Сила имитации: ученые из РФ приблизили отправку экспедиций на Марс
Как новый прибор усилит защиту космической техники и улучшит работу спутников
EN
Российские инженеры создали устройство для имитации космической радиации в земных условиях. Это источник гамма-излучения низкой интенсивности. Прибор разработан для проверки на радиационную стойкость микроэлектроники, которая предназначена для длительной работы на разных орбитах в составе исследовательских спутников, обсерваторий или пилотируемых кораблей. Устройство безопасно для персонала и обладает небольшими габаритами, что позволяет применять его в малых лабораториях и конструкторских бюро. Разработка полезна для тестирования компонентной базы при подготовке беспилотных экспедиций на Марс и в дальний космос, отметили эксперты.
Как имитируют космическую радиацию на Земле
Радиация — один из главных факторов, которые представляют угрозу микроэлектронике в космосе. Поэтому при создании орбитальной техники предусматривают соответствующие меры защиты, а также проводят тестирование оборудования перед запуском.
Однако испытания в крупных исследовательских установках обходятся дорого, что увеличивает стоимость космических миссий. Решая эту задачу, специалисты Института физико-технических проблем (ИФТП, входит в дивизион «АСУ ТП и Электротехника» ГК «Росатом») и предприятий «Роскосмоса» создали миниатюрную установку для испытаний микросхем на радиационную стойкость.
Устройство предназначено для тестирования отдельных компонентов электроники, а не всей аппаратуры целиком. В соответствии со своими габаритами и функциональным назначением аппарат получил название «ГНОМ» — «Гамма-лучевой низкоинтенсивный облучатель микросхем».
— Устройство включает в себя источник гамма-квантов низкой интенсивности, которые имитируют воздействие электронов и протонов космического пространства, и камеру, куда помещают исследуемый образец. В качестве активного элемента используют изотоп цезия-137. Энергия его излучения составляет 0,662 МэВ. Это сильнее, чем лучи рентгена, но слабее, чем кобальта-60 — изотопа, который используют в медицинской технике, — рассказал «Известиям» директор ИФТП Александр Смирнов.
Применение цезия-137 позволило уменьшить массово-габаритные характеристики установки и обеспечить защиту персонала при эксплуатации. Также в целях безопасности стенки камеры изготовлены из радиационно стойких экранирующих материалов, а канал для подводки кабелей электропитания к образцам представляет собой лабиринт, который препятствует распространению гамма-частиц. Таким образом, конструкция установки ГНОМ полностью защищает персонал от воздействия гамма-излучения во всех режимах работы и хранения.
Александр Смирнов отметил, что в камере прибора мощность дозы облучения находится в пределах 0,01 рад/с. Такие уровни радиации соответствуют реальным условиям космического полета. Объем испытательной камеры — 1 л. Она выполнена в виде куба с размерами 10x10x10 см. При этом небольшие габариты и безопасность для персонала позволяют применять прибор в процессе разработки космической техники в малых лабораториях и конструкторских бюро.
Справка «Известий»
Рад — единица измерения, которую используют в радиационной дозиметрии. Она определяет уровень поглощенной дозы ионизирующего излучения. Один рад равен мощности, при которой 1 г вещества передается энергия 100 эрг.
100 эрг сопоставимы с кинетической энергией комара в полете или метеорита массой 1 мг, который движется со скоростью 10 км/с. Это маленькая величина в человеческом масштабе, но значимая в микромире (молекулярные процессы, радиационная физика).
В ядерной физике и физике элементарных частиц используют электронвольты (эВ). Если условно сопоставить единицы измерения, то энергия гамма-кванта изотопа цезия-137 (0,662 МэВ) окажется примерно в миллион раз меньше энергии летящего комара. При этом именно из-за своего малого размера и высокой ионизирующей способности гамма-кванты представляют опасность для живых клеток и микроэлектроники.
По словам специалиста, в установке испытания проводят от 1 до 10 недель. Длительность зависит от типа исследуемого образца. С момента ввода устройства в эксплуатацию проведено несколько десятков испытаний. Тестирование производится на уровне 1–10 крад (килорад) поглощенных доз.
Прибору не требуется электроэнергия, поскольку изотопные источники испускают излучение самостоятельно. Это позволяет проводить испытания в круглосуточном режиме. В устройстве предусмотрена возможность регулировать разные режимы радиации с помощью размещения плат ближе или дальше к источнику излучения.
Какие виды радиации присутствуют в космосе
Как объяснили разработчики, степень повреждения микроэлектроники зависит от конкретного изделия, технологии и качества изготовления. В основном вследствие воздействия гамма-частиц происходит уход электрических параметров микросхем за допустимые значения или прекращение работы.
При этом радиация в космосе неоднородна. Например, на низких орбитах (до 2 тыс. км) присутствуют небольшие дозы, но если прибор находится снаружи спутника или это малый аппарат с тонкой защитой, то количество радиации, накопленной электроникой, может быть выше.
По словам ученых, наиболее суровы орбиты высотой от 2 тыс. до 4 тыс. км из-за большого количества высокоэнергетических протонов. На геостационарной орбите изобилуют электроны с энергией до нескольких МэВ, но их влияние относительно легко устраняется небольшой массовой защитой.
Определенную опасность, отметили специалисты, представляют Южно-Атлантическая аномалия (область с низкой интенсивностью магнитного поля), а также вспышки на Солнце, направленные в сторону Земли, которым присущи повышенные плотности протонов. Они вызывают одиночные радиационные эффекты в микросхемах с малыми топологическими нормами, а также вносят дополнительный вклад в дозовые эффекты. Еще один тип экстремальных условий — продолжительные космические полеты, в процессе которых приборы подвергаются длительной радиационной нагрузке.
— Электроника требует материалов с высокой стабильностью. Если ионизирующее излучение нарушает кристаллическую структуру полупроводника, его электрические характеристики изменяются, что может привести к частичной деградации или полной неработоспособности устройства, — сказал «Известиям» директор Института космических исследований РАН Анатолий Петрукович.
По его словам, чтобы уберечь электронные компоненты, применяют как физические средства (например, утолщенные стенки прибора и радиационно стойкие корпуса микросхем), так и программные методы. К последним относят алгоритмы самодиагностики во время полета и изоляции (или перезапуска) поврежденных элементов.
Кроме того, для космических целей проектируют устройства с укрупненной топологией, которая меньше подвержена воздействию высокоэнергетических частиц. Также значительную роль в защите микроэлектроники играют наземные испытания.
Главную опасность для приборов на орбитах представляют корпускулярные излучения — потоки частиц (электронов, протонов и тяжелых ядер), отметил эксперт. На Земле такие условия воссоздать сложно, поэтому для тестирования обычно используют гамма-, рентген-лучи и таблицы их пересчета в космическую радиацию.
Анатолий Петрукович добавил, что в научной среде нет единого мнения о корректности применения земных норм радиационной безопасности (разработанных для гамма-излучения) к космонавтам, например, при полетах на Марс, где преобладает корпускулярное излучение. Тем не менее для беспилотных аппаратов, поведение которых в космосе хорошо изучено, такие испытания оправданны.
— Российские разработчики создают одни из наиболее качественных в мире систем защиты электроники в космосе — как от ионизирующего излучения, так и от тяжелых зараженных частиц. Во многом это достигается за счет применения КНИ-технологий (технология изготовления полупроводниковых приборов, основанная на использовании трехслойной подложки со структурой кремний – диэлектрик – кремний. — «Известия»). Одна из задач представленного оборудования — тестирование таких средств защиты, — сообщил заместитель генерального директора НИИ молекулярной электроники Виктор Эннс.
Он пояснил, что такие технологии предотвращают паразитные процессы (например, утечки тока), уменьшают нагрев и позволяют уменьшить воздействие радиации.
