Защитный экран от ионизирующего излучения для бортового комплекса оборудования
IONIZING RADIATION PROTECTIVE SCREEN FOR ONBOARD EQUIPMENT COMPLEX

Область техники
Предлагаемое изобретение относится к области радиационной защиты объектов, в частности к устройствам радиационной защиты различных видов электронных приборов летательных аппаратов, радиотехнического оборудования, и предназначено преимущественно для защиты элементной базы радиоэлектронной аппаратуры изделий военной техники.
Уровень техники
Современные электронные приборы, применяемые в составе авиационных, военных, ядерных комплексов, работают в жестких условиях эксплуатации, подвергаясь радиационным воздействиям естественного и искусственного происхождения. Во многих случаях отказы бортовых систем управления, навигации, телеметрии, связи и обработки информации в реальных условиях определяются радиационными эффектами в комплектующей электронной компонентной базе (ЭКБ). Наиболее слабым звеном, определяющим отказы электронных приборов, является современная ЭКБ микро-, опто-, полупроводниковой и твердотельной СВЧ-электроники. Безотказная работа информационных систем в условиях радиационных воздействий обеспечивается применением ЭКБ с эксплуатационными характеристиками, соответствующими заданным требованиям и моделям эксплуатации, выбором безопасных режимов работы и применением общесистемных методов защиты и парирования отказов.
Для повышения надежности работы и исключения отказов электронных приборов в условиях воздействия проникающей радиации на аппаратах используют стойкие к воздействию радиации компоненты или экранирование, обеспечивающие при минимальных габаритно-массовых характеристиках максимальный срок активного существования и надежность.
Наиболее эффективные способы снижения воздействия радиации заключаются в поглощении энергии излучения при прохождении через толщу какого-либо вещества. Для обеспечения защиты от ионизирующих излучений в настоящее время наиболее широко используются алюминиевые сплавы, легированные элементами с высоким атомным номером (лантаноидами и редкоземельными элементами), сплавы на основе тугоплавких и редкоземельных металлов и многослойные материалы.
В качестве аналога изобретения известно защитное покрытие элементов радиоэлектронной аппаратуры, известное из патента RU 2304557 С1 (кл. В82В 1/00, 20.08.2007 г.), размещаемое на подвергающихся воздействию ионизирующего излучения поверхностях данных элементов. Защитное покрытие выполнено в виде наноструктуры, которая включает совокупность атомов редкоземельных элементов, введенных в структуру армирующей атомно-молекулярной металлической матрицы, при этом наноструктура является либо составной частью защищаемой конструкции, либо образует ее защитный слой.
Известное из патента RU 2304557 С1 защитное покрытие обеспечивает защиту только от нейтронов и не защищает ни от какого другого вида излучения, а также не позволяет в достаточной мере снизить интенсивность случайных сбоев радиоэлектронной аппаратуры и сократить время перезагрузки, которая возникает при сбое в аппаратуре.
Из уровня техники известен патент RU 2530002 С2 (кл. G21F 1/10, 10.10.2014 г.), в котором раскрыты монолитные блоки из горячепрессованной смеси тетрагидридобората лития с мелкодисперсным полипропиленом (связующим агентом), армированные минеральным волокном, заключенные в полипропиленовую оболочку. Монолитные блоки являются фрагментами радиационно-защитного экрана, который применяется для радиационной защиты электронных приборов.
Заявленная в патенте RU 2530002 С2 композиция обеспечивает защиту от нейтронов и уменьшает образование гамма-квантов, но не приводит к их полному поглощению, из чего можно сделать вывод, что заявленный радиационно-защитный экран не выполняет функцию защиты от рентгеновского и γ-излучения.
В качестве аналога изобретения известен патент RU 2605696 С1 (кл. G21F 1/00, 27.12.2016 г.) в котором раскрыт радио-, радиационно-защитный материал на полимерной основе, содержащий сверхвысокомолекулярный полиэтилен с наночастицами вольфрама, карбида бора и технического углерода при следующем соотношении компонентов (% масс.):
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен
40-60
Вольфрам
18-20
Карбид бора
15-20
Технический углерод УМ-76
5-20
Изобретение может быть использовано для изготовления изделий, применяемых в средствах индивидуальной защиты медицинских и аварийно-спасательных служб, а также в авиакосмической, атомной отраслях промышленности и в медицине. Композит обеспечивает защиту от электромагнитного излучения сверхвысоких (СВЧ), крайне высоких (КВЧ) частот, электронов, протонов, нейтронов, рентгеновского и γ-излучений.
В данном патенте не раскрывается применение радио-, радиационно-защитного материала для защиты от радиационного воздействия электронной элементной базы бортового комплекса оборудования путем ее экранирования. Следовательно, технический результат, обусловленный именно экранировкой, данному патенту не присущ.
В качестве аналога изобретения известно радиационно-защитное покрытие радиоэлектронной аппаратуры, известное из патента RU 2605608 С1 (кл. G21F 1/12, 27.12.2016 г.). Радиационно-защитное покрытие, содержит переходный металл шестого периода Периодической системы химических элементов, постпереходный металл шестого периода Периодической системы химических элементов и/или лантаноид и поглощающее вещество, содержащее химический элемент с атомным номером меньшим, чем у упомянутых химических элементов, при этом оно состоит из множества чередующихся слоев из частиц по меньшей мере одного переходного металла шестого периода Периодической системы химических элементов, постпереходного металла шестого периода Периодической системы химических элементов и/или лантаноида и из упомянутого поглощающего вещества. В патенте раскрыто, что радиационно-защитное покрытие может образовывать корпус радиоэлектронный аппаратуры, который, по сути, выполняет роль защитного экрана.
Однако данное техническое решение не позволяет обеспечить при минимальных габаритно-массовых характеристиках оптимальную защиту элементной базы от ионизирующих излучений, а также существенно сократить количество сбоев радиоэлектронной аппаратуры изделия.
В качестве наиболее близкого аналога из уровня техники известен специальный экранирующий материал - блоки NEUTROSTOP («Нейтростоп»), раскрытый в рекламном буклете [Рекламный буклет компании KOPOS KOLIN, Экранирующие блоки NEUTROSTOP) - URL: http://www.kopos.ru/soubory/katalogy/neu_ru_stinici_tvarovky_neutrostop], выполненные из полиэтилена без примесей, либо с примесями бора (3,5%, 5%), либо лития (10%). Данные блоки эффективно ослабляют быстрые нейтроны, при этом они не ослабляют и не поглощают гамма- и рентгеновское излучение. Кроме того, не раскрыто, что блоки смогут существенно сократить количество сбоев радиоэлектронной аппаратуры изделия. Ввиду очень большого размера защитных модулей материал NEUTROSTOP не может быть применен в ограниченных условиях отсеков изделий.
Из уровня техники известно, что электронная компонентная база (ЭКБ) приборов бортового комплекса оборудования (БКО) наиболее подвержена нейтронному воздействию, которое является чрезвычайно опасным.
В результате воздействия проникающей радиации в ЭКБ появляется возможность кратковременной потери работоспособности, которая восстанавливается через время порядка нескольких миллисекунд (мс). Такого времени достаточно для сбоя в аппаратуре БКО изделия. Дополнительно в архитектуре приборов БКО используются специальные схемы, в которых предусматривается блокировка возникающих избыточных токов и напряжений или выключение схемы в момент нейтронного воздействия и восстановления работоспособности аппаратуры.
Таким образом, видно, что применяемое ЭКБ имеет ограничение по уровню бессбойной работы (УБР) при нейтронном воздействии. Восстановление работоспособности аппаратуры БКО (перезагрузка специального программного обеспечения приборов занимает десятки мс.) при движении изделия со сверхзвуковыми скоростями на определенной траектории может привести к потери изделия.
Целью настоящего изобретения является повышение надежности работы электронного оборудования изделия в условиях воздействия проникающей радиации путем создания защитного экрана для бортового комплекса оборудования, обеспечивающего при минимальных габаритно-массовых характеристиках максимальную защиту элементной базы от ионизирующего излучения.
Экранировка приведет к ослаблению нейтронного воздействия на электронную компонентную базу (ЭКБ) приборов и блоков входящих в БКО, что положительно скажется на сбое отказоустойчивости системы управления изделия при применении по назначению в условиях противодействии спецзарядами средств противоракетной обороны.
Техническим результатом, ожидаемым от использования предложенного технического решения, является ослабление проникающего нейтронного воздействия на бортовой комплекс оборудования (БКО), поглощение ионизирующего излучения (нейтронного, рентгеновского и γ-излучения) за счет синергетического эффекта, возникающего при использовании двухслойной структуры, а также существенное сокращение количества сбоев в аппаратуре БКО изделия и времени перезагрузки при применении.
Технический результат достигается тем, что защитный экран от ионизирующего излучения для бортового комплекса оборудования представляет собой двухслойную структуру, помещенную на наружную поверхность приборной рамы, располагающейся в приборном отсеке,
при этом внешний слой представляет собой поглощающий быстрые и тепловые нейтроны материал на основе полиэтилена с добавками аморфного бора,
а внутренний слой, представляет собой поглощающий рентгеновское и γ-излучение материал с матрицей на основе каучука и с порошкообразными наполнителями, такими как вольфрам и/или оксид висмута,
при этом толщина двухслойной структуры должна быть не менее 1 см.
Дополнительно внутренний слой и внешний слой смогут быть сконфигурированы как круговые цилиндры.
Подходящим материалом для матрицы внешнего слоя могут служить каучуки, например нитриловый, бутадиеновый, бутадиен-нитрильный, силоксановый, дивинилстирольный.
Нейтронное излучение, воздействуя на защитный экран для бортового комплекса оборудования, проникает через внешний слой, выполненный из материала на основе полиэтилена с добавками аморфного бора. В результате проникновения быстрые нейтроны вначале замедляются до тепловых путем их взаимодействия с водородом полиэтилена, а тепловые нейтроны, в свою очередь, поглощаются бором. При захвате нейтронов ядрами атомов бора происходит излучение быстрых фотонов гамма и рентгеновских лучей, которые поглощаются (экранируются) внутренним слоем, представляющим собой материал с матрицей на основе каучука и с порошкообразными наполнителями, такими как вольфрам и/или оксид висмута.
Варьирование значениями толщин внешнего и внутреннего слоев двухслойной структуры (а также и совокупной толщиной двухслойной структуры) позволяет достигнуть дополнительного технического результата, а именно вывести прибор в более оптимальный (щадящий) режим эксплуатации, что позволит применять электронную компонентную базу из другой (менее защищенной) группы стойкости.
Заявленный интервал толщины двухслойной структуры (не менее 1 см) позволяет достигнуть оптимального уровня эксплуатации бортовой аппаратуры без чрезмерного увеличения полной массы бортового комплекса оборудования, а также не нарушая массовые габариты приборов комплекса оборудования.
Защитный экран, изготовленный в соответствии с представленным выше решением, можно применять, практически, для защиты любых приборов, планируемых к эксплуатации в условиях повышенной радиации.