УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАДИАЦИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ АВИАКОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПРОТОНАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИНХРОЦИКЛОТРОНА
DEVICE FOR RADIATION IRRADIATION OF ELECTRONICS OF AVIACOSMIC APPLICATION BY PROTONS USING SYNCHROCYCLOTRON

Изобретение относится к ускорительной технике и экспериментальной радиационной физике.
Предложено устройство для радиационного экспресс облучения протонами в широком диапазоне их энергии изделий интегральной электронной техники (ИЭТ) авиа-космического назначения (АКН), причем в качестве генератора протонов использован ускоритель заряженных частиц - синхроциклотрон.
Введение в проблему. Поясним исключительную важность и необходимость для РФ создания такого устройства.
Для успешного функционирования авиа-космической аппаратуры, работающей в околоземном пространстве, необходимо использовать стойкую к радиационному воздействию атмосферного излучения интегральную электронную технику (ИЭТ). Известно, что ряд аварий зарубежных и отечественных спутников произошел из-за сбоя работы компьютерной и навигационной аппаратуры. Было выяснено, что причиной сбоев являются атмосферные протоны, радиационное воздействие которых приводит к повреждающим эффектам (single evens effects) в полупроводниковых структурах интегральных микросхем. (А.И.Чумаков «Действие космической радиации на интегральные схемы», М. «Радио и связь», 2004) [1]. По данным работы (Koons Н.С. et al. «The impact of the space environment on space Systems», Aerospace technical Report TR-99 (1670), 1, 1999) [2] до 50% необратимых отказов авиа-космического оборудования приходится на ионизирующее излучение протонами космического пространства. Вероятность отказов резко возрастает с уменьшением размеров элементарных ячеек ИЭТ и понижением рабочих напряжений, что является современной прогрессивной тенденцией в развитии технологий изготовления больших интегральных микросхем, состоящих из миллионов ячеек размером вплоть до 1 нанометра.
Разработаны международные и отечественные Стандарты, предписывающие программно-методическое проведение испытания ИЭТ АКН в потоках протонов с энергетическим спектром, подобным атмосферному: РД 134-0175-2009. Нормативный документ по стандартизации РКТ. Аппаратура радиоэлектронная бортовая космических аппаратов. Зарегистрирован ЦКБС ФГУП ЦНИИ машиностроения 07.12.2009 за №19780) [3]. Одной из особенностей атмосферного излучения является очень широкий энергетический спектр протонов, простирающийся практически от нуля до очень высоких энергий ~ 1000 МэВ. Поэтому для радиационного облучения авиа-космической электроники единственными искусственными источниками протонов таких больших энергий являются ускорители заряженных частиц. Однако таких ускорителей в мире единицы. За рубежом для этой цели используются протонные ускорители, обладающие возможностью изменения энергии генерируемого протонного пучка: в США - это линейный протонный ускоритель 800 МэВ в Лос-Аламосе (The ICE House at Los Alamos Science Centr (on line). Available: http://lansce.lanl.gov/NS/instrument/ICEhouse/index.html.) [4], в Канаде - протонный ускоритель 500 МэВ TRIUMF (E.W. Blackmore at all. "Improved Capabilities for Proton and Neutron Irradiations at TRIUMF, IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Conference, Radiation Effects Data Workshop, Monterey, 2003, pp 149-155. Available: http://www.triumf.ca/pif-nif.) [5], в Европе - это протонный ускоритель SINQ 590 МэВ, Швейцария, Виллиген, институт PSI (http://pif.web.psi.ch Paul Scherer Institut, СН-5232 Villigen PSI, Swizterland. То же: W.B. Fischer, Physica В 234-236, (1997) 1202-1208) [6] Именно на них созданы устройства для радиационного облучения и испытания ИЭТ АКН, на которых проводят свои испытания многие авиафирмы.
В России таких ускорителей нет, однако по величине максимальной энергии ~ 1000 МэВ, требуемой для радиационного облучения ИЭТ АКН, в РФ имеются два таких ускорителя - это синхроциклотрон (синоним фазотрон) в Дубне на энергию протонов 660 МэВ (В.М. Абазов, Г.А. Андреев, А.Н. Брагин и др. «Пучки нуклонов и мезонов фазотрона ОИЯИ для физических и прикладных исследований». Препринт ОИЯИ 9-90-289, Дубна, 1990.) [7] и синхроциклотрон в Гатчине на энергию 1000 МэВ (Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев «Радиотехнические системы синхроциклотрона петербургского института ядерной физики». Гатчина, 2012). [8].
Однако синхроциклотроны имеют фиксированную величину энергии протонов, и принцип работы ускорителей не позволяет оперативно ее изменять. В этом заключается трудность создания устройства для радиационного облучения ИЭТ АКН с использованием синхроциклотрона, при котором требуются протоны различных энергий. авторам не известно использование синхроциклотронов для поставленной цели.
В настоящей заявке предложено и разработано устройство для радиационного экспресс-облучения ИЭТ АКН протонами в широком диапазоне энергий, где в качестве генератора протонов использован ускоритель заряженных частиц типа синхроциклотрон.
Отметим, что протонные пучки синхроциклотронов широко используются для радиационного облучения объектов различного назначения: различной электроники, мишеней для физического эксперимента, химических препаратов для производства изотопов, биологических объектов от клетки до живого организма и т.п.
Поэтому, вне зависимости от цели облучения и конкретного вида объекта облучения, соответствующие им устройства являются аналогами предлагаемого изобретения,.
В качестве аналога рассмотрено устройство для радиационного облучения на протонном пучке синхроциклотрона, которое используется на синхроциклотроне (фазотроне) 680 МэВ Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне. (О.В. Савченко. «40 лет протонной терапии на синхроциклотроне и фазотроне лаборатории ядерных проблем объединенного института ядерных исследований». Препринт ОИЯИ Р9-2007-85, Дубна, 2007). [9].
Устройство-аналог состоит из генератора протонов в виде синхроциклотрона на энергию 680 МэВ, электромагнитного тракта транспортировки протонного пучка и места для расположения объектов облучения. Имеется устройство для получения необходимой энергии протонов для облучения - деградер (поглотитель энергии), имеются блок тест-контроля параметров протонного пучка и блок-контроля параметров облучаемого объекта (положение по оси пучка, распределения дозы в опухоли и т.п.).
Устройство-аналог предназначено для лечения раковых заболеваний методом радиационного облучения различных опухолей человека протонами в диапазоне 70÷250 МэВ с использованием синхроциклотрона ОИЯИ на энергию 680 МэВ и работает следующим образом. Протонный пучок с энергией 660 МэВ выводится из ускорителя и после первичного формирования в фокусирующих линзах достигает деградера. Пучок протонов, проходя через вещество деградера, испытывает торможение в веществе деградера и выходит из него с меньшей энергией, величина которой зависит от длины деградера и определяется расчетным путем.
В результате использования аналога (в ОИЯИ, Дубна) на синхроциклотроне из пучка с энергией 660 МэВ получен пучок протонов с энергией 200 МэВ на котором проводится облучение опухолей больных «методом пика Брега».
Для радиационного облучения иного объекта, для которого требуется другая величина энергии протонов, вместо одного деградера на ось пучка ставится другой, соответствующей длины и материала, при этом необходимо будет перестроить весь магнитный тракт транспортировки протонного пучка от деградера до мишени.
Недостатком устройства-аналога является невозможность изменения (регулировки) энергии протонов в процессе радиационного облучения, а также невозможность обеспечения экспресс облучения большого количества объектов.
В качестве прототипа выбрано устройство для радиационного облучения электроники авиа-космического назначения протонами с использованием синхроциклотрона, описанное в работе (К.Н. Ермаков, Н.А. Иванов, О.В. Лобанов и др. «Экспериментальное исследование воздействия протонов на приборы с зарядовой связью». Письма ЖТФ, 2010, т. 36, вып. 13, с. 54-60) [10].
В работе приведена и описана блок-схема устройства и методика проведения радиационного облучения объекта в виде изделий ИЭТ АКН на протонном пучке синхроциклотрона.
Устойство-прототип состоит из синхроциклотрона, используемого в качестве генератора протонов, из электромагнитного тракта транспортировки протонов к месту расположения объекта облучения, состоящего из фокусирующих квадрупольных линз, отклоняющего электромагнитва с системами их электропитания и управления, мониторов с блоком тест-контроля протонного пучка и места для расположения объектов облучения. Блок тест-контроля состоит из системы мониторирования, профилометра, ионизационной камеры, из блока позиционирования облучаемого объекта с видеокамерой и из компьютера.
Устройство-прототип работает следующим образом. Протонный пучок с энергией 1000 МэВ выводится из синхроциклотрона стандартным способом и при помощи электромагнитного тракта транспортировки пучка доставляется к месту расположения объекта облучения, который предварительно устанавливается точно по оси пучка при помощи устройства для его позиционирования (лазер). Управление параметрами протонного пучка производится с пульта управления синхроциклотроном (с использованием компьютера). Параметры протонного пучка мониторируются соответствующей аппаратурой (профилометр, ионизационная камера).
Сформированный трактом протонный пучок с нужным флюэнсом и эмиттансом производит радиационное облучение объекта, в данном случае - ИЭТ АКН протонами с единственной энергией 1000 МэВ.
Отметим недостатки прототипа.
1. Устройство-прототип работает только при одной фиксированной энергии протонного пучка и не может обеспечивать радиационное облучение во всем требуемом диапазоне изменения энергий протонного пучка, тогда как по стандарту [3] необходимо тестировать ИЭТ АКН во всем диапазоне энергии протонов атмосферного диапазона от 0 до 1000 МэВ.
2. Устройство-прототип обеспечивает только поочередное облучение объектов и не может работать в режиме их экспресс облучения. (Под термином «экспресс облучения» понимается обеспечение автоматического последовательного (друг за другом) режима радиационного облучения большого количества объектов при одновременном варьировании параметров протонного пучка для каждого из объектов: энергии, интенсивности, эмиттанса и т.п.).
Поясним практическую значимость и необходимость режима экспресс облучения. Стоимость времени эксплуатации синхроциклотрона достаточно высока из-за больших величин его энергопотребления (6-10 МВт) и эксплуатационных расходов. При этом в случае облучения электроники АКН у потребителей возникают существенные дополнительные затраты из-за того, что время облучения объектов будет составлять лишь часть времени работы синхроциклотрона при номинальном потреблении им электроэнергии. Действительно, при изменении энергии протонного пучка путем замены самих деградеров, требуется перестройка токов питания электромагнитов всего тракта. При каждой такой перестройке пучок синхроциклотрона выключается стандартным способом, например, отключением инжекции протонов, однако, все электрооборудование синхроциклотрона остается во включенном состоянии при номинальном потреблении электроэнергии - это режим «холостого хода» ускорителя. (Отключение электропитания самого синхроциклотрона не производится из-за необходимости последующего его перемагничивания и вновь настройки магнитного поля и режима ускорителя.) В случае перестройки энергии деградером во всем диапазоне 0÷680 МэВ с необходимым шагом время «холостого хода» становится соизмеримым или даже может превышать время тестирования. Кроме этого, при любой операции, требующей присутствия оператора около устройства, например, при замене объектов облучения, затрата времени только на процедуру входа-выхода его в экспериментальный зал составляет 45-60 мин. и определяется временем уменьшения в зале радиационного фона, процедурой допуска в активную зону, открытием-закрытием защитных дверей зала и т.п., и в течение этого промежутка времени ускоритель находится также в режиме «холостого хода». Таким образом, потребитель должен оплачивать не только время самого облучения ИЭТ пучком, но и время «холостого хода» ускорителя, которое, как правило, превышает время самого тестирования.
Таким образом, проведение радиационного облучения ИЭТ на устройстве-прототипе по критерию стоимости является затратным и соизмеримым с испытаниями в естественных условиях на борту самолета или спутника, в высокогорной обсерватории и т.п.
Только при достижении предельного минимума времени на перестройку энергии протонного пучка и на замену объектов облучения можно сделать устройство для радиационного облучения с использованием синхроциклотрона соизмеримым по критерию стоимости испытания по сравнению с использованием ускорителей с регулируемой энергией протонов, которые используются за рубежом [4, 5, 6].
3. Устройство-прототип не может работать в on-line режиме. В прототипе результаты (параметры) радиационного облучения объекта записываются на видеопленку и просматриваются и обрабатываются после окончания облучения и вне места облучения.
4. В устройстве-прототипе проводится облучение только при фиксированной температуре зала синхроциклотрона ~ 20°С, тогда как согласно стандартам [3] ИЭТ АКН должны испытываться в широком диапазоне температур. (Например, ИЭТ, находящиеся за бортом космической станции, работают при перепаде температур от солнечного освещения до космического холода в тени).
Задача изобретения - создание такого устройства для радиационного облучения на синхроциклотроне, которое обеспечивает облучение протонами с энергией всего спектра атмосферного излучения от 0 до 1000 МэВ при разных температурах в режиме экспресс-облучения большого количества объектов при минимизации энергозатрат.
Технический результат заключается в реализации данной задачи, то есть в обеспечении условий экспресс-облучения ИЭТ авиакосмического назначения с использованием синхроциклотрона в соответствии с критериями международного и РФ стандартов и в удешевлении и упрощении процедуры тестирования ИЭТ на протонном пучке синхроциклотрона в широком диапазоне энергий.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для радиационного облучения электроники авиакосмического назначения протонами, содержащем синхроциклотрон, фокусирующие квадрупольные линзы, отклоняющий электромагнит с системами их электропитания и управления, мониторы с блоком тест-контроля протонного пучка и место для расположения объектов облучения с блоком для их тест-контроля, новым является то, что введен деградер выполненный из набора медных дисков, снабженный автоуправляемым электромеханизмом с блоком управления для установки любого количества этих дисков вдоль оси пучка, введена облучательная термокамера для размещения и закрепления в ней платы с набором облучаемых объектов (элементов интегральной электронной техники авиа-космического назначения), введен блок климат-контроля, выход которого подключен к облучательной термокамере, а сама облучательная термокамера расположена на подвижной платформе с автоуправляемыми электромеханизмами и блоком управления движением платформы, обеспечивающим перемещение платформы вдоль двух осей, перпендикулярных оси протонного пучка, и введен аппаратно-программный комплекс работы устройства, вход которого подключен к компьютеру, а его выходы параллельно подключены: к входу блока управления механизмами деградера, к входу блока электропитания фокусирующих линз, к входу блока электропитания отклоняющего электромагнита, к входу блока тест-контроля параметров протонного пучка, к входу блока питания и управления электромеханизмами для движения платформы, к входу блока питания и тест-контроля облучаемых объектов, к входу блока климат-контроля термокамеры, а также подключены к входу пульта управления синхроциклотроном.
Сущность устройства поясняется Фиг. 1- 3.
На Фиг. 1 приведена конструктивная блок-схема предлагаемого устройства, где изображены:
1. Синхроциклотрон на энергию протонов 1000 М эВ.
1.1 Пульт синхроциклотрона.
2. Облучательная термокамера.
2.1 Объекты облучения - элементы ИЭТ АКН.
2.2 Плата с набором облучаемых объектов 2.1.
2.3 Блок климат-контроля в термокамере 2.
2.4 Блок тест-контроля облучаемых объектов (образцов ИЭТ АКН 2.1, расположенных на плате 2.2.).
3. Аппаратно-программный комплекс работы устройства.
4. Компьютер.
5. Блок электропитания фокусирующих квадрупольных линз 5.1÷5.3.
5.1÷5.3 Фокусирующие квадрупольные линзы.
6. Отклоняющий электромагнит.
6.1 Блок электропитания отклоняющего электромагнита 6.
7. Деградер (поглотитель энергии протонов).
7.1 Электромеханизм для установки медных дисков деградера 7.
7.2 Блок управления электромеханизмом 7.1 для деградера 7.
8. Стена радиационной защиты.
9. Коллиматор в защитной стене.
10. Блок тест-контроля параметров протонного пучка.
10.1-10.4 Мониторы - измерители параметров протонного пучка.
11. Подвижная платформа.
11.1-11.2 Электромеханизмы для движения платформы 11 вдоль осей Y и Z.
11.3 Блок управления электромеханизмами 11.1, 11.2 для движения
платформы 11.
12. Защитная стена.
13. Гаситель протонного пучка.
I. Зал синхроциклотрона.
II. Зал облучения.
III. Измерительный зал.
1
2
ОО - ось пучка до отклонения.
2
ООХ - ось пучка после отклонения.
OXYZ - неподвижная система координат:
2
у, z - координата объекта облучения 2.1 относительно оси ООХ.
ϕ - угол изменения оси протонного пучка.
На Фиг. 2 показан план расположения элементов предлагаемого устройства на синхроциклотроне 1000 МэВ ФГБУ ПИЯФ НИЦ КИ. На Фиг. 3 приведено «одно из окон» компьютерной программы для контроля и тестирования предлагаемого устройства, где изображено:
2
14. - поле 125×125 мм платы 2.2, расположенной в термокамере 2, Фиг. 1.
15. - автограф протонного пучка на входе в облучательную термокамеру 2.
16. - таблица задания координат у, z для последовательного облучения того или иного объекта облучения 2.1.
17. - нумерация дисков деградера для получения требуемой величины энергии протонного пучка.
18. - контроль температуры в термокамере 2.
19. - контроль за режимом форсированного изменения температуры в термокамере 2 от 20°С до 120°С за 400 сек.
1
2
Предлагаемое устройство Фиг. 1 состоит из основных частей: синхроциклотрона 1, используемого в качестве генератора протонного пучка и тракта транспортировки и формирования протонного пучка по оси ОООХ, облучательной термокамеры 2 с находящимися в ней объектами облучения (образцами ИЭТ АКН) и из аппаратно-программного комплекса работы устройства 3 с компьютером 4.
1
2
Между синхроциклотроном 1 и облучательной термокамерой 2 вдоль осей ОО2 и ООХ протонного пучка находится тракт транспортировки и формирование протонного пучка, который состоит из набора фокусирующих квадрупольных линз 5.1-5.3 и отклоняющего электромагнита 6, которые являются стандартными элементами электро-технического оборудования синхроциклотрона 1 и которые связаны с блоками для их управления и контроля: с блоком электропитания 5 для фокусирующих квадрупольных линз 5.1-5.3 и блоком электропитания 6.1 для отклоняющего электромагнита 6. Блоки адаптированы к управлению от ЭВМ. (Е.М. Иванов, Г.Ф. Михеев, В.Г. Муратов и др. «Автоматизированная система управления трактами транспортировки заряженных пучков синхроциклотрона 1000 МэВ ПИЯФ РАН» Препринт ПИЯФ-2010, N 2837, Гатчина 2010). [11].
1
2
1
2
В устройство введен автоуправляемый деградер (поглотитель энергии, замедлитель протонного пучка) 7, расположенный на оси пучка ОО. Так как по стандарту [3] при радиационном облучении требуется глубокое от 50 до 1000 МэВ, то есть практически 100% изменение энергии протонного пучка, то деградер 7 выполнен из набора медных дисков диаметром 80 мм разной толщины и снабжен программно-управляемым электромеханизмом 7.1 для установки этих дисков вдоль оси протонного пучка ОО. Установленная толщина набора дисков определяет величину энергии протонного пука, которая предварительно рассчитывается методом Монте-Карло и затем экспериментально уточняется путем прямого измерения энергии протонного пучка, прошедшего через деградер, «методом времени пролета». Шаг изменения энергии лучше 1% (Artamonov S.A., Ivanov Е.М., Ivanov N.A., Lebedeva J.S., Riabov G.A. "Numerical Simulation and Optimization of the Variable Energy 60-1000 MeV Proton at PNPI Synchrocyclotron For Testing the Radiation Resistance of Electronies", ISSN 1547-4771. Physics of Particles and Nuclei Letters, 2017. Vol. 14. No. I, pp.157-169. Pleiades Publishing Ltd, 2017) [12].
Отметим, что использование деградеров для изменения энергии протонного пучка синхроциклотрона известно и они применяются, в основном для регулировки энергии протонного пучка в протонной терапии при облучении протонами опухоли человека (О.В. Савченко. «Состояние и перспективы применения новых клинических методов диагностики и лечения раковых заболеваний на основе использования имеющихся в ОИЯИ пучков частиц ионов». Дубна, ОИЯИ, 1986 г.) [13].
1
2
Деградер 7 и его электромеханизм 7.1 подключены к блоку управления 7.2 и также адаптированы к работе от ЭВМ. Вдоль оси распространения пучка расположены мониторы 10.1-10.4, являющиеся измерителями параметров пучка (энергии, интенсивности, плотности, эмиттанса и др.). Все мониторы 10.1-10.4 подключены к единому блоку 10 для тест-контроля параметров протонного пучка. (Ось пучка ООнаходится в вакуумной трубе, которая на Фиг. 1 не показана).
1
2
Зал I, где расположены синхроциклотрон 1 и деградер 7, отделен от зала II, где расположена облучательная термокамера 2, стеной радиационной защиты 8. В стене 8 находится коллиматор 9, расположенный под углом ϕ относительно оси пучка ОО.
В устройство введена облучательная термокамера 2, расположенная на подвижной платформе 11, которая снабжена электромеханизмами 11.1 и 11.2 с блоком управления 11.3 для перемещения платформы 11 по двум осям Y, Z перпендикулярным оси ОХ протонного пучка.
Объекты облучения 2.1, состоящие из различных элементов ИЭТ АКН смонтированы на плате 2.2 и могут входить в ту или иную функциональную радиосхему, а сама плата 2.2 закрепляется в облучательной термокамере 2.
2
По существу, термокамера 2 и платформа 11 с механизмами ее перемещения 11.1 и 11.2 представляют собой устройство для автоматического позиционирования любого из объектов ИЭТ АКН - 2.1 точно по оси протонного пучка ОО для его радиационного облучения. Точность позиционирования ~ 0.1 мм. (Отметим, что в принципе объекты облучения могут быть закреплены неподвижно, а протонный пучок можно нацеливать на них, изменяя угол его оси при помощи двух отклоняющих электромагнитов. Однако, такой способ сложен, обладает меньшей точностью и требует дополнительного энергоемкого оборудования.)
Облучательная термокамера 2 подключена к блоку климат-контроля 2.3 для регулировки температуры в термокамере, а плата 2.2 с набором облучаемых элементов ИЭТ АКН 2.1 подключена к блоку 2.4 тест-контроля этой электроники. Передняя и задняя стенки облучательной термокамеры 2 имеют окна из алюминиевой фольги, «прозрачные» для прохождения протонного пучка, а температура в ней регулируется и контролируется блоком 2.3.
В устройство введен аппаратно-программный комплекс работы устройства 3, который связан с блоками электропитания и управления работой вышеперечисленных устройств, а именно: связан с блоком 7.2 управления электромеханизмом 7.1 для деградера 7, связан с блоком электропитания 5 для фокусирующих квадрупольных линз 5.1-5.3, связан с блоком электропитания 6.1 для отклоняющего электромагнита 6, связан с блоком 10 тест-контроля протонного пучка, связан с блоком 11.3 управления движением подвижной платформы 11, связан с блоком климат-контроля 2.3 для регулировки температуры в термокамере 2, связан с блоком 2.4 для тест-контроля объектов облучения ИЭТ АКН 2.1, расположенных на плате 2.2, связан с пультом 1.1 синхроциклотрона 1 и связан с компьютером 4.
Любой из объектов облучения (микросхема) 2.1 имеет свою координату yz относительно платы 2.2 и поэтому с помощью программно-управляемых электромеханизмов 11.1, 11.2 за счет перемещения платформы 11 и расположенной на ней облучательной термокамеры 2 может быть выставлен по оси пучка ОХ.
Конструктивное решение всех этих связей и блоков известно из технической литературы и может быть выполнено, например, с применением стандарта КАМАК, который широко используется в технике проведения экспериментов на ускорителях, а вся система управления устройством представляет собой многоуровневую АСУ. (Ю.Ф. Певчев, К.Г. Финогенов. «Автоматизация физического эксперимента», М. Энергоиздат, 1986). [14].
max
0
0
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Синхроциклотрон 1 настраивается на штатный режим работы с максимальной интенсивностью и энергией E=1000 МэВ. Вводится деградер 7 с набором медных дисков для получения необходимой энергии протонного пучка Е. С помощью аппаратно-программного комплекса 3 настраивается режим питания линз 5.1-5.3 и отклоняющего электромагнита 6 для транспортировки пучка с энергией Е до монитора 10.3. После настройки синхроциклотрон 1 переводится в режим «холостого хода», при котором протонный пучок отключается, а электромагнит синхроциклотрона 1 и все магнитные элементы тракта 5.1-5.3 и 6 остаются включенными. Персонал входит в зал II и устанавливает плату 2.2 с образцами ИЭТ АКН 2.1 в облучательную термокамеру 2, после чего покидает зал II и дает команду на тестирование.
Процесс радиационного облучения ЭКБ и контроля за надежностью проводится в режиме штатного функционирования облучаемых объектов в соответствии с программно-методическими требованиями международного и РФ стандартов, а сам процесс тестирования проходит в автоматическом режиме по нормативно-методическому алгоритму [3], заложенному в программу аппаратно-программного комплекса работы устройства 3. Например:
1. Задается очередность облучения объектов электроники 2.1.
2. Задаются параметры протонного пучка (контролируются мониторами 10.1-10.4.), задается температура в камере 2, задается время облучения.
min
3. Включается пучок с энергией E и производится последовательное облучение объектов 2.1, размещенных на плате 2.2, путем программно-автоматического перемещения платформы 11 при помощи электромеханизмов 11.1, 11.2. Так как каждый из облучаемых объектов 2.1 имеет свой порядковый номер и свои индивидуальные координаты y,z, то объекты последовательно перемещаются и занимают положение на оси пучка в точке О. Во время передвижения платформы 11 пучок синхроциклотрона 1 автоматически выключается.
min
4. Задается шаг увеличения энергии протонов ΔЕ. При этом автоматически уменьшается суммарная длина деградера 7 путем установки другого набора медных дисков с меньшей суммарной длиной и производится автоматическая перенастройка тракта всех магнитных элементов: линз 5.1-5.3 и отклоняющего электромагнита 6. Новые значения токов в этих элементах, соответствующие новой величине энергии E+ΔЕ, заранее табулированы и внесены в память аппаратно-программного комплекса 3.
min
5. Включается пучок и производится облучение объектов 2.1 согласно процедуре тестирования аналогичной пункту 3, но уже при другой энергии E+ΔЕ.
min
min
min
6. Процедура тестирования повторяется при последующих значениях энергии пучка E+2ΔЕ; E+3ΔЕ, … E+N ΔЕ=1000 МэВ.
В блоке 3 ведется протокол тестирования. Процедура дозиметрического сопровождения и радиационная обстановка в зале II контролируется на пульте 1.1 синхроциклотрона 1.
Естественно, что может быть реализован и любой другой алгоритм тестирования, например, определяется максимальная величина дозы облучения при заданной энергии, приводящая к повреждению ИЭТ АКН.
Еще раз отметим, что для радиационного облучения и испытаний ИЭТ авиа-космического назначения требуются специфические международно-стандартизованные условия и параметры протонного пучка, которые нельзя реализовать при обычном режиме эксплуатации синхроциклотрона. Поэтому в предлагаемом устройстве введены деградер и дополнительное оборудование (блоки), а так же функционально-конструктивные связи, реализующие необходимые параметры пучка и режимы тестирования.
Кроме того, так как синхроциклотрон как источник протонов является достаточно дорогостоящим оборудованием, то в предлагаемом устройстве введены дополнительные блоки и связи, реализующие процесс экспресс облучения объектов для минимизации времени проведения тестирования и, следовательно, финансовых затрат.
Перечислим кратко все особенности и преимущества предлагаемого устройства, выгодно отличающие его от прототипа и всех известных устройств. Основные преимущества это: реализация на синхроциклотроне необходимых международных и РФ стандартов и параметров протонного пучка для тестирования ИЭТ авиа-космического назначения и организация экспресс облучения на синхроциклотроне при минимизации времени на перестройку режимов облучения и смены образцов и, следовательно, при минимизации финансовых затрат.
Конкретно это заключается в том, что в предлагаемом устройстве:
- Введен автоматически перестраиваемый деградер для ~ 100% изменения энергии протонного пучка.
- Введена подвижная облучательная термокамера для автоматического позиционирования образцов ИЭТ АКН по оси протонного пучка и изменение температуры в ней.
- Введен аппаратно-программный комплекс работы устройства, обеспечивающий режимы работы синхроциклотрона и необходимые параметры и регулировку протонного пучка, что обеспечивает режим экспресс-облучения электроники при оптимизации стоимости эксплуатации устройства.
- Введенные в предлагаемое устройство новые блоки и связи между ними обеспечивают конструктивно-функциональное единство составных частей предлагаемого устройства и превращают его в полностью автоматизированное устройство для радиационного экспресс облучения и испытания надежности ИЭТ АКН к воздействию протонов в широком диапазоне энергий с использованием синхроциклотрона в режиме on-line.
Таким образом, по своему функциональному назначению и по существу предлагаемое устройство является полностью автоматизированным испытательным стендом для радиационного экспресс облучения ИЭТ АКН на протонном пучке синхроциклотрона и его преимущества выгодно отличают его от прототипа и всех известных аналогичных ему устройств.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания первого в РФ центра по радиационному облучению и испытанию надежности авиационно-космической электроники, работающей в жестких условиях космоса.
Предлагаемое устройство прошло испытания на синхроциклотроне СЦ-1000, который является базовой установкой в НИЦ КИ ПИЯФ.
Реальный план расположения элементов устройства в залах синхроциклотрона СЦ-1000 показан на Фиг. 2. Приведен масштаб и нумерация элементов, которая соответствует Фиг. 1. Блоки 3; 4; 2.3; 2.4 расположены вне зоны радиации в измерительном зале III, который отделен от радиоактивных зон I и II защитной стеной 12, в которой находится гаситель пучка 13. Все остальные элементы устройства находятся в радиационно-активных зонах I и П.
В таблице 1 приведены экспериментальные данные для установки в деградере необходимого набора дисков для получения заданной энергии протонов от 50 до 900 МэВ. Показаны необходимые для этого величины токов в магнитных элементах тракта и размеры автографа протонного пучка в мм на мониторе-профилометре 10.3. Из таблицы видно, что при любой заданной энергии протонного пучка его размеры на облучаемом объекте остаются практически одинаковыми. На Фиг. 3. приведено «одно из окон» компьютерной программы для контроля работы устройства.
1. А.И. Чумаков. Действие космической радиации на интегральные схемы, М. «Радио и связь», 2004.
2. Koons Н.С.et al. The impact of the space environment on space Systems, Aerospace technical Report TR-99 (1670), 1, 1999.
3. РД 134-0175-2009. Нормативный документ по стандартизации РКТ. Аппаратура радиоэлектронная бортовая космических аппаратов (зарегистрирован ЦКБС ФГУП ЦНИИ машиностроения 07.12.2009 за №19780).
4. The ICE House at Los Alamos Science Centr (on line). Available: http://lansce.lanl.gov/NS/instrument/ICEhouse/index.html.
5. E.W. Blackmore at all. Improved Capabilities for Proton and Neutron Irradiations at TRIUMF, IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Conference, Radiation Effects Data Workshop, Monterey, 2003, pp 149-155. Available: http://www.triumf.ca/pif-nif.
6. http://pif.web.psi.ch Paul Scherer Institut, CH-5232 Villigen PSI, Swizterland. To же: W.B. Fischer, Physica В 234-236, (1997) 1202-1208.
7. B.M. Абазов, Г.А. Андреев, A.H. Брагин и др. «Пучки нуклонов и мезонов фазотрона ОИЯИ для физических и прикладных исследований». Препринт ОИЯИ 9-90-289, Дубна, 1990.
8. Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики». Гатчина, 2012.
9. О.В. Савченко. «40 лет протонной терапии на синхроциклотроне и фазотроне лаборатории ядерных проблем объединенного института ядерных исследований». Препринт ОИЯИ Р9-2007-85, Дубна, 2007.
10. К.Н. Ермаков, Н.А. Иванов, О.В. Лобанов и др.
Экспериментальное исследование воздействия протонов на приборы с зарядовой связью. Письма ЖТФ, 2010, т. 36, вып. 13, с. 54-60.
Прототип
11. Е.М. Иванов, Г.Ф. Михеев, В.Г. Муратов и др. «Автоматизированная система управления трактами транспортировки заряженных пучков синхроциклотрона 1000 МэВ ПИЯФ РАН» Препринт ПИЯФ-2010, N 2837, Гатчина 2010.
12. Artamonov S.A., Ivanov Е.М., Ivanov N.A., Lebedeva J.S., Riabov G.A. "Numerical Simulation and Optimization of the Variable Energy 60-1000 MeV Proton at PNPI Synchrocyclotron For Testing the Radiation Resistance of Electronies", ISSN 1547-4771. Physics of Particles and Nuclei Letters, 2017. Vol. 14. No. I, pp. 157-169. Pleiades Publishing Ltd, 2017.
13. О.В. Савченко. «Состояние и перспективы применения новых клинических методов диагностики и лечения раковых заболеваний на основе использования имеющихся в ОИЯИ пучков частиц ионов». Дубна, ОИЯИ, 1986 г.
14. Ю.Ф. Певчев, К.Г. Финогенов. «Автоматизация физического эксперимента», М. Энергоиздат, 1986.