A kozmikus sugárzás hatásai Szimler András BME HVT, Őrtechnika Laboratórium V1/105
A kozmikus sugárzás Fıbb összetétele Primer sugárzás 90% proton 9% α (He 2+ ) 1% elektron és egyéb ion Szekunder sugárzás gamma és röntgen sugárzás neutronok Naperedető kozmikus sugárzás Naptevékenység 11éves ciklusok flare, korona, Galaktikus kozmikus sugárzás NASA Marshall Space Flight Center 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 2/26
A Föld magnetoszférája 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 3/26
A Van Allen övek 1958, Explorer-1, Explorer-3 Külsı öv: fıleg elektronok 0,1-10MeV Számuk ezerszeresére nıhet mágneses viharok esetén Belsı öv: fıleg protonok 5-400 MeV 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 4/26
A protonok eloszlása a Van Allen övekben 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 5/26
A Dél-Atlanti anomália (SAA) www.estec.esa.nl/wmwww/wma/rad_env.html NASA/SAMPEX satellite 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 6/26
A sugárzás energia eloszlása 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 7/26
A sugárzás öregítı hatásai Hatásuk az idıvel egyre növekszik (kumulatív) Ionizáció Elektronok, protonok, α, röntgen és gamma sugárzás elektron/lyuk párokat generálnak a szigetelı anyagokban TID totál ionizáló dózis [rad (anyag)] 1rad= 6,24x10 7 MeV/g Sugárzási ráta rad/s, rad/év MOS tranzisztorok bekapcsolási küszöbfeszültsége eltolódik, késleltetések megnınek Rácsszerkezet rongálódás protonok, neutronok, 150keV feletti elektronok hibákat generálnak a félvezetı anyag rácsszerkezetében Bipoláris tranzisztorok szivárgása nı, áramerısítése csökken 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 8/26
A sugárzás tranziens hatásai Egyszeri hatások, Single event effects (SEE) LET linear energy transfer[(mev/cm)/(mg/cm 3 ), MeVcm 2 /mg] CMOS, teljesítmény BJT, MOSFET, lineáris IC, optocsatoló, optikai detektor nehéz ionok, protonok által keltett hatások Átmeneti hatások: SEU upset digitális áramkörök SET transient analóg ák. Nem visszaforduló hatások: SEL latch-up CMOS ák. SEB burn-out teljesítmény tranzisztorok, egyes lineáris áramkörök SEGR gate rupture teljesítmény FET-ek, programozható eszközök 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 9/26
Latch-up A CMOS áramkörök gyártástechnológiájából ered Önfenntartó folyamat, túlhevülést és átégést okozhat Csak a tápfeszültség kikapcsolásával szőnik meg Latch-up mentes gyártástechnológiák (drága, ritka) 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 10/26
Szekunder sugárzások Nehéz ionok és protonok ütköznek az atommaggal Bremsstrahlung (fékezı sugárzás) röntgen sugárzás hv=e 1 -E 2 5-100keV 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 11/26
Az őreszközök sugárterhelése Föld körüli orbit Magasság, Inklináció, SAA LEO 300-1400km ~ 2krad/év MEO 1400-4000km ~ 100krad/év SAA belsı Van Allen GEO 36000km ~ 10krad/év külsı Van Allen Távoli missziók MARS Óriásbolygók ~ 5krad/év (proton) ~ 0,1-100Mrad/év (proton, elektron) Dózis számítása pályaadatokból szimulációs modellekkel 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 12/26
A dózis pályafüggése 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 13/26
A sugárzás hatásainak csökkentése Kritikus területek és idıpontok elkerülése, áthaladás alatti dózis minimalizálása Árnyékolás Alkatrészválasztás Kapcsolástechnikai megoldások 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 14/26
Árnyékolás Al 2,7 g/cm 3 elektronok, protonok <30MeV Ta 16,6 g/cm 3 protonok, röntgen, gamma szekunder sugárzás keletkezhet Magas hidrogéntartalmú anyagok neutronok Polietilén Kompozit anyagok Pozícionálás Aktív árnyékolás 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 15/26
Árnyékolás alumíniummal 100mil =2,54mm 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 16/26
Alkatrész választás Kevésbé érzékeny eszközök használata (BJT, relé, ) Optocsatolók használata körültekintéssel CMOS alkatrészek lehetıség szerinti kerülése 54HC és 74HC sorozat elfogadható Latch-up mentes áramkörök (technológia) RAD-TOLERANT, -HARDENED, -HARD alkatrészek SEE-HARD alkatrészek Tesztelt alkatrészek (pl. NASA RADATA) Magasabb határadatok alkalmazása (derating) U GATE, U DS, 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 17/26
Rosetta Lander PCU-HPC panel 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 18/26
Rosetta Lander PCU-C panel 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 19/26
Rosetta Lander PCU-F panel 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 20/26
Kapcsolástechnika Egy pont meghibásodásra védett rendszer alkatrész szintő tartalékolás egység szintő tartalékolás (main / redundant) Latch-up limiterek Soros ellenállás a tápfeszültség körében Fold-back áramlimiter Kikapcsolódó áramlimiter Watch-dog timer áramkörök Hibajavító kódolás 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 21/26
Rosetta Lander PCU-SW panel 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 22/26
Kritikus alkatrészek bevizsgálása Sugárforrások Nem részecske sugárzás Gamma 60 Co izotóp TID tesztelés Röntgen Részecske sugárzás Proton Kombinált TID és rácsszerkezet károsodás teszt Debreceni ATOMKI (ciklotron 2,5-18 MeV) Elektron Ionok SEE tesztelés Au-197, Br-79, Gyártó, gyártási technológia függés Gyártási sorozat függés LOT acceptance test, RVT Radiation Verification Test Dózisráta [rad/s] függés 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 23/26
Tanulságos TID tesz eredmények Forrás: JPL J.Conley Mikroprocesszor sugárzásállóságának gyártó függése Mőveleti erısítı sugárzásállóságának dózisráta függése BJT sugárzásállóságának gyártó és dózisráta függése Az őrminısített alkatrész nem feltétlenül sugárzásálló! 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 24/26
Ellenırzı kérdések: 1. Milyen a Van Allen övek elhelyezkedése, alakja és milyen töltött részecskék találhatók bennük? 2. Melyek a sugárzás elektromos alkatrészeket érintı öregítı hatásai? 3. Milyen tranziens hatásokat hozhat létre a sugárzás az elektromos alkatrészekben? 4. Mi az a latch-up jelenség és mit lehet tenni ellene? 5. Milyen módszerekkel lehet a sugárzás elektromos alkatrészekre gyakorolt hatását csökkenteni egy mőhold fedélzetén? 6. Hogyan befolyásolják az őreszközök sugárterhelését a pályaadatok? 7. Milyen forrásokkal és elvek betartásával szokták tesztelni az elektromos alkatrészek sugárzásállóságát? 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 25/26
Köszönöm a figyelmet! 2015.11.06. A kozmikus sugárzás hatásai 26/26