doi:https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.10.11

ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2021. №10
Оглавление выпуска

DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.10.11

УДК: 537.591

ОЦЕНКА И АНАЛИЗ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА КРЕМНИЕВОЙ ОСНОВЕ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ НАНОСПУТНИКА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ СОЛНЕЧНО-СИНХРОННОЙ ОРБИТЫ

С. В. Цаплин, С. А. Болычев

Самарский национальный исследовательский университет

имени академика С.П. Королёва

443068, г. Самара, Московское шоссе, 34

Статья поступила в редакцию 10 октября 2021 г.

Аннотация. В работе приводятся результаты расчёта по исследованию влияния ионизирующего, тормозного излучений на функционирование, бортовой аппаратуры наноспутника. Приводится сравнительный анализ результатов расчёта удельных ионизационных, радиационных потерь энергии протонов (от 0.1 до 400 МэВ) и электронов (от 0.04 до 7 МэВ), а также их длины пробега в алюминии, полученные по формулам различных авторов, а также из базы данных материалов Национального института стандартов и технологий. По результатам анализа вычисляется годовая доза в алюминиевой конструкции наноспутника SamSat – ION находящейся на круговой солнечно-синхронной орбите (ССО). В основе всех расчётов используются данные энергетических спектров протонов и электронов ССО приведённые в информационной системе Spenvis (Европейское космическое агентство). Получены результаты расчёта интегральных потоков в алюминии при воздействии протонов и электронов круговой ССО для различных толщин и показана доля прошедших частиц в приближении однослойной стопы. Проведена оценка радиационной стойкости радиоэлектронных элементов ISL70321SEH, ISL73321SEH и Virtex - 4QV, Virtex -5QV в приближении двухслойной стопы входящих в состав БРЭА SamSat – ION для различных толщин Si и её возможности функционирования в течение года.

Ключевые слова: ионизационные, радиационные потери, тормозное излучение, поглощённая, эквивалентная доза, радиационные пояса Земли, радиационная защита, радиационная стойкость, радиоэлектронные элементы, бортовая аппаратура, малые космические аппараты

Abstract. The paper presents the results of a calculation to study the influence of ionizing, bremsstrahlung radiation on the functioning of a nanosatellite. A comparative analysis of the results of calculating the specific ionization and radiation energy losses of protons (from 0.1 to 400 MeV) and electrons (from 0.04 to 7 MeV), as well as their path lengths in aluminum according to the formulas of various authors and the database of materials of the National Institute of Standards and Technologies is presented. Based on the analysis results, the annual dose in the aluminum structure of the SamSat-ION nanosatellite in a circular sun-synchronous orbit (SSO) is calculated. All calculations are based on the data of the energy spectra of protons and electrons of the SSO given in the "Information system Spenvis of the European Space Agency". The results of calculating the integral fluxes in aluminum under the action of protons and electrons of a circular SSO for different thicknesses are obtained, and the fraction of passed particles is shown in the approximation of a single-layer stack. Estimation of the radiation resistance of the electronic elements ISL70321SEH, ISL73321SEH and Virtex - 4QV, Virtex -5QV included in the SamSat - ION in the approximation of a double-layer stack was made for various thickness of Si and its ability to operate during the year

Key words: ionization, radiation losses, bremsstrahlung, absorbed, equivalent dose, radiation belts of the Earth, radiation protection, radio electronic elements, onboard equipment, small spacecraft

Литература

1. Кузнецов Н.В., Панасюк М.И. Космическая радиация и прогнозирование сбое- и отказоустойчивость интегральных микросхем в бортовой аппаратуре космического аппаратов. Вопросы атомной науки и техники (ВАНТ). Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2001. №1-2. С.3-8.

2. Гулько О.Е. Механизмы отказов КМОП ИС при воздействии ионизирующих частиц космического излучения. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2005. №1-2. С.80-83.

3. Анашин В.С., Алексеев И.И., Бодин В.В., Герасимов В.Ф., Головко А.В., Давыдов В.А., и др. Ионизирующее излучение космического пространства и их воздействие на бортовую аппаратуру космических аппаратов. Москва, Физматлит. 2013. 358 с.

4. Цаплин С.В., Тюлевин С.В., Пиганов М.Н., Болычев С.А. Исследование свойств радиоэлектронных элементов при воздействии ионизационного потока. Самара, издательство Самарского университета. 2018. 180 с.

5. ОСТ 134-1034-2003. Отраслевой стандарт. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование космических аппаратов. Методы испытаний и оценки стойкости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию электронного и протонного излучений космического пространства по дозовым эффектам. Москва, ЦНИИ машиностроения. 2003.

6. РД 134-0139-2005. Нормативный документ по стандартизации РКТ. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование космических аппаратов. Методы оценки стойкости к воздействию заряженных частиц космического пространства по одиночным сбоям и отказам. Москва, ЦНИИ машиностроения. 2005.

7. РД В 319.03.39-2000. Изделия электронной техники. Контроль и прогнозирование безопасности в условиях длительного совместного воздействия низкоинтенсивных ионизирующих излучений и термотоковых нагрузок по результатам ускоренных испытаний. Москва. 2000.

8. РД 11 1003-2000. Руководящий документ. Изделия полупроводниковой электроники. Метод прогнозирования надёжности в условиях низкоинтенсивного ионизирующего облучения. Санкт-Петербург, РНИИ «Электронстандарт». 2000.

9. Лишневский А.Э., Бенгин В.В. Методика краткосрочного прогноза динамики накопления поглощенной дозы на международной космической станции по данным системы радиационного контроля. Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. 2013. №5 (21). С.54-59.

10. Зебров Г.И. Моделирование дозовых и одиночных радиационных эффектов в кремниевых микро- и наноэлектронных структурах для цепей проектирования и прогнозирования. Москва, МИФИ. 155 с.

11. Методы испытаний и оценки стойкости бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов с длительными сроками активного существования к воздействию ионизирующих излучений космического пространства. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2001. №3-4. С.81-87.

12. Акимов А.А., Гриценко А.А., Юрьев Р.Н. Солнечно-синхронные орбиты – основные возможности и перспективы. Ионосфера. 2015. №68. С.29-38.

13. Таперо К.И., Диденко С.И. Основы радиационной стойкости изделий электронной техники: радиационные эффекты в изделиях электронной техники. Москва, издательство Дом МИСиС. 2013. 349 с.

14. Таперо К.И., Улимов В.Н., Членов А.М. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения. Москва, БИНОМ. Лаборатория знаний. 2012. 304 с.

15. Лукьященко В.И., Ужегов В.М., Яковлев М.В. и др. Радиационные условия на борту космических аппаратов. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2004. №1-2. С.3-16.

16. Демидов А.А., Ильягуев B.H., Калашников О.А. и др. Исследования радиационной стойкости субмикронных КМОП СБИС на КНИ-структурах. Радиационная стойкость электронных систем. 2004. №7. С.77-78.

17. Агаханян Т.М., Аствацатурьян Е. Р., Скоробогатов П.К. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных микросхемах. Москва, Энергоатоиздат. 1989. 256 с.

18. Вологдин Э.Н., Лысенко А.П. Радиационные эффекты в некоторых классах полупроводниковых приборов. Москва. 2001. 70 с.

19. Вологдин Э.Н., Лысенко А.П. Радиационные эффекты в интегральных микросхемах и методы испытаний изделий полупроводниковой электроники на радиационную стойкость. Москва, НОЦ МГИЭМ, 2002. 46 с.

20. Информационная система Spenvis Европейского космического агентства [Электронный ресурс]. URL: www.spenvis.oma.be (дата обращения 15.07.2021).

21. Безродных Е.И., Казанцев С.Г., Семенов В.Т. Радиационные условия на солнечно-синхронных орбитах в период максимума солнечной активности. Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. Москва, ФГУП «НПП ВНИИЭМ», 2010. Т.116. С. 23-26.

22. Беспалов В.И. Лекции по радиационной защите. Томск, Издательство Томского политехнического университета. 2017. 695 с.

23. Павленко В.И., Едаменко О.Д, Черкашина Н.И., Носков А.В. Суммарные потери энергии релятивистского электрона при прохождении через полимерный композиционный материал. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2014. №4. С.101-106.

24. Бяков В.М., Степанов С.В., Магомедбеков Э.П. Начала радиационной химии. Москва, издательство РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2013. 192 с.

25. Бекман И.Н. Атомная и ядерная физика: радиоактивность и ионизирующее излучение. Москва, издательство Юрайт. 2017. 398 с.

26. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. Книга 1. Физика атомного ядра. Часть 1. Москва, Энергоатомиздат. 1993. 376 с.

27. База данных по материалам Национального института стандартов и технологий (NIST) [Электронный ресурс]. URL: https://physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/PSTAR.html (дата обращения 15.07.2021).

28. Жуковский М.Е., Скачков М.В. О статистических методах переноса электронов в веществе. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия. «Естественные науки». 2009. №1. С.31-46.

29. РД 50-25645.216-90. Методические указания. Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в космическом полете. Метод расчета распределения поглощенной и эквивалентной доз космических излучений по толщине материалов на внешней поверхности космического аппарата на орбитах, проходящих через ЕРПЗ. Москва, издательство Стандартов. 1990. 10 с.

30. Хасаншин Р.Х., Новиков Л.С. Изменение спектра пропускания стекла марки К 208 под действием ионизирующих излучений и молекулярных потоков. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2014. №7. С.83-87.

31. Thompson S., Alavi M., Hussein M., Jacob P., Kenyon C., Moon P., Prince M., SivakumarS., Tyagi S., Bohr M. 130nm Logic Technology Featuring 60nm Transistors, Low-K Dielectrics, and Cu Interconnects. Intel Technology Journal. 2002. V.6. №2. P.5-13.

32. Xilinx – табличные данные производителя ISL70321SEH и ISL73321SEH [Электронный ресурс]. URL: https://www.renesas.com/us/en/document /dst/isl70321seh-isl73321seh-datasheet (дата обращения 15.07.2021).

33. Xilinx – радиационно-стойкие ПЛИС Virtex-5QV [Электронный ресурс]. URL: https://www.xilinx.com/products/silicon-devices/fpga/virtex-5qv.html (дата обращения 15.07.2021).

34. Xilinx – радиационно-стойкие FPGA для оборонного и аэрокосмического назначения [Электронный ресурс]. URL: www.xilinx.com (дата обращения 15.07.2021).

35. Зебрев Г.И. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах высокой степени интеграции. Москва, МИФИ. 2010. 148 с.

36. Xilinx – новое семейство радиационно-стойких микросхем от XILINX [Электронный ресурс]. URL: https://www.macrogroup.ru/news/2014/140 (дата обращения 15.07.2021).

37. Schmidt F.H.Jr. Fault tolerant design implementation on radiation hardened by design SRAM-based FPGAs. M.S. thesis. Massachusetts Institute of Technology. Boston, MA. 2013. [Электронный ресурс]. URL: https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/82490 (дата обращения 15.07.2021).

38. Белоус А.И., Солодуха В.А., Шведов С.В. Космическая электроника. книгах. Книга 2. Москва, Техносфера. 2015. 488 с.

Для цитирования:

Цаплин С.В., Болычев С.А. Оценка и анализ радиационной стойкости радиоэлектронных элементов на кремниевой основе бортовой аппаратуры наноспутника при воздействии ионизирующего излучения солнечно-синхронной орбиты. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.10.11