مقاوم سازی دربرابر تابش

مقاوم‌سازی دربرابر تابش فرآیندی است که در آن اجزا و مدارهای الکترونیکی در برابر آسیب یا عملکرد نادرست ناشی از مقدار بالای تابش رادیواکتیو (تابش ذرات و تابش الکترومغناطیسی پرانرژی) مقاوم می‌شوند. این مقاوم سازی برای محیط‌های موجود در فضای خارج از زمین، اطراف راکتورهای هسته ای و شتاب‌دهنده‌های ذرات یا هنگام حوادث و جنگ‌های هسته ای کاربرد دارد.

اکثر قطعات الکترونیکی نیمه هادی، مستعد آسیب تشعشع هستند ولی می‌توان حساسیت آسیب به تشعشع را با برخی تغییرات طراحی و ساخت، برای قطعات سخت شده با تشعشع (**rad-hard**)، کاهش داد. با توجه به تقاضای کم و همچنین تقاضای توسعه و آزمایش گسترده مورد نیاز برای تولید یک طرح مقاوم در برابر تشعشع از یک تراشه میکروالکترونیکی، فناوری تراشه‌های مقاوم در برابر تشعشع از جدیدترین پیشرفت‌ها عقب مانده است. آنها همچنین معمولاً هزینه‌های بیشتری نسبت به سایر تجهیزات دارند.

برای محصولات مقاوم سازی شده دربرابر تابش آزمایش‌های مختلفی انجام می‌شود: دوز یونیزه کل (TID)، اثرات افزایش یافته نرخ دوز پایین (ELDRS)، آسیب جابجایی نوترون و پروتون و اثرات تک رویدادی (SEEs).

## مشکلات ناشی از تابش
محیط‌هایی با میزان زیاد تابش رادیواکتیو، چالش‌های ویژه‌ای در طراحی ایجاد می‌کنند. یک ذره باردار می‌تواند هزاران الکترون را از بین ببرد و باعث ایجاد نویز الکترونیکی و افزایش سیگنال شود. در مورد مدارهای دیجیتال، این موضوع می‌تواند اختلالاتی را ایجاد کند که دقیق یا نامفهوم هستند. این یک مشکل جدی در طراحی ماهواره‌ها، فضاپیماها، رایانه‌های کوانتومی آینده، هواپیماهای نظامی، نیروگاه‌های هسته‌ای و سلاح‌های هسته‌ای است. به منظور اطمینان از عملکرد صحیح چنین سیستم‌هایی، سازندگان آی سی (IC) و سنسورها برای کاربردهای نظامی یا هوافضا از روش‌های مختلفی برای مقاوم سازی دربرابر تابش استفاده می‌کنند. به این سیستم‌ها نام‌های مختلفی داده می‌شود: rad-hardened, rad-hard یا hardened.

## منابع اصلی تابش مخرب
منابع معمول قرار گرفتن الکترونیک در معرض تابش رادیواکتیو عبارتند از: کمربندهای تشعشعی ون آلن برای ماهواره‌ها، راکتورهای هسته ای در نیروگاه‌ها برای حسگرها و مدارهای کنترل، شتاب‌دهنده‌های ذرات برای کنترل الکترونیک (به‌ویژه دستگاه‌های آشکارساز ذرات)، تابش باقی‌مانده ایزوتوپ‌ها در مواد بسته‌بندی تراشه، تشعشعات کیهانی برای فضاپیماها و هواپیماهای در ارتفاع بالا و انفجارهای هسته ای برای تمامی تجهیزات الکترونیکی نظامی و غیرنظامی. ذرات ثانویه از برهمکنش میان انواع مختلف اشعه با ساختارهای تجهیزات الکترونیکی به وجود می‌آیند.

### منابع اصلی تابش مخرب
* کمربندهای تشعشعی ون آلن حاوی الکترون (تا حدود ۱۰ مگا ولت) و پروتون (تا ۱۰۰ مگاالکترون ولت) هستند که در میدان ژئومغناطیسی به دام افتاده‌اند. شار ذرات در نواحی دورتر از زمین بسته به فاصله از خورشید و مگنتوسفر (magnetosphere) می‌تواند بسیار متفاوت باشد. این ذرات باتوجه به موقعیت خود می‌تواند باعث نگرانی برای ماهواره‌ها شوند.
* راکتورهای هسته ای تشعشعات گاما و نوترون تولید می‌کنند که می‌تواند بر مدارهای حسگر و کنترل نیروگاه‌های هسته‌ای تأثیر بگذارد.
* شتاب‌دهنده‌های ذرات، پروتون‌ها و الکترون‌های با انرژی بالا تولید می‌کنند و ذرات ثانویه تولید شده توسط فعل و انفعالات آن‌ها آسیب تشعشعی قابل‌توجهی بر روی اجزای حساس کنترل و آشکارساز ذرات ایجاد می‌کنند. این آسیب در مرتبه قدرت 10MRad[Si]/year برای سیستم‌هایی مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون است.
* مواد بسته‌بندی تراشه منبع تشعشعی بودند که در دهه ۱۹۷۰باعث ایجاد خطاهایی (soft errors) در تراشه‌های DRAM جدید می‌شد. ردپای عناصر رادیواکتیو در بسته‌بندی تراشه‌ها ذرات آلفا را تولید می‌کردند که گهگاه برخی از خازن‌های مورد استفاده برای ذخیره بیت‌های داده DRAM را تخلیه می‌کردند. این اثرات امروزه با استفاده از مواد خالص در بسته‌بندی و استفاده از کدهای تصحیح خطا (error-correcting codes) برای شناسایی و تصحیح خطاهای DRAM کاهش یافته است.
* پرتوهای کیهانی از همه جهات می‌آیند و تقریباً از ۸۵٪ پروتون، ۱۴٪ ذرات آلفا و ۱٪ یون‌های سنگین همراه با اشعه ایکس و پرتو گاما تشکیل شده‌اند. بیشتر اثرات توسط ذرات با انرژی بین ۰٫۱ تا 20 GeV ایجاد می‌شود. اتمسفر بیشتر این ذرات را فیلتر می‌کند، بنابراین آنها در درجه اول برای فضاپیماها و هواپیماهای ارتفاع بالا نگران کننده هستند، اما همچنین می‌توانند رایانه‌های معمولی روی سطح زمین را تحت تأثیر قرار دهند.
* رویدادهای ذرات خورشیدی (Solar particle event) از طرف خورشید می‌آیند و شامل شار بزرگی از پروتون‌های پرانرژی (چند GeV) و یون‌های سنگین است که دوباره با تابش اشعه ایکس همراه است.
* انفجارهای هسته ای یک موج کوتاه و بسیار شدید را از طریق طیف گسترده‌ای از تابش الکترومغناطیسی، یک پالس الکترومغناطیسی (EMP)، تابش نوترونی، و شار ذرات باردار اولیه و ثانویه ایجاد می‌کنند. در صورت وقوع یک جنگ هسته ای، آنها یک نگرانی بالقوه برای تمام تجهیزات الکترونیکی غیرنظامی و نظامی ایجاد می‌کنند.

## تکنیک‌های مقاوم سازی در برابر تابش
بندانگشتی|قالب سخت شده با تشعشع میکروکنترلر ۱۸۸۶ve۱۰ قبل از حکاکی (اچینگ) فلزی

### فیزیکی
بندانگشتی|قالب سخت شده با تشعشع میکروکنترلر ۱۸۸۶VE۱۰ پس از استفاده از فرایند حکاکی (اچینگ) فلزی
تراشه‌های سخت شده اغلب بر روی بسترهای عایق به جای ویفرهای نیمه هادی معمولی ساخته می‌شوند. معمولاً از سیلیکون روی عایق (SOI) و سیلیکون روی یاقوت کبود (SOS) استفاده می‌شود. درحالی که درجه تراشه‌های معمولی تجاری می‌تواند بین ۵۰ تا ۱۰۰گری (۵ و ۱۰ کیلو راد) مقاومت کنند، تراشه‌های SOI و SOS درجه فضایی می‌توانند ۱۰۰۰ تا ۳۰۰۰ گری (۱۰۰تا ۳۰۰ کیلو راد) را تحمل کنند. در یک زمان بسیاری از تراشه‌های سری ۴۰۰۰ در نسخه‌های مقاوم سازی شده با تشعشع (RadHard) در دسترس بودند در حالی که SOI لچ-آپ را از بین می‌برد و همچنین نتایج آزمایش‌های TID و SEE، پیشرفتی را نشان نمی‌داد.

استفاده از یک گره فرآیندی خاص مقاومت در برابر تشعشع را افزایش می‌دهد. با توجه به هزینه‌های بالای توسعه فرآیندهای مقاوم سازی دربرابر با تشعشع، کوچک‌ترین فرایند راد سخت (RHBP, Rad-Hard By Process) تا سال ۲۰۱۶، ۱۵۰ نانومتر بود، با این حال، FPGAهای راد سخت ۶۵ نانومتری (rad-hard 65 nm FPGAs) در دسترس بودند که از برخی از تکنیک‌های مورد استفاده در فرآیندهای راد-سخت واقعی (RHBD, Rad-Hard) استفاده می‌کردند. از سال ۲۰۱۹، فرآیندهای راد سختی ۱۱۰ نانومتری (110 nm rad-hard) در دسترس هستند.

RAM مقاومت مغناطیسی یا DRAM مبتنی بر خازن اغلب با SRAM مقاوم تر (اما بزرگتر و گران‌تر) جایگزین می‌شود. سلول‌های SRAM ترانزیستورهای بیشتری در هر سلول نسبت به معمول دارند (که 4T یا 6T است)، که باعث می‌شود سلول‌ها نسبت به SEU به علت مصرف زیاد انرژی و ابعاد، تحمل بیشتری داشته باشند.

### محافظ
محافظت از بسته در برابر رادیواکتیویته برای کاهش قرار گرفتن در معرض دستگاه لخت روش دیگری است.

برای محافظت در برابر تشعشعات نوترونی و فعال‌سازی نوترونی مواد (Neutron activation)، می‌توان از بور تخلیه‌شده (شامل فقط ایزوتوپ بور-۱۱) در لایه غیرفعال‌سازی شیشه بوروفسفوسیلیکات که از تراشه‌ها محافظت می‌کند، استفاده کرد. به راحتی نوترون‌ها را مهار می‌کند و دچار واپاشی آلفا می‌شود.

### منطقی (Logical)
خطای تصحیح حافظه کد (حافظه ECC) از بیت‌های اضافی برای بررسی و احتمالاً تصحیح داده‌های خراب استفاده می‌کند. از آنجایی که اثرات تشعشع به محتوای حافظه آسیب می‌رساند حتی زمانی که سیستم به RAM دسترسی ندارد، یک مدار «اسکرابر» (Memory scrubbing) باید به‌طور مداوم رم را بررسی کند. خواندن داده‌ها، بررسی بیت‌های اضافی برای خطاهای داده، سپس بازنویسی هرگونه تصحیح در RAM وظایفی است که باید یک اسکرابر انجام دهد.

عناصر تکراری یا زائد (Redundant elements) را می‌توان در سیستم استفاده کرد. سه برد ریزپردازنده جداگانه ممکن است به‌طور مستقل پاسخ یک محاسبات را محاسبه کرده و پاسخ‌های آنها را با هم مقایسه کنند. هر سیستمی که نتیجه اقلیت ایجاد کند مجدداً محاسبه خواهد شد. منطق ممکن است به گونه ای اضافه شود که اگر خطاهای تکراری از همان سیستم رخ دهد، آن برد خاموش شود.

## سختی هسته‌ای برای مخابرات
در ارتباط از راه دور، اصطلاح سختی هسته ای دارای معانی زیر است: (۱) بیان میزان عملکرد یک سیستم، تسهیلات یا دستگاه در یک محیط هسته ای معین، (۲) ویژگی‌های فیزیکی یک سیستم یا قطعات الکترونیکی که باعث بقا در محیطی می‌شود که شامل تابش هسته ای و پالس‌های الکترومغناطیسی (EMP) است.

### یادداشت‌ها
# سختی هسته‌ای ممکن است از نظر حساسیت یا آسیب‌پذیری بیان شود.
# میزان تخریب عملکرد مورد انتظار (به عنوان مثال، زمان قطع، داده‌های از دست رفته و آسیب تجهیزات) باید تعریف یا مشخص شود. محیط (به عنوان مثال، سطح تابش، فشار بیش از حد، سرعت اوج، انرژی جذب شده و استرس الکتریکی) باید تعریف یا مشخص شود.
# ویژگی‌های فیزیکی یک سیستم یا قطعه ای که باعث می‌شود درجه ای از مانایی (بقا) در یک محیط معین ایجاد شده توسط یک سلاح هسته ای ایجاد شود.
# سختی هسته ای برای شرایط محیطی مشخص یا واقعی و پارامترهای فیزیکی مانند سطح اوج تابش، فشار بیش از حد، سرعت، جذب انرژی و استرس الکتریکی تعیین می‌شود. از طریق مشخصات طراحی حاصل می‌شود و با تکنیک‌های آزمون و تجزیه و تحلیل، تأیید می‌شود.

## جستارهای وابسته
# تمپس
# مریخ‌نورد کاوشگر
# مسنجر (فضاپیما)
# مدارگرد شناسایی مریخ

## منابع

رده:ارتباطات نظامی
رده:پرواز فضایی
رده:تأثیرات تابش
رده:مدارهای مجتمع
رده:وسایل الکترونیکی