного типа (i-го) взаимодействий
Ni ионизирующих частиц и частиц-мишеней в элементарном объеме при пере-
носе ионизирующих частиц к числу частиц-мишеней N в этом объеме и к
этому флюенсу:
i
Ni
N
, [см2 = 1024 барн]. (1.9)
Полное сечение взаимодействия ионизирующих частиц (полное сечение взаи-
модействия) — сумма всех сечений взаимодействия i ионизирующих частиц
данного вида, соответствующих различным реакциям или процессам:
i
i
. (1.10)
Макроскопическое сечение взаимодействия ионизирующих частиц (макроско-
пическое сечение взаимодействия) i — произведение сечения взаимодейст-
вий i на концентрацию частиц-мишеней (атомов) No в веществе:
i = i
.No, [1/см]. (1.11)
16 Глава 1. Радиационные условия
Линейный коэффициент ослабления — отношение dN/N косвенно ионизи-
рующих частиц, испытавших взаимодействие при прохождении элементарного
пути dl в веществе, к длине этого пути:
1
N
dN
dl
, [1/см]. (1.12)
Под косвенно ионизирующими частицами понимаются частицы, у кото-
рых отсутствуют заряд (фотоны, нейтроны, гамма-кванты и т.п.).
Массовый коэффициент ослабления m — отношение линейного коэффици-
ента ослабления к плотности вещества , через которое проходит косвенно
ионизирующее излучение:
1
N
dN
dl
, [см2/г]. (1.13)
Линейный коэффициент передачи энергии tr — отношение доли энер-
гии dw/w косвенно ионизирующего излучения (исключаю энергию покоя), ко-
торая преобразуется в кинетическую энергию заряженных частиц при прохож-
дении элементарного пути dl в веществе, к длине этого пути:
tr w
dw
dl
1
, [1/см]. (1.14)
Массовый коэффициент передачи энергии tr,m — отношение линейного ко-
эффициента передачи энергии tr к плотности вещества , через которое про-
ходит косвенно ионизирующее излучение:
tr
tr , [см2/г]. (1.15)
Линейный коэффициент поглощения энергии en — произведение линейного
коэффициента передачи энергии на разность между единицей и долей энергии
вторичных заряженных частиц g, переходящих в тормозное излучение в дан-
ном веществе:
en tr (1 g), [1/см]. (1.16)
Массовый коэффициент энергии e — отношение линейного коэффициента
поглощения энергии en к плотности вещества , через которое проходит кос-
венно ионизирующее излучение:
tr
en , [см2/г]. (1.17)
Средний линейный пробег заряженной ионизирующей частицы Ro — среднее
значение модуля вектора между началом и концом пробега заряженной иони-
зирующей частицы в веществе.
Средний массовый пробег заряженной ионизирующей частицы Rom — произве-
дение среднего линейного пробега Ro заряженной ионизирующей частицы
в данном веществе на плотность этого вещества:
Rom=Ro
. , [г/см2]. (1.18)
Линейная плотность ионизации Gi — отношение числа dN ионов одного
знака, образованных заряженной ионизирующей частицей на элементарном
пути dl, к этому пути:
1.3. Величины и единицы ионизирующих излучений 17
Gi = dN/dl, [1/см]. (1.19)
Линейная тормозная способность вещества Sx — отношение энергии dE, те-
ряемой заряженной ионизирующей частицей при прохождении элементарного
пути dl в веществе, к длине этого пути:
Sx = dE/dl, [МэВ/мкм]. (1.20)
Массовая тормозная способность вещества Sxm — отношение линейной тор-
мозной способности Sx вещества к плотности вещества:
Sxm = Sx/ , [МэВ.см2/мг]. (1.21)
Линейная передача (потери) энергии (ЛПЭ) L — отношение энергии dE ,
переданной веществу заряженной частицей вследствие столкновений на эле-
ментарном пути, к длине dl этого пути:
L = dE /dl, [МэВ/мкм]. (1.22)
В данной работе мы будем использовать величину ЛПЭ, приведенную
к массе вещества:
Lz = L / , [МэВ.см2/мг]. (1.23)
Поглощенная доза ионизирующего излучения (доза излучения) D — отноше-
ние средней энергии dw, переданной ионизирующим излучением веществу
в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:
D = dw/dm, [Грей=100 рад]. (1.24)
Грей равен поглощенной дозе ИИ, при которой веществу массой 1 кг пере-
дается энергия ИИ, равная 1 Дж, а рад определяется величиной поглощенной
дозы, при которой веществу массой 1 г передается энергия ИИ, равная 100 эрг.
Мощность поглощенной дозы ИИ (мощность поглощенной дозы) P — отно-
шение приращения поглощенной дозы D за интервал времени dt к этому ин-
тервалу времени:
P = dD/dt, [Грей/c = 100 рад/c]. (1.25)
Керма K — отношение суммы начальных кинетических энергий dEk всех
заряженных ионизирующих частиц, образовавшихся под действием косвенно
ИИ в элементарном объеме вещества, к массе dm вещества в этом объеме:
K = dEk/dm, [Грей = 100 рад]. (1.26)
Важно подчеркнуть разницу между кермой и поглощенной дозой. В равно-
весном случае, когда перенос энергии происходит из смежных материалов,
равных между собой, керма и поглощенная доза также равны. В микрообъемах
или на границах раздела двух материалов это условие может не выполняться.
Так ионизирующая частица, образовавшаяся в объеме, может его покинуть
так, что основные потери энергии будут вне этого объема.
В радиационной физике полупроводниковых приборов очень часто вводят
понятие i-кермы (Ki) и d-кермы (Kd), которые относятся, соответственно,
к значениям кермы, затрачиваемым на ионизацию и структурные поврежде-
ния. В последнем случае используется также величина энергии, затрачиваемая
на неионизационные потери NIEL (non ionizing energy losses).
18 Глава 1. Радиационные условия
Экспозиционная доза фотонного излучения (экспозиционная доза) Dx — отно-
шение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, создаваемых в воздухе,
когда все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в элементарном
объеме воздуха с массой dm, полностью остановились в воздухе, к массе возду-
ха в указанном объеме:
Dx = dQ/dm, [Р(рентген) = 2.58·104
Кл/кг]. (1.27)
Мощность экспозиционной дозы фотонного излучения (мощность экспозицион-
ной дозы) Px — отношение приращения экспозиционной дозы Dx за интервал
времени dt к этому интервалу времени:
Px = dDx/dt, [Р/c]. (1.28)
Существует связь между поглощенной и экспозиционной дозой. Она опре-
деляется различиями в коэффициентах поглощения и передачи энергии в воз-
духе и в анализируемом веществе. Соотношения между этими величинами при
определении поглощенной дозы в кремнии приведены в приложении.
Активность радионуклида в источнике (образце) A — отношение числа
спонтанных переходов dN из определенного ядерно-энергетического состоя-
ния радионуклида, происходящих в источнике (образце) за интервал времени
dt, к этому интервалу времени:
A = dN/dt, [1/c = Бк (Беккерель)]. (1.29)
Постоянная радиоактивного распада радионуклида
а — отношение доли
ядер dN/N радионуклида, распадающихся за интервал времени dt, к этому ин-
тервалу времени:
a N
dN
dt
1
, [1/c]. (1.30)
Период полураспада радионуклида T1/2 — время, в течение которого число
ядер радионуклида в результате радиоактивного распада уменьшается в 2 раза.
1.4. Основные соотношения между величинами
ионизирующих излучений
Представленные выше величины не являются независимыми и между некото-
рыми из них существуют взаимосвязи. Проиллюстрируем это на наиболее
важных примерах.
Например, при известной активности радионуклида в приближении точеч-
ного источника плотность потока ионизирующих частиц будет определяться
через соотношение:
A
4 r 2
, (1.31)
где r — расстояние от источника до объекта.
По определению при воздействии ионизирующих заряженных частиц
определяется поглощенная доза через соотношение (1.24). В свою очередь, по-
тери каждой отдельной ядерной частицы выражаются через ЛПЭ (1.23). Оцен-
1.4. Основные соотношения между величинами ионизирующих излучений 19
ка общей потерянной энергии выражается через флюенс. Таким образом,
можно записать:
D
dw n
dm
L dl A
dl A
Lz
1
, (1.32)
где n — количество падающих частиц на объект площадью A, dw1 — потери
энергии от одной заряженной частицы.
Таким образом, несложно заметить, что суммарная доза в равновесном
случае не зависит от формы объекта, а определяется только ЛПЭ и флюенсом
заряженных частиц.
Пробег частицы также зависит от ЛПЭ. Если пренебречь отклонением тра-
ектории заряженной частицы от прямой линии, то величина среднего пробега
оценивается из соотношения:
R
dE
L o
o
E
0
, (1.33)
где E0 — начальная энергия ядерной частицы.
Несколько иначе производится расчет величины суммарной поглощенной
дозы при воздействии косвенно ионизирующих частиц. Например, при воз-
действии узкого рентгеновского пучка в материале на глубине xd мощность
поглощенной дозы оценивается из соотношения:
Px kx
Ex en(Ex) x(Ex) exp( m xd)dEx , (1.34)
где xn(E) — дифференциальный спектр рентгеновского излучения, падающего на
преграду массовой толщиной xd; t и e — массовые коэффициенты ослабления
и поглощения энергии квантов; kx — коэффициент пропорциональности. В слу-
чае если энергия фотонов Ex выражена в МэВ, величина kx = 1,6·108
рад/част.
Еще раз следует подчеркнуть разницу между поглощенной дозой и кер-
мой. Если при воздействии косвенно ионизирующего излучения имеют мес-
то заметные различия в коэффициентах поглощения энергии, то за счет пе-
реноса энергии вторичными электронами на границе раздела будут иметь
место различия в значениях поглощенной дозы от своих равновесных значе-
ний (рис. 1.3).
20 Глава 1. Радиационные условия
Рис. 1.3. Изменения кермы и поглощенной дозы на границе раздела двух мате-
риалов с разными значениями коэффициентов поглощения энергии
ÃËÀÂÀ 2
ÈÑÒÎ×ÍÈÊÈ ÈÎÍÈÇÈÐÓÞÙÅÃÎ
ÈÇËÓ×ÅÍÈß ÅÑÒÅÑÒÂÅÍÍÎÃÎ
ÏÐÎÈÑÕÎÆÄÅÍÈß
Существующие источники ионизирующего излучения (ИИ) можно разделить на
две большие группы. К первой группе относятся источники ИИ естественного
происхождения, а ко второй — искусственного происхождения. Наиболее зна-
чимым источником ИИ естественного происхождения являются радиационные
факторы космического пространства. К ним также следует отнести естествен-
ную радиоактивность материалов и фоновое излучение у поверхности Земли.
Источниками ИИ искусственного происхождения являются радиационные
факторы ядерного взрыва, фоновое радиационное излучение на ядерных энер-
гетических и электрофизических установках, ряд приборов медицинского на-
значения и т.п.
2.1. Радиационные факторы космического
пространства
В настоящее время одним из наиболее актуальных вопросов при разработке кос-
мических аппаратов (КА) является обеспечение их длительных сроков активного
существования. Эта задача не может быть реализована без решения вопросов, свя-
занных с обеспечением радиационной стойкости электронной аппаратуры КА.
Повышение ее актуальности обусловлено следующими основными причинами:
— отказом от гермоконтейнеров, размещение блоков радиоэлектронной
аппаратуры на открытой платформе КА приводит к увеличению радиа-
ционных нагрузок на электронную компонентную базу (ЭКБ) за счет
снижения защитных характеристик конструкционных материалов КА;
— увеличением сроков активного существования приводит к соответствую-
щему увеличению уровней радиационных дозовых нагружений;
— широким применением функционально сложных изделий микроэлект-
роники индустриальной системы качества (без требований по радиа-
ционной стойкости);
— появление новых механизмов отказов и сбоев электронной аппаратуры
КА, обусловленных радиационными эффектами от воздействия отдель-
ных высокоэнергетичных ядерных частиц (ОЯЧ) космического про-
странства (КП).
Анализ возможных причин нештатного поведения из-за воздействия ВВФ
выявил, что значительная доля объясняется влиянием радиационных факторов
КП (рис. 2.1, приложение 2) [7]. Доля возникающих сбоев и отказов из-за
действия радиации достигает почти 50%.
Одним из первых примеров поте-
ри КА из-за воздействия проникаю-
щей радиации является космический
аппарат Telestar, запущенный
10 июля 1962 г. сразу же после прове-
дения испытания ядерного оружия
(9 июля). Образовавшийся искусст-
венный радиационный пояс Земли
привел к существенному увеличению
потоков электронов, почти на два по-
рядка. Уже 24 ноября часть электрон-
ной аппаратуры КА начала функцио-
нировать неверно. Окончательно
спутник потерял свою работоспособ-
ность в феврале 1963 г. При этом уровень радиационной стойкости электрон-
ной аппаратуры, определенной по результатам испытаний, составлял
0,6—2 Мрад. Этот образовавшийся искусственный радиационный пояс Земли
явился причиной потери семи КА.
Но даже при относительно спокойной радиационной обстановке имеют
место сбои и отказы. Ярким примером является схема КМОП оперативного
запоминающего устройства (ОЗУ) NEC 64 K, которая широко использовалась
в электронных узлах КА. В этой схеме наблюдалось в среднем 2,4 одиночных
сбоев и 0,76 тиристорных эффектов за неделю [8]. В качестве одной из основ-
ных причин потеря КА «Фобос-Грунта» также считается воздействие радиа-
ции. Эффекты частичной потери работоспособности аппаратов за счет воздей-
ствия космической радиации наблюдались во многих отечественных
и зарубежных КА, например в DSCS-II, DSP, Intelsat III, Intersat IV, «Стерх»,
Feng Yun I и других [9]. При этом значительная доля отказов и сбоев имела
место при нахождении КА в районе южно-бразильской аномалии.
Резкое увеличение потоков ядерных частиц в момент мощной солнеч-
ной вспышки увеличивает вероятность отказов и сбоев в электронной аппа-
ратуре КА. Так, в момент солнечной вспышки, имевшей место 20 января
1994 года, произошли функциональные отказы электронной системы
стабилизации канадского спутника
связи Anik E-1 [9].
В качестве примера на рис. 2.2
(приложение 2) представлено распре-
деление по отказам и сбоям в элект-
ронной аппаратуре КА, обусловлен-
ное различными радиационными
эффектами [7]. Как видно, в настоя-
щее время доминирующее место за-
нимают одиночные радиационные
эффекты (ОРЭ) в ИС из-за воздейст-
вия отдельных ядерных частиц
(ОЯЧ), а именно одиночные сбои
(ОС) и тиристорные эффекты (ТЭ).
22 Глава 2. Источники ионизирующего излучения естественного происхождения
Рис. 2.1. Аномалии в поведении КА, обу-
словленные воздействием ВВФ КП [7]
(приложение 2)
Рис. 2.2. Причины отказов и сбоев РЭА
КА от воздействия ИИ КП [7] (приложе-
ние 2)
Роль тех или иных отказов в большой степени зависит от орбиты КА. На-
пример, для геостационарной орбиты основную дозу формируют электроны,
в то же время вероятность возникновения эффектов при воздействии ОЯЧ на
средних орбитах значительно увеличивается при нахождении КА в зоне юж-
но-атлантической аномалии и/или при возникновении мощных солнечных
вспышек.
Традиционно радиационные источники КП анализируют применительно
к воздействию:
— электронов и протонов естественных радиационных поясов Земли
(ЕРПЗ);
— протонов и тяжелых заряженных частиц галактических космических лу-
чей (ГКЛ);
— протонов и тяжелых заряженных частиц солнечных космических лучей
(СКЛ).
2.1.1. Радиационные пояса Земли
Оценке радиационной обстановки в околоземном пространстве уделялось зна-
чительное внимание уже с первых лет освоения космического пространства.
Существующие модели построены на базе различных наборов данных, полу-
ченных с нескольких десятков спутников; тем самым обеспечивается широкий
пространственно-временной охват [10—17]. Вследствие того что все области
радиационного окружения непрерывно изменяются, никакая из существую-
щих моделей не является полностью всеохватывающей. Наиболее успешные
версии отражают эти изменения вместе с совершенствованием процесса изме-
рения частиц и техники обработки полученных данных.
Модели, как правило, строятся при следующих предположениях:
— потоки частиц представляются как всенаправленные (изотропные);
— орбитальная интеграция представляется для различных высот и углов
наклонения;
— данные по пространственному распределению заряженных частиц пред-
ставляются обычно в L, B-координатах (L-радиус Земли, В — напряжен-
ность магнитного поля);
— интегральный энергетический спектр плотности потока Ф(> E) пред-
ставляет собой общий поток (см-2.с-1) при всех энергиях, выше указан-
ной пороговой энергии;
— дифференциальный энергетический спектр плотности потока (Е),
представляет собой скорость изменения потока от энергии для опреде-
ленного уровня энергии (см2
·с1
·МэВ1);
— модели соответствуют конкретным промежуткам времени и поэтому от-
носятся конкретно к условиям солнечного минимума или солнечного
максимума.
В настоящее время для описания распределения электронов и протонов
в околоземном космическом пространстве наиболее часто применяются моде-
ли АЕ-8 и АР-8 и их модификации [13]. В настоящее время общепризнанны-
ми являются модели радиационных поясов Земли AE-8 (АЕ-8min, AE-8max)
2.1. Радиационные факторы космического пространства 23
и AP-8 (AP-8min AP-8max), которые описывают распределения электронов
и протонов для минимума и максимума солнечной активности. В России так-
же действуют эти модели, а также ряд усовершенствованных моделей, в част-
ности, описанных в монографии «Модель космоса» [10].
Новые модели NASA АЕ-9 и АР-9 [18, 19] включают результаты последних
натурных исследований радиационной обстановки, рассматривают широкий
диапазон энергий, включая горячую плазму и очень энергичные протоны, учи-
тывают неопределенность в прогнозировании обстановки, вводят вероятности
плотностей потоков электронов и протонов и наихудшие случаи для различных
условий эксплуатации, включают больше информации об энергии, времени
и местоположении захваченных энергетических частиц и плазмы и т.п.
Условное графическое обозначение радиационных поясов Земли для про-
тонов (рис. 2.3,а) и электронов (рис. 2.3,б) приведено ниже [20]. Протонная
компонента имеет относительно несложное распределение с максимальным
значением интенсивности для 10 МэВ протонов на расстоянии L = 1,7. Элект-
ронный пояс является более сложным с двумя максимумами для внутреннего
и внешнего радиационных поясов. Первый находится в пределах L = 1,4…2,8,
а второй имеет максимум при L = 5 и распространяется от L = 2,8 до L = 10,
Оценки радиационных полей на орбитах могут быть проведены с по-
мощью специализированного программного обеспечения типа КОСРАД [11,
17, 21], OMERE [22], SPENVIS [23] или подобных. На рис. 2.4 и рис. 2.5 в ка-
честве примера представлены результаты моделирования радиационной обста-
новки радиационных поясов Земли (интегральные спектры электронов и про-
тонов) при следующих параметрах орбиты КА: круговая орбита с высотой,
равной 500 км и наклонением равным 97,5°. Расчеты осуществлялись с по-
мощью модифицированных моделей AP-8 и AE-8 при условии максимума
24 Глава 2. Источники ионизирующего излучения естественного происхождения
а) б)
Рис. 2.3. Условное обозначение протонного (а) и электронного (б) поясов
ЕРПЗ в зависимости от расстояния в единицах радиуса Земли
(AP-8max и AE-8max) и минимума (AP-8min и AE-8min) солнечной активно-
сти за период, равный 1 году.
На этих же рисунках представлены результаты, полученные с помощью
приближенных соотношений:
— для электронов:
Фe(> Ee) = 1,4·1012·exp(Ee/
0,45), электрон/(см2·год); (2.1)
2.1. Радиационные факторы космического пространства 25
Рис. 2.4. Суммарная интегральная плотность потока электронов за год вне КА
с параметрами орбиты: высота 500 км и наклонение 97.5о
Рис. 2.5. Суммарная интегральная плотность потока протонов за год вне КА
с параметрами орбиты: высота 500 км и наклонение 97.5о
— для протонов:
Фp(> Ep) = 5,7·109·Ep
0,68,
протон/(см2·год), (2.2)
где Фe(> Ee) — интегральная плотность потока электронов с энергией выше
Ee МэВ; Фp(> Ep) — интегральная плотность потока протонов с энергией выше
Ep МэВ.
Для сравнения на рис. 2.6 и 2.7 представлены усредненные интегральные
суточные флюенсы электронов и протонов на круговых орбитах высотой
705 км [11] с наклонением около 97 градусов. Нетрудно заметить, что между
представленными зависимостями наблюдается хорошее соответствие с учетом
различия во временных параметрах. Немного заниженные уровни флюенсов
(в 1,5 раза) для орбиты 500 км объясняются влиянием магнитосферы Земли.
Вклад протонной компоненты ЕРПЗ очень сильно зависит от высоты ор-
биты, достигая своих максимальных уровней на высотах порядка несколько
тысяч километров (рис. 2.8). На этом рисунке представлены зависимости
энергетических плотностей потоков с энергией протонов, равной 10 МэВ
и 30 МэВ, за сферической защитой, равной 1 г/см2, усредненные за 10 лет для
круговых орбит при наклонении, равном 60°. На этом же рисунке для сравне-
ния представлена аналогичная зависимость для 1 МэВ электронов. Здесь
и в дальнейшем, если не указано отдельно, оценки радиационной обстановки
проводились с помощью программы КОСРАД [10,11].
Из представленных результатов следует резкое уменьшение вклада протон-
ного излучения при высотах более 10 тысяч километров. Поэтому радиацион-
ная обстановка на геостационарной орбите определяется электронами ЕРПЗ,
протонами и ионами галактических и солнечных космических лучей (рис. 2.9).
Протоны ГКЛ дают также несущественный вклад в суммарную поглощенную
26 Глава 2. Источники ионизирующего излучения естественного происхождения
Рис. 2.6. Суммарная интегральная плотность потока электронов за сутки вне
КА с параметрами орбиты: высота 705 км и наклонение 96о [13]
2.1. Радиационные факторы космического пространства 27
Рис. 2.8. Средние энергетические плотности потока протонов и электронов
в зависимости от высоты для круговой орбиты с наклонением 60о
Рис. 2.7. Суммарная интегральная плотность потока протонов за сутки вне КА
с параметрами орбиты: высота 705 км и наклонение 96о [13]
Рис. 2.9. Интегральные потоки электронов и протонов РПЗ и ГКЛ на геостаци-
онарной орбите за 1 год (протонный поток увеличен на 4 порядка)
дозу (не более 2 рад/год). Основной вклад в величины суммарной поглощен-
ной дозы ИИ дают электроны ЕРПЗ и протоны СКЛ, роль которых будет про-
анализирована ниже.
2.1.2. Солнечные космические лучи
Ощутимый вклад для некоторых орбит КА в суммарную поглощенную дозу
ИИ могут давать потоки протонов солнечных космических лучей, которые
в общем случае сложно прогнозировать. Это связано с тем, что возникновение
солнечных вспышек носит случайный характер, и, вследствие этого, такие ха-
рактеристики СКЛ, как потоки заряженных частиц и их энергетические спек-
тры, сильно варьируются от вспышки к вспышке. Потоки СКЛ появляются
эпизодически, а их максимальная интенсивность может достигать величин,
превосходящих на многие порядки потоки ГКЛ. Однако их энергетика чуть
ниже.
В большинстве вспышек максимальная энергия ускоренных частиц не
превышает 10 МэВ/нуклон. Такие вспышки происходят довольно часто,
в годы высокой солнечной активности — 1 раз в неделю. Реже — раз в месяц,
бывают вспышки, в которых частицы ускоряются до 100 МэВ/нуклон. В еще
более редких событиях, раз в год, частицы получают энергию до 1 ГэВ/нук-
лон. Особенно мощные события, возникающие 2...4 раза за 11-летний цикл
солнечной активности, характеризуются очень большими потоками ускорен-
ных частиц, максимальные энергии которых достигают 10 ГэВ/нуклон
и выше. В результате солнечных вспышек происходит, как правило, выброс
высокоэнергичных солнечных частиц, состоящих преимущественно из прото-
нов с небольшим содержанием -частиц (5…10%) и более тяжелых ядер.
Условно солнечные события разбиваются на четыре (или пять) класса. Ве-
роятность возникновения события каждого класса вычисляется по полуэмпи-
рической модели. Критерием принадлежности является средняя величина
флюенса протонов за вспышку с энергией Еp > 10 МэВ, которая для каждого
класса солнечного события составляет:
> 8,6·106 — среднее событие (M),
> 1,3·108 — большое событие (L),
> 2,0·109 — очень большое событие (VL),
> 1,8·1010 — экстремально большое событие (EL).
В ряде случаев критерий выбирается исходя из потока протонов с энергией
выше 30 МэВ:
> 105 протон/см2 — малое событие (S);
> 106 протон/см2 — среднее событие (M);
> 107 протон/см2 — большое событие (L);
> 108 протон/см2 — очень большое событие (VL);
> 109 протон/см2 — экстремально большое событие (EL).
Анализ нескольких солнечных циклов позволил провести следующую
классификацию наблюдаемых событий (табл. 2.1) [24].
Энергетический спектр СКЛ формируется под действием ускоряющих сил
и потерь энергии в области ускорения, и его характер сильно зависит от дли-
28 Глава 2. Источники ионизирующего излучения естественного происхождения
тельности ускорения, механизма ускорения и возможности выхода частиц из
области ускорения в межпланетное пространство. Энергетический спектр СКЛ
сильно варьирует от события к событию и изменяется в течение каждого дан-
ного события, отражая особенности генерации и распространения частиц на
Солнце, выхода в межпланетное пространство и распространения в нем
(рис. 2.10) [25]. В силу того что эти события имеют вероятностный характер,
их и описывают на вероятностном языке. Например, вероятность появления
события типа EL на порядок ниже, чем события типа VL.
В целом точность прогноза по СКЛ невелика. В зависимости от задавае-
мых условий однотипные характеристики СКЛ могут отличаться на несколько
порядков, что затрудняет прогнозирование радиационной стойкости ИС.
На рис. 2.11 представлены расчетные интегральные потоки протонов сол-
нечных вспышек при разных исходных данных для геостационарной орбиты.
Оценки проводились по модели, разработанной в НИИЯФ МГУ Нымми-
ком Р.А. [10, 25], при двух вероятностях возникновения событий: P = 0,5
2.1. Радиационные факторы космического пространства 29
а) б)
Рис. 2.10. Дифференциальные энергетические спектры протонов СКЛ: а) спектр
на орбите Hmin = 263 км, Н max = 193 км, = 51°; б) спектр вне магни-
тосферы Земли [24]
Таблица 2.1. Количество солнечных вспышек за три солнечных цикла [24]
Группа Цикл 20 Цикл 21 Цикл 22
EL 1 0 8
VL 5 9 5
L 23 18 21
M 14 24 24
S 1 0 20
Итого 44 5291 78
и P = 0,01 и продолжительностях миссий 10 лет и 1 год. Очевидно, что чем
меньше вероятность события, тем большие запасы по уровням воздействия
должны закладываться (учет маловероятных очень мощных солнечных вспы-
шек). При этом в силу случайности возникновения солнечных вспышек сум-
марная доза за несколько лет не является произведением годовой дозы на
количество лет. Она может быть и больше (если год был спокойным) или
меньше, если будет иметь место большая солнечная активность. Очевидно,
что максимальная плотность потока будет иметь место, если проводится
оценка пикового значения.
Следует обратить внимание, что в соответствие с представленной мо-
делью основной флюенс набирается в течение одного года, когда происходит
максимальная солнечная вспышка. Поэтому имеются столь значительные
различия в средних плотностях потоков протонов СКЛ, оцениваемых для
различных годов солнечной активности. Как видно, различия достигают бо-
лее двух порядков (кривые для средних плотностей потоков без сдвига и со
сдвигом 4 года от начала нового солнечного цикла).
Представленные результаты относились к оценкам потока протонов СКЛ
за пределами магнитосферы Земли. Магнитосфера существенно экранирует
протонный поток для низких орбит и при малых углах наклонения. На
рис. 2.12 представлены оценки для пиковых значений интегральных спектров
протонной компоненты СКЛ для различных круговых орбит. Нетрудно заме-
тить уменьшение интенсивности протонов СКЛ более чем на порядок для
средних орбит. При еще дальнейшем снижении высоты орбиты будет также
наблюдаться спад в характеристиках воздействия СКЛ.
Помимо протонов в состав СКЛ входят ионы различных химических эле-
ментов. В общем случае они не дают существенного вклада в величину сум-
марной поглощенной дозы. Однако в ИС повышенной степени интеграции
30 Глава 2. Источники ионизирующего излучения естественного происхождения
Рис. 2.11. Интегральные плотности потоков СКЛ протонов на геостационарной
орбите при разных условиях их оценки
возникают сбои и отказы за счет эффектов от отдельных ядерных частиц.
При оценке этих эффектов необходимо иметь интегральные энергетиче-
ские спектры протонов и спектры линейных потерь энергии (ЛПЭ) для
ионов (рис. 2.13).
2.1. Радиационные факторы космического пространства 31
Рис. 2.12. Интегральные плотности пиковых потоков СКЛ протонов для раз-
личных орбит
Рис. 2.13. Пиковые интегральные плотности потоков ионов СКЛ для различ-
ных орбит
2.1.3. Галактические космические лучи
Галактические космические лучи (ГКЛ) не дают заметного вклада в суммар-
ную поглощенную дозу (менее нескольких рад(Si) за год). Однако они явля-
ются причиной возникновения в ИС эффектов от отдельных ядерных час-
тиц. Состав ГКЛ изучен довольно подробно, и сейчас известны не только
потоки групп ядер в различных диапазонах энергий, но и относительное
процентное содержание отдельных ядер. Ядерная компонента ГКЛ разбива-
ется на 5 групп: протоны, -частицы, L-группа (легкие ионы с атомными
номерами Z = 3…5), М-группа (средние ионы Z = 6…9) и Н-группа (тяжелые
ионы Z > 10) [10, 11]. Интенсивность различных групп ядер в области реля-
тивистских энергий изучена достаточно хорошо. Изменение интенсивности
ГКЛ с фазой солнечного цикла называют 11-летней вариацией космиче-
ских лучей. Величина ее для разных энергий различна. Так, например, для
E ~ 100 МэВ она достигает 20…30%, в то время как для Е > 2 ГэВ ее величи-
на не превышает 1…3%.
На рис. 2.14 представлены спектры протонов ГКЛ и СКЛ для круговой ор-
биты с высотой 650 км и наклонением 60° геостационарной орбиты. Нетрудно
заметить, что влиянием ГКЛ протонов можно пренебречь.
В отличие от протонов влиянием ТЗЧ ГКЛ пренебречь нельзя. Эти ионы
могут давать определяющий вклад в частоту возникновения одиночных ради-
ационных эффектов (ОРЭ). На рис. 2.15 представлены дифференциальные
флюенсы ТЗЧ ГКЛ за 10 лет для разных орбит: геостационарная орбита
(ГЕО), круговые орбиты с наклонением 60° и высотой 360 км и 1000 км
и эллиптическая орбита с апогеем 36000 км и перигеем 360 км и наклонени-
ем также 60°.
Сравнение представленных зависимостей позволяет сделать следующие
выводы:
— фактический уровень воздействия ТЗЧ на относительно низких орбитах
падает до порядка величины, что связано с влиянием магнитного поля
и атмосферы Земли;
— для высокоэллиптических и геостационарных орбит уровни практически
совпадают.
В целом для большинства орбит различия в характере изменений между
ЛПЭ-спектрами несущественны. Только для орбит с малыми углами накло-
нения и низкими высотами необходимо учитывать экранирование потока
протонов и ТЗЧ магнитосферой Земли. Из представленных результатов сле-
дует, что для практически важных случаев (ЛПЭ больше 1 МэВ·мг/см2)
спектры различаются между собой не более, чем в 3…5 раз. Поэтому для
многих приложений эти различия можно считать незначительными и пользо-
ваться данными, полученными для геостационарной орбиты как наиболее
консервативный случай.
Из-за высоких энергий галактических частиц происходит слабое влияние
защитных слоев на характеристики поля излучения ТЗЧ. Действительно, даже
при конструкционной защите 10 г/см2 в среднем флюенсы ТЗЧ во всем диапа-
зоне ЛПЭ уменьшаются на величину около порядка (рис. 2.16).
32 Глава 2. Источники ионизирующего излучения естественного происхождения
Совершенно по-другому происходит трансформация спектров ЛПЭ для
ТЗЧ СКЛ. При прочих равных условиях ослабление у них происходит на не-
сколько порядков сильнее (рис. 2.17).
2.1. Радиационные факторы космического пространства 33
а)
б)
Рис. 2.14. Энергетические плотности потоков протонов ГКЛ и СКЛ круговой
орбиты с высотой 650 км и наклонением 60° (а) и геостационарной
орбиты (б)
34 Глава 2. Источники ионизирующего излучения естественного происхождения
Рис. 2.15. Дифференциальные флюенсы ТЗЧ ГКЛ за 10 лет для разных орбит
Рис. 2.16. Интегральный ЛПЭ-спектр для ионов ГКЛ на геостационарной орби-
те за сферической защитой разной толщины
Рис. 2.17. Интегральный ЛПЭ-спектр для ионов СКЛ на геостационарной орби-
те за сферической защитой разной толщины
2.1.4. Вторичное излучение
Вторичное ионизирующее излучение формируется из первичного в результате
взаимодействия последнего с конструкционными материалами КА и/или
с окружающей атмосферой. Основными являются три компоненты фонового
излучения — гамма-кванты, мезоны и нейтроны.
Гамма-кванты (тормозное рентгеновское излучение) образуются в первую
очередь из-за радиационных потерь электронов в конструкционных материа-
лах КА. Спектр и интенсивность тормозного излучения зависят от энергии
и интенсивности внешнего электронного излучения, а также от параметров
материала, в котором происходит торможение электронов. Например, при
нормальном падении электронов с энергией порядка 1 МэВ за материалом
из алюминия формируется рентгеновское излучение с интенсивностью по-
рядка (1…5)·10-12 рад(Si)·см2/электрон. Таким образом, для этого случая
вклад тормозного излучения за защитой будет составлять десятые доли про-
цента от величины суммарной дозы внешнего электронного излучения. Бо-
лее подробные оценки характеристик тормозного излучения будут сделаны
в главе 4.
В соответствии с физическими законами выход тормозного излучения бу-
дет тем выше, чем больший атомный номер имеет материал защиты. Поэтому,
с одной стороны, материалы с большими атомными номерами более эффек-
тивно ослабляют первичное радиационное излучение, а с другой — после пол-
ного торможения за этой преградой будут формироваться более высокие уров-
ни тормозного излучения. Данный вывод подтверждают расчетные значения
дозы от электронного излучения на геостационарной орбите за преградами из
алюминия и свинца (рис. 2.18) [3]. Практически до полного поглощения пер-
вичного электронного излучения (до 2 г/см2) свинцовая защита оказывается
2.1. Радиационные факторы космического пространства 35
Рис. 2.18. Формирование дозы на геостационарной орбите за преградами, вы-
полненными из алюминия и свинца [3]
более эффективной. При больших значениях массовой толщины уровни ради-
ационного нагружения за счет тормозного излучения для преграды из свинца
становятся заметно более высокими.
2.2. Естественный радиационный фон
К источникам фонового радиационного излучения, приводящим к сбоям и от-
казам, относятся те воздействия, которые способны создавать локальное энер-
говыделение в районе долей и единиц МэВ в чувствительных микрообъемах
с размерами порядка 1…100 мкм3 [3—5, 26, 27].
Фоновое ионизирующее излучение формируется вторичными ядерными
частицами, которые образуются как из первичных частиц космического излу-
чения (протонов, -частиц, тяжелых ядер, возможно, фотонов и электронов),
так и из вторичных частиц (вторичных протонов, вторичных нейтронов высо-
ких энергий, - и -мезонов, фотонов и др.) [27, 28]. На рис. 2.19 [28] (при-
ложение 2) схематически изображено образование нейтронов (n) и мезонов
( и ) средних энергий (менее 10 МэВ) при взаимодействии первичных час-
тиц с ядрами воздуха. Наряду с нейтронами умеренных энергий при ядерных
расщеплениях появляются приблизительно в равном количестве протоны (p)
таких же энергий. Наиболее тяжелыми ядерными частицами являются нейтро-
ны, которые способны вызывать сбои и отказы в СБИС (рис. 2.20) [27]. Влия-
ние вторичного нейтронного излучения проявляется в основном в верхних
слоях атмосферы. Вместе с тем нейтронный фон присутствует и на уровне
моря. Сбои могут также возникнуть из-за воздействия -мезонов,
36 Глава 2. Источники ионизирующего излучения естественного происхождения
Рис. 2.19. Формирование фонового излучения у поверхности Земли [28] (при-
ложение 2)
Поскольку нуклонная компонента поглощается в атмосфере значительно
сильнее, чем жесткая компонента, относительный вклад образования нейтро-
нов умеренных энергий под действием -мезонов неодинаков на различных
высотах над уровнем моря.
Первичная частица космического излучения при взаимодействии с ядрами
воздуха может передать нейтрону значительную часть своей энергии. Во вся-
ком случае, экспериментально установлено [29], что в атмосфере имеются
нейтроны с энергией во много сотен МэВ. Замедляясь в атмосфере вследствие
упругих и неупругих столкновений, нейтроны могут в конце концов достиг-
нуть тепловых энергий. Таким образом, в атмосфере имеются нейтроны все-
возможных энергий — от тепловых (порядка 0,025 эВ) до энергий первичных
космических частиц. Для того чтобы охарактеризовать энергетический спектр
нейтронов в атмосфере, нужно указать плотность или поток нейтронов в вы-
бранном интервале энергий в зависимости от их энергии.
На рис. 2.21 показаны энергетические спектры нейтронов (En) в атмосфе-
ре на различной высоте над уровнем моря (интенсивности нейтронов и их
энергии приведены в логарифмической шкале). Из этих спектров видно, что
максимум плотности потока нейтронов наблюдается приблизительно при
энергии нейтронов 0,1 эВ, т.е. при энергии, близкой к тепловой. Оценка ин-
тегральных потоков нейтронов показывает, что в равновесной области атмо-
сферы поток нейтронов с энергией до 1 эВ примерно на порядок меньше, чем
нейтронов с энергией от 1 эВ до десятков МэВ.
Дифференциальный спектр интенсивности нейтронов в атмосфере изме-
няется от изотропного до пропорционального cos n
2 при изменении энергии
от нескольких МэВ до 1 ГэВ. В интервале от 1 МэВ до 10 ГэВ спектр интен-
сивности нейтронного излучения с достаточной степенью точности аппрокси-
мируется выражением [29]:
d n/dEn = k En
-a-b lgEn , [нейтрон/(см2 сек МэВ)]; (2.3)
2.2. Естественный радиационный фон 37
Рис. 2.20. Типовые уровни фонового радиационного излучения у поверхности
Земли
или
d n/dEn = 0,3459En
-0,9219 exp [0,01522
(lnEn)2], (2.4)
где k = 4,8·10-3; a = 1,0; b = 0,17.
Изменение плотности распространения нейтронов с высотой связано с за-
висимостью энергии космических лучей от глубины их проникновения в ат-
мосферу. Обнаружено, что максимум плотности потока нейтронов находится
на высоте ~ 15 км и его значение экспоненциально уменьшается с характери-
стической длиной [30]. Поэтому это излучение необходимо учитывать в пер-
вую очередь при оценке уровней сбоев и отказов электронной аппаратуры
авиационной техники.
2.3. Естественная радиоактивность материалов
Естественная альфа-радиоактивность конструкционных материалов возникает
в первую очередь в результате спонтанного деления трансурановых материалов
или радиоактивного распада ряда материалов. Следует отметить, что значи-
тельная часть существующих альфа-источников получается искусственным пу-
тем. К наиболее распространенным источникам естественного происхождения
относятся торий, уран, радий и радон (табл. 2.2). Но радий является газом,
и он не в состоянии входить в состав конструкционных материалов. Но он мо-
жет попасть в подкорпусное пространство на этапе герметизации СБИС. Его
влияние проявляется также в бескорпусных СБИС и при проведении экспери-
ментальных исследований по определению характеристик фонового излуче-
ния. Радиоактивные ряды начального распада нескольких трансурановых эле-
ментов представлены на рис. 2.22.