КОМПЛЕКС ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННО-КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ В ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫХ ПОЛЯХ ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
COMPLEX FOR TESTING RADIATION RESISTANCE OF ELECTRONIC COMPONENT BASE PRODUCTS IN HIGH-INTENSITY FIELDS OF BRAKING RADIATION

Предлагаемое изобретение относится к области ядерной и радиационной физики и может быть использовано для испытания радиационной стойкости (PC) изделий перспективной электронно-компонентной базы (ЭКБ) разных типов - СБИС-ОЗУ, МП, МК и других в высокоинтенсивных высокодозных полях ионизирующих излучений (ИИ) наносекундной длительности.
Известна установка для испытаний на радиационную стойкость (Патент RU 2128349. Установка для испытаний на радиационную стойкость. Д.В. Громов, С.В. Ермолаев, А.Ю. Никифоров, П.К. Скоробогатов, А.И. Чумаков, О.А. Калашников, А.В. Яненко. СПЭЛС, 1999 г. [1].) Установка содержит источник рентгеновского излучения, детектор излучения, плата подключения испытываемого объекта, объект испытаний. Недостатком установки является малая энергия источника рентгеновского типа, работа источника в статическом режиме, низкая помехоустойчивость из-за использования протяженных гальванических связей между блоками.
Известен автоматизированный комплекс для испытаний интегральных микросхем на радиационную стойкость (Патент RU 2435169. Автоматизированный комплекс для испытаний интегральных микросхем на радиационную стойкость. Бузоверя Е.В., Наумов Ю.В. ВНИИЭФ. 2010 г. [2]), содержащий источник ионизирующих излучений (ИИ), в потоке которого размещен детектор ионизирующего излучения и облучаемый блок с испытываемым элементом ЭКБ, блоки управления и контроля. Примем данный комплекс в качестве аналога.
При этом регистрирующая аппаратура находится в отдельном помещении, отделенном от облучательного зала биологической защитой. Это приводит к необходимости использования кабелей длиной до 25 м. Недостатком данного комплекса является низкая помехоустойчивость из-за использования электрических кабелей значительной длины, подверженных электромагнитным наводкам (ЭМН).
Известен автоматизированный, комплекс для испытаний элементов ЭКБ на радиационную стойкость (Патент RU 2553831. Автоматизированный комплекс для испытаний элементов электронно-компонентной базы на радиационную стойкость. Панченко А.Н., Пикарь В.Α., Родигин А.В., Тетеревков А.В., Эльяш С.Л. ВНИИЭФ, 2015 г. [3]), также содержащий источник ИИ, в потоке которого размещен детектор ИИ и облучаемый экранирующий от электромагнитного излучения контейнер с испытываемым элементом ЭКБ. Контейнер сделан из алюминия с толщиной стенок 2 мм, за испытываемым изделием (элементом) ЭКБ дополнительно размещена плита-экран из свинца толщиной 2 мм, снижающая дозовую нагрузку на расположенные далее в контейнере блоки управления и функционального контроля и автономные стабилизированные источники электропитания. Примем данный комплекс в качестве аналога.
Управляющая и регистрирующая аппаратура также находится в отдельном помещении. Особенностью данного комплекса является использование для передачи информации с испытуемого ЭКБ волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП), которые снижают чувствительность комплекса к ЭМЫ. Кроме того, в комплексе реализован ряд решений, ускоряющих процесс перехода от одного типа испытываемого изделия ЭКБ к другому.
Недостатки комплекса-аналога состоят в следующем:
- расположение регистрирующей аппаратуры в отдельном помещении,
- необходимость использования дополнительных преобразователей для перевода электрических импульсов ЭКБ в световое излучение и обратно при передаче информации по ВОЛП,
- низкая мощность используемого импульсного источника излучения - АРСЫ (СЛ. Эльяш и др. Малогабаритный импульсный ускоритель электронов АРСА для радиационных исследований. Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ, Вып.9. с. 128-131, 2005. [4]).
Существует потребность в испытании современных изделий (элементов) ЭКБ на мощности дозы, на 2-3 порядка превосходящие способности АРСЫ. Высокоинтенсивное излучение генерируется электронными ускорителями типа линейного индукционного ускорителя ЛИУ-30 (Павловский А.И., Босамыкин B.C., Герасимов А.И., Тананакин В.А., Федоткин А.С., Морунов К.А., Басманов В.Ф., Скрипка Г.М., Тарасов А.Д., Гордеев B.C., Гришин А.В., Анфиногенов В.Я., Грицына В.П., Аверченков В.Я., Лазарев С.А., Горкунов B.C., Вересов В.П., Кошелев А.С., Одинцов Ю.М. Мощный линейный импульсный ускоритель пучка электронов на радиальных линиях ЛИУ-30. ПТЭ, №2,1998 г. - С.13-25. [5], Моделирующие и облучательные комплексы и установки РФЯЦ-ВНИИЭФ. Завьялов Н.В., Гордеев B.C., Савченко В.А., Грунин А.В. и др. //Физика и техника высоких плотностей энергии: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2011. - с. 165-191. [6]), имеющим характерную длительность импульса ~20 нс.
Существует комплекс для испытаний радиационной стойкости изделий ЭКБ в высокоинтенсивных полях тормозного излучения (ТИ), основанные на использовании ускорителя ЛИУ-30 [5], [6]. Комплекс включает в себя:
- ускоритель ЛИУ-30, создающий широкий пучок ТИ для облучения крупногабаритных объектов испытаний (на расстоянии 1 м от мишени, диаметр пучка составляет 0.6 м [5]). Ускоритель располагается в отдельном отсеке, а в облучательный зал выводится его мишенная часть;
3
- облучательный зал (зал для проведения экспериментов-испытаний), в котором распространяется поток ТИ и устанавливаются исследуемые объекты (объекты испытаний - ОИ) в прямом потоке ТИ. Размеры зала следующие: ширина×высота×длина 12×8×24 м.
- измерительную оснастку для установки изделий ЭКБ в экспериментальном зале и соединения с ней кабелей;
- дозиметры, устанавливаемые в потоке ТИ для измерения его характеристик;
- кабели, по которым передается электрическое питание к испытываемым объектам и, наоборот, информация на регистрирующую аппаратуру, расположенную в соседних измерительных помещениях (отсеках). Для питания регистрирующей аппаратуры могут использоваться бесперебойные источники. Измерительные отсеки с регистрирующей аппаратурой отделены от облучательного зала толстыми бетонными стенами толщиной 2-3 м и тем самым защищены от воздействия радиации и электромагнитных наводок (ЭМН). В бетонных стенах проложены кабель-каналы для вывода измерительных кабелей. Облучательный зал также отделен от соседнего отсека, где располагается ускоритель, толстой бетонной стеной. Кабели могут дополнительно экранироваться металлической фольгой или (и) металлизированной тканью.
Примем данный комплекс для испытаний радиационной стойкости в высокоинтенсивных полях тормозного излучений в качестве прототипа.
Развитие изделий (элементов) ЭКБ привело к тому, что данный комплекс для испытания радиационной стойкости в высокоинтенсивных полях тормозного излучения в значительной степени перестал удовлетворять современным требованиям. Недостатки существующего комплекса испытаний - прототипа состоят в следующем. Для передачи информации о воздействии излучения на исследуемый объект (ОИ) до регистрирующей аппаратуры в соседние измерительные отсеки используются кабельные линии длиной от 20 м. При этом осуществляется прямое воздействие ионизирующего излучения на кабели, передающие сигналы до регистрирующей аппаратуры, что приводит к возникновению радиационно-наведенных потенциалов до ~100 В.
Существующие и перспективные радиационно-стойкие изделия ЭКБ большой степени интеграции имеют пониженные напряжения питания (2,5÷4,5 В), высокую частоту формирования данных и сложную оснастку для обеспечения их функционирования. При рабочих частотах ЭКБ от 100÷1000 МГц и выше кабельные линии длиной 20 м вносят существенные искажения в передаваемую до регистраторов информацию.
Также осуществляется воздействие излучения на аппаратуру при попытках ее расположения в облучательном зале.
Другой недостаток прототипа - отсутствие возможности узкого селективного воздействия на элементы ЭКБ с целью определения радиационной стойкости (PC) отдельных элементов и выявления критических элементов ЭКБ при воздействии высокоинтенсивного поля. При испытании тонких ЭКБ возможно влияние рассеянных электронов зала на формирование дозы.
2
Между отсеком ускорителя и облучательным залом находится бетонная стена-перегородка, в которой существует отверстие размером 2×2 м для размещения выводной и мишенной части ускорителя, проведения профилактических работ. Вследствие наличия воздушных промежутков в отверстии, возможно проникновение из отсека размещения ускорителя ЭМН, вызванных работой систем ускорителя - блока магнитного поля (БМП), высоковольтного зарядного устройств (ВЗУ) и других.
Техническая проблема состоит в необходимости расширения возможностей испытаний PC изделий (элементов) современной ЭКБ (с учетом их специфики) в высокоинтенсивных полях ТИ.
Технический результат состоит в обеспечении:
- возможности проведения испытаний PC изделий ЭКБ с получением достоверной информации при сохранении предельной мощности дозы ТИ ускорителя (путем минимизации искажений, вносимых из-за влияния негативных факторов (ЭМН и т.п.), существенного уменьшения действия прямого и рассеянного ТИ на элементы оснастки и контрольно-измерительную аппаратуру, реализации возможности приближения регистрирующей аппаратуры, размещенной в экранирующей ЭМН камере, на расстояние (1,5-2,0) м от испытуемого объекта) при передаче информации о воздействии излучения на исследуемый объект (ОИ), что позволит расширить возможности ускорителя с точки зрения испытаний современной ЭКБ.
- возможности селективного воздействия ТИ на отдельные элементы ЭКБ.
Данный технический результат достигается тем, что в отличие от известного комплекса для испытаний радиационной стойкости изделий электронно-компонентной базы в высокоинтенсивный полях тормозного излучения, состоящего из отсека с расположенным в нем мощным ускорителем электронов с мишенью для формирования тормозного излучения (TPI), облучательного зала для проведения испытаний с установленным в нем объектом испытания (ОИ) с измерительной оснасткой, предназначенного для организации воздействия ТИ на ОИ, при этом на ОИ в потоке ТИ установлены дозиметры для измерения характеристик ТИ, а также измерительного отсека для размещения в нем регистрирующей аппаратуры, связанной с источником бесперебойного питания, причем измерительная оснастка с ОИ, регистрирующая аппаратура электрически связаны между собой экранированными кабелями, в предложенном комплексе в облучательном зале расположен отсек для испытаний, отсек для испытаний представляет собой малогабаритный замкнутый контейнер, выполненный из тяжелого материала, толщина стенок контейнера выбрана исходя из условия максимально возможного коэффициента ослабления квантов стенками контейнера, что обеспечивает локализацию пространства для облучения ТИ ОИ вблизи мишени и приближения регистрирующей аппаратуры к ОИ, контейнер торцевой стенкой установлен в непосредственном контакте с мишенью, в контактирующей с мишенью стенке контейнера выполнено сквозное коллимационное отверстие для ввода ТИ, при этом контейнер установлен на грузонесущей платформе, между отсеком с ускорителем электронов и облучательным залом по периферии стыка боковой стенки контейнера с мишенью установлен защитный экран, выполненный из тяжелого материала, выбранного из условия максимального ослабления квантов совместно с факторами влияния контейнера на процесс облучения потока квантов ТИ с мишени и электромагнитных наводок от процессов, происходящих в отсеке с ускорителем электронов, в зоне расположения регистрирующей аппаратуры, причем аппаратура, регистрирующая информацию с ОИ в отсеке для испытаний, расположена вблизи вышеназванного контейнера в зоне действия защитного экрана с обеспечением функционирования контейнера с измерительным отсеком в облучательном зале.
Кроме того, комплекс для испытаний радиационной стойкости изделий электронно-компонентной базы в высокоинтенсивный полях тормозного излучения может отличаться тем, что мощным ускорителем электронов является ЛИУ-30, при этом контейнер отсека для испытаний изготовлен из свинца и имеет прямоугольную форму, коллимационное отверстие в торцевой стенке имеет диаметр, размер которого лежит в диапазоне от 30 мм до 70 мм, как в конструкции контейнера, так и в конструкции защитного экрана стыки между отдельными элементами выполнены в виде лабиринтных поверхностей, в нижней стенке контейнера выполнены люки разного диаметра для вывода кабельных линий.
Комплекс для испытаний радиационной стойкости изделий электронно-компонентной базы в высокоинтенсивных полях тормозного излучения может отличаться тем, в качестве измерительного отсека используются безэховые камеры.
Предлагаемые авторами изменения в комплекс испытаний заключаются в следующем.
В облучательном зале располагается отсек для испытаний, созданный на основе замкнутого свинцового контейнера, присоединяемого к мишени ускорителя, например, ЛИУ-30 и функционирующего с ним как единое целое. Контейнер устанавливается на грузонесущей платформе.
В отверстии бетонной стены между облучательным залом и отсеком ускорителя устанавливается защитный экран, полностью закрывающей данное отверстие.
Авторами проанализированы условия облучения в испытательном отсеке и проведено расчетное моделирование ослабления электромагнитных полей и полей ТИ отсеком с целью определения возможности размещения измерительного отсека в ближней зоне. Толщина торца и стенок защитного контейнера и толщина экрана выбрана в результате компромисса между требованием максимального ослабления квантов ТИ и разумностью размеров и массы контейнера. Это отражено в заявляемой формуле изобретения, где отмечено, что контейнер выполнен из тяжелого материала, толщина стенок контейнера выбрана исходя из условия максимально возможного коэффициента ослабления квантов стенками контейнера, что обеспечивает локализацию пространства для облучения ТИ ОИ вблизи мишени и приближения регистрирующей аппаратуры к ОИ, а для экрана должно быть соблюдено требование, что он выполнен из тяжелого материала, выбранного из условия максимального ослабления квантов совместно с факторами влияния контейнера на процесс облучения потока квантов ТИ с мишени и электромагнитных наводок от процессов, происходящих в отсеке с ускорителем электронов, в зоне расположения регистрирующей аппаратуры.
Установка в облучательном зале отсека для испытаний и защитного экрана позволяет разместить в зоне их ослабляющего действия на ТИ и ЭМН измерительный отсек с регистрирующей аппаратурой. В качестве измерительного отсека используются безэховые камеры, которые ослабляет внешние ЭМН и дополнительно отличается наличием внутренних сложных поверхностей, исключающих образование стоячих или рассеянных электромагнитных волн в объеме камеры.
Таким образом, технический результат достигнут за счет локализации поля ТИ в замкнутом испытательном отсеке для размещения испытываемых изделий ЭКБ, обеспечения коллимированного селективного воздействия на ЭКБ, защиты испытуемой ЭКБ от рассеянных в зале излучений, снижения до приемлемого уровня дозовых нагрузок на оснастку и разъемы и располагаемую вблизи мишени вне испытательного объема регистрирующую аппаратуру, защиты от проникновения ЭМН из отсека ускорителя.
Общая схема измерений с помощью предлагаемого комплекса, вид сверху, приведена на фиг.1, где 1 - ускоритель электронов, 2 - отсек ускорителя, 3 - мишень ускорителя, 4 - облучательный зал, 5 - отсек для испытаний (контейнер), 6 - входной коллиматор, 7 - защитный экран, 8 - дозиметр, 9 - измерительный отсек, 10 - кабель, 11 - бетонная стена, 13 - объект испытаний, 14 - стена-перегородка.
Геометрия размещения отсека для испытаний (контейнера) приведены на фиг.2, где 12 - грузонесущая платформа, а - вид сзади, б - вид в разрезе
Технический результат состоит в обеспечении:
- возможности проведения испытаний PC изделий ЭКБ с получением достоверной информации при сохранении предельной мощности дозы ТИ ускорителя (путем минимизации искажений, вносимых из-за влияния негативных факторов (ЭМН и т.п.), существенного уменьшения действия прямого и рассеянного ТИ на элементы оснастки и контрольно-измерительную аппаратуру, реализации возможности приближения регистрирующей аппаратуры, размещенной в экранирующей ЭМН камере, на расстояние (1,5-2,0) м от испытуемого объекта) при передаче информации о воздействии излучения на исследуемый объект (ОИ), что позволит расширить возможности ускорителя с точки зрения испытаний современной ЭКБ.
- возможности селективного воздействия ТИ на отдельные элементы ЭКБ.
-1
Изготовление контейнера 5 отсека для испытаний заключалось в создании герметичных коробчатых обечаек из коррозионно-стойкой стали, заливке их свинцом и последующей механической обработки. Свинец выбран в качестве тяжелого материала с коэффициентом ослабления μ=0.47 см при энергии квантов 3 МэВ и большими значениями коэффициента при других энергиях. Для удобства использования задняя стенка контейнера выполнена в виде двери, установленной на поворотной шарнирной опоре. В передней и нижней стенке выполнены отверстия со сменными крышками. Отверстия разного диаметра в передней стенке являются коллиматорами для ввода ТИ в объем контейнера. Отверстия в нижней стенке контейнера предназначены для вывода кабелей до измерительного отсека, а также различных технологических элементов. Крепежные и силовые элементы конструкции изготовлены из коррозионно-стойкой стали и интегрированы в конструкцию обечаек, заполненных свинцом. Корпус контейнера установлен на каретках с колесными опорами, в свою очередь устанавливаемых на грузонесущей платформе 12. Юстировка между корпусом и каретками обеспечивает точное позиционирование контейнера в проеме защитного экрана. Элементы конструкции разрабатывались исходя из необходимости механической прочности и с учетом требований эргономики.
Приведем более детально характеристики свинцового прямоугольного контейнера 5. Внутренние размеры контейнера составляют (ширина×высота×глубина) Ш×В×Г: 300 × 500 × 300 мм. Наружные размеры контейнера составляют Ш×В×Г: 400 × 600 × 500 мм. Коллиматор 6 с диаметром в диапазоне от 30 мм до 70 мм позволяют селективно воздействовать ТИ на отдельные элементы ЭКБ (ОИ) 13. Масса контейнера составляет ~1000 кг.
Контейнер 5 функционирует в облучательном зале 4, вплотную примыкая к мишени 3. Вне контейнера располагается вплотную примыкающий к нему защитный экран 7 толщиной 10 см. Экран защищает вместе с контейнером испытываемые ЭКБ и измерительный отсек 5 от ЭМН, образуемых системами в отсеке 2 ускорителя 1 ЛИУ-30, а также от ТИ, испускаемого мишенью 3. Защитный экран 7 состоит из рамы, располагаемой по периметру экрана, и двух секций. Нижняя секция изготовлена из свинца. Верхняя секция изготовлена из стали, имеет вид буквы "П", что обеспечивает плотное прилегание экрана к боковой поверхности свинцового контейнера. Масса защитного экрана составляет 4000 кг. Как в конструкции контейнера, так и в конструкции защитного экрана стыки между отдельными элементами выполнены в виде лабиринтных поверхностей, что исключает присутствие прямых щелей для проникновения излучения.
2
Проведенные испытания показали, что разработанный комплекс на основе отсека для испытаний 5 вместе с защитным экраном 7 уменьшает более чем в 10 раз уровни дозовых нагрузок на кабели и оснастку вне отсека. На позициях размещения пассивных компонент оснастки (на расстоянии 10 см от оси ускорителя) внутри контейнера снижаются более чем на порядок ионизационные токи в диэлектрической и газовой изоляции элементов оснастки, так же, как и вклад радиационно-наведенных потенциалов на выводах пассивных компонент.
Это позволяет приблизить регистрирующую аппаратуру, размещенную в измерительном отсеке 9, на расстояние (1,5-2,0) м от испытуемого объекта и производить считывание и запись информации с современных ЭКБ. В качестве измерительного отсека использовалась специальные экранирующие ЭМН камеры -так называемые, безэховые камеры. В проведенных экспериментах в безэховой камере НТЦ «Фарадей» (Интернет-сайт НПО Фарадей, Санкт-Петербург, faradey.ru [7]) с установленной дополнительной свинцовой защитой был размещен осциллограф Tektronix TDS 3014 В. Приближение измерительного отсека 9 позволило повысить скорость обмена данными между ЭКБ и контрольно-измерительной аппаратурой. Для передачи информации использовались кабели типа РК-75-9-13, РК 75-4-11, BELDEN 8112. Питание регистрирующей аппаратуры может производиться от автономных стабилизированных бесперебойных источников.
В целом комплекс на основе отсека для испытаний позволяет существенно уменьшить действие прямого и рассеянного ТИ на элементы оснастки и контрольно-измерительную аппаратуру. Разработанный комплекс для испытаний радиационной стойкости позволит проводить испытания высокоинтегрированной ЭКБ при сохранении предельной мощности дозы ТИ ЛИУ-30 в различных режимах функционирования ЛИУ-30.
Таким образом, достигнут технический результат, состоящий в обеспечении
- возможности проведения испытаний PC изделий ЭКБ с получением достоверной информации при сохранении предельной мощности дозы ТИ ускорителя (путем минимизации искажений, вносимых из-за влияния негативных факторов (ЭМН и т.п.), существенного уменьшения действия прямого и рассеянного ТИ на элементы оснастки и контрольно-измерительную аппаратуру, реализации возможности приближения регистрирующей аппаратуры, размещенной в экранирующей ЭМН камере, на расстояние (1,5-2,0) м от испытуемого объекта) при передаче информации о воздействии излучения на исследуемый объект (ОИ), что позволит расширить возможности ускорителя с точки зрения испытаний современной ЭКБ.
- возможности селективного воздействия ТИ на отдельные элементы ЭКБ.