ЛАЗЕРНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ
LASER ACCELERATOR OF CHARGED PARTICLES FOR TESTING ELECTRONIC COMPONENT BASE

Изобретение относится к технике для исследования чувствительности интегральных схем к космическому излучению, а более конкретно, к испытаниям электронной компонентной базы (ЭКБ) на стойкость к воздействию одиночных заряженных частиц и может быть использовано, например, для испытаний ЭКБ на стойкость к воздействию одиночных заряженных частиц, а также для исследования процессов, происходящих при взаимодействии лазерного излучения высокой пиковой мощности с различными материалами. Устройство основано на ускорении заряженных частиц из лазерной плазмы и их применении для исследования стойкости ЭКБ к одиночным радиационным эффектам (ОРЭ).
Известен способ испытаний полупроводниковых БИС технологии КМОП/КНД на стойкость к эффектам одиночных сбоев от воздействия тяжелых заряженных частиц космического пространства, описанное в патенте РФ на изобретение №2495446, МПК G01G 31/28 под названием «БИС технологии КМОП/КНД на стойкость к эффектам единичных сбоев». Изобретение относится к способам испытаний полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию тяжелых заряженных частиц различных энергий космического пространства. К недостаткам данного технического решения следует отнести то, что используемый полуэмпирический коэффициент RDEF может вносить существенные погрешности при определении порогового значения линейных потерь энергии. Помимо этого, заявленный способ не позволяет оценить эффекты воздействия от протонов и электронов, которые также присутствуют в космическом пространстве.
Также известен способ тестирования компонентов и схем электронного оборудования к воздействию пучков частиц и фотонов с использованием ускорения плазмы, описанный в патенте US на изобретение №8947115, МПК G01R 31/28, H01L 21/66, опубл. 06.10.2011 г. Способ осуществляют с помощью устройства, содержащего лазерный источник с длительностью импульсов от нескольких наносекунд до нескольких фемтосекунд и с частотой повторения от одиночных импульсов до мегагерц, и с энергией от нескольких микроджоулей до килоджоулей, вакуумную мишенную камеру, оптическую фокусирующую систему, состоящую из не менее одного поворотного зеркала и параболического фокусирующего объектива, мишенного узла для позиционирования твердотельных мишеней, систему отклонения ионов, систему позиционирования интегральной схемы и систему питания и управления интегральной схемой, расположенной за пределами мишенной камеры.
Недостатки известного технического решения состоят в следующем:
- невозможно генерировать тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ);
- при облучении твердотельных мишеней мощным лазерным импульсом, ускорение происходит за счет электростатического поля, формируемого вблизи поверхности, и пучок ускоренных ионов образуется из частиц, находящихся в поверхностном слое мишени толщиной около 10 нм, содержащем большое количество углеводородных загрязнений (пары масел из вакуумных насосов, пары воды, содержащиеся в остаточном газе вакуумной камеры и др.), поэтому эффективно ускорить ТЗЧ способами лазерного ускорения без применения специальных способов очистки поверхности мишени не удается.
Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является устройство для испытания интегральных схем на стойкость к воздействию тяжелых заряженных частиц, описанное в патенте РФ на полезную модель №186479, МПК G01R 31/28, опубл. 22.01.2019 г., содержащий источник ультракоротких лазерных импульсов, вакуумную мишенную камеру, систему позиционирования испытываемых устройств, систему питания и управления испытываемыми устройствами, расположенные за пределами вакуумной мишенной камеры, внутри которой размещена оптическая фокусирующая система, состоящая из не менее одного поворотного зеркала и параболического фокусирующего объектива, мишенный узел для позиционирования мишеней, систему очистки твердотельных лазерных мишеней от поверхностных загрязнений, и систему отклонения заряженных частиц.
К недостаткам полезной модели следует отнести:
- отсутствие возможности проведения испытания ЭКБ на стойкость к воздействию высокоэнергетичных электронов;
- низкий контраст лазерных импульсов, что не позволяет ускорять протоны и ТЗЧ до высоких энергий;
- в известном техническом решении испытываемые устройства располагаются вблизи лазерной мишени, поэтому на их функционирование в процессе испытания может влиять импульс электромагнитного излучения, возникающий при взаимодействии мощного лазерного импульса с мишенью, поэтому в испытываемом устройстве могут возникать паразитные токи, препятствующие считыванию/записи данных.
Задачей данного изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик лазерного ускорителя, повышение эффективности ускорения протонов и тяжелых заряженных частиц, получение возможности ускорения пучков электронов для проведения испытаний ЭКБ, а также повышение надежности испытаний при сокращении времени испытаний, повышение точности испытаний ЭКБ.
Технический результат заключается в улучшении эксплуатационных характеристик устройства за счет оптимизации стоимости проведения испытаний, которая зависит от габаритов установки, потребляемой электрической мощности, количества обслуживающего персонала, времени, требуемого на проведение испытаний; повышении качества испытаний за счет снижения влияния паразитного импульса электромагнитного излучения, а также получение возможности проведения испытаний на нескольких типах заряженных частиц в течение короткого времени; повышении эффективности ускорения протонов и ТЗЧ, за счет использования системы контрастирования лазерных импульсов.
Это достигается тем, что лазерный ускоритель заряженных частиц для испытаний ЭКБ, содержащий источник ультракоротких лазерных импульсов, вакуумную мишенную камеру, систему отклонения заряженных частиц, систему позиционирования испытываемых устройств, систему питания и управления испытываемыми устройствами, расположенные за пределами вакуумной мишенной камеры, внутри которой размещены мишенный узел для позиционирования мишеней, система очистки твердотельных лазерных мишеней от поверхностных загрязнений, оптическая фокусирующая система, состоящая из не менее одного поворотного зеркала и параболического фокусирующего объектива, согласно изобретению, он снабжен системой контрастирования лазерных импульсов, отклоняющим зеркалом с дистанционным управлением, не менее чем двумя вакуумными мишенными камерами, в каждой из которых поворотные зеркала оптической фокусирующей системы выполнены с дистанционным управлением, оборудован не менее чем двумя камерами облучения испытываемых устройств, каждая из которых соединена с вакуумной мишенной камерой магнитной системой отклонения заряженных частиц и системой транспортировки заряженных частиц.
Кроме того, с целью получения пучков электронов, в качестве мишени мишенного узла использованы мишени, содержащие газовую среду.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».
Изобретение проиллюстрировано на чертеже, где представлено устройство в исполнении с двумя вакуумными мишенными камерами, в одной из которых использована твердотельная мишень, а во второй в качестве мишени использована струя газа, и введены следующие обозначения:
1 - лазер фемтосекундный с высокой частотой повторения лазерных импульсов;
2 - система контрастирования лазерного излучения;
3 - отклоняющее зеркало с дистанционным управлением;
4 - вакуумная мишенная камера;
5 - поворотное зеркало оптической фокусирующей системы;
6 - параболический фокусирующий объектив оптической фокусирующей системы;
7 - мишенный узел;
8 - система очистки твердотельных лазерных мишеней;
9 - магнитная система отклонения заряженных частиц;
10 - система транспортировки заряженных частиц;
11 -камера облучения испытываемых устройств;
12 - испытываемое устройство;
13 -система позиционирования испытываемых устройств;
14 - система питания и управления испытываемыми устройствами.
Лазерный ускоритель заряженных частиц для испытаний электронной компонентной базы на стойкость к воздействию отдельных заряженных частиц состоит из фемтосекундного высококонтрастного частотного лазера 1; на выходе компрессора лазерных импульсов лазера установлена система контрастирования лазерного излучения 2, которая обеспечивает удаление паразитных предымпульсов. Для быстрой смены типов генерируемых заряженных частиц требуются как минимум две вакуумные мишенные камеры 4, в каждой из которых реализуется своя схема облучения мишеней и, следовательно, возможно получение различных типов заряженных частиц или частиц одного типа с различной энергией и спектральным составом. Направление лазерного излучения в нужную вакуумную мишенную камеру 4 осуществляют посредством отклоняющего зеркала 3 с дистанционным управлением. Отклоняющее зеркало 3 позволяет менять условия лазер-плазменного взаимодействия в течение нескольких минут. В каждой из вакуумных мишенных камер 4 расположены мишенный узел 6, оптическая фокусирующая система, состоящая из не менее чем одного поворотного зеркала 5 и параболического фокусирующего объектива 6. В вакуумной мишенной камере 4 взаимодействия лазерного излучения с твердотельной мишенью установлена система очистки 8 твердотельных лазерных мишеней 7. Испытываемые устройства 12 размещают в отдельных вакуумных камерах облучения устройств 11 (либо непосредственно в вакуумных мишенных камерах 4), где реализуют их юстировку по отношению к пучку заряженных частиц посредством системы позиционирования 13 испытываемого устройства 12. Электропитание, считывание и запись данных в процессе исследования осуществляют с помощью системы питания и управления 14 испытываемыми устройствами 12. Для выделения узкой полосы из спектра заряженных частиц, транспортировки их в камеру облучения 11 и фокусировки на испытываемое устройство 12, на выходе соответствующей вакуумной мишенной камеры 4 (камер) установлены магнитная система отклонения 9, а также система транспортировки заряженных частиц 10.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Лазерный импульс, либо последовательность лазерных импульсов, сгенерированная фемтосекундным высококонтрастным Ti:Sa лазером 1, прошедший через систему контрастирования лазерных импульсов 2, направляют отклоняющим зеркалом с дистанционным управлением 3 в одну из вакуумных мишенных камер 4 и осуществляют его фокусировку на мишень посредством оптической фокусирующей системы, состоящей из не менее, чем одного поворотного зеркала 5 и параболического фокусирующего объектива 6. Мишень или набор мишеней закреплены в мишенном узле 7, который обеспечивает их перемещение относительно точки фокусировки лазерного излучения для настройки, а также для смены мишеней в промежутках времени между отдельными лазерными импульсами.
Для получения пучков протонов и тяжелых ионов чаще всего используют мишень, представляющую собой тонкую фольгу, состоящую частично, либо полностью, из металла с высоким атомным номером, а также другие возможные типы мишеней. При облучении твердотельных мишеней мощным лазерным импульсом, ускорение происходит за счет электростатического поля, формируемого вблизи поверхности. Пучок ускоренных ионов образуется из частиц, находящихся в поверхностном слое мишени толщиной около 10 нм. Как правило, этот слой имеет поверхностные загрязнения в виде оксидов, конденсированных паров воды и других соединений, состоящих из легких химических элементов. Эти загрязнения могут препятствовать ускорению тяжелых ионов. Для удаления поверхностных загрязнений применяют систему очистки мишеней 8, работающую по одному (или нескольким) из следующих принципов:
- абляция низкоинтенсивным лазерным импульсом;
- ионное травление;
- омический нагрев;
- нагрев непрерывным лазерным излучением.
Протоны и тяжелые ионы (ТЗЧ), эмитируемые из облученной лазерным импульсом мишени мишенного узла 7, попадают в магнитную систему отклонения заряженных частиц 9. В данной магнитной системе отклонения заряженных частиц 9 за счет действия магнитного поля происходит разделение частиц по отношению заряда к массе и энергии. Далее посредством системы транспортировки заряженных частиц 10 осуществляют перенос заряженных частиц в камеру облучения 11 испытываемых устройств 12, а также производят их фокусировку на испытываемое устройство 12.
Для генерации электронов в качестве мишени мишенного узла 7 можно применять струю газа, эмитируемую в вакуумную мишенную камеру 4 импульсным газовым клапаном, а также другие типы мишеней, содержащие газовую среду (пустотелые или газонаполненные капилляры, газовые ячейки), а также тонкие металлические фольги. Ускоренные электроны попадают в магнитную систему отклонения заряженных частиц 9, далее, посредством системы транспортировки заряженных частиц 10, их выводят в камеру облучения 11 испытываемых устройств 12. Если генерацию электронов в соответствующей вакуумной мишенной камере 4 реализуют за счет механизма кильватерного ускорения, тогда магнитная система отклонения заряженных частиц 8 не требуется, т.к. в этом случае спектр уже имеет квазимоноэнергетичный вид.
Внутри камер облучения 11 испытываемых устройств 12 расположена система позиционирования 13 испытываемых устройств 12. Электропитание и контроль, возникающих при облучении заряженными частицами радиационных эффектов, осуществляют посредством системы питания и управления 14 испытываемого устройства 12.
В качестве примера конкретного выполнения рассмотрим лазерный ускоритель заряженных частиц для испытаний электронной компонентной базы. Предлагаемое устройство было реализовано с использованием в одной из вакуумных мишенных камер 4 в качестве мишени мишенного узла 7 струи газа. Лазерный ускоритель заряженных частиц для испытаний ЭКБ содержит: фемтосекундный высоконтрасный частотный Ti:Sa лазер 1, систему контрастирования лазерных импульсов 2, отклоняющее дистанционно управляемое зеркало 3 (зеркало с многослойным интерференционным покрытием), две вакуумные мишенные камеры 4 с мишенными узлами 7. В одной из вакуумных мишенных камер 4 реализован механизм ускорения протонов из тонких фольг. В данной вакуумной мишенной камере 4 размещены: два поворотных зеркала 5 (зеркала с многослойным интерференционным покрытием), параболический фокусирующий объектив 6 (зеркало с многослойным покрытием, фокусное расстояние 160 мм), система очистки твердотельной лазерной мишени 8 (основанная на способе травления поверхности мишени ионным пучком). Мишень мишенного узла 7 представляет собой алюминиевую фольгу толщиной 6 мкм. Во второй вакуумной мишенной камере 4 реализован механизм ускорения электронов. Данная вакуумная мишенная камера 4 содержит: одно поворотное зеркало 5 (зеркало с многослойным интерференционным покрытием), параболический фокусирующий объектив 6 (зеркало с многослойным покрытием, фокусное расстояние 800 мм). Мишень мишенного узла 7 представляет собой струю газа (Не), эмитируемую в вакуумную мишенную камеру 4 импульсным газовым клапаном. Кроме этого, лазерный ускоритель заряженных частиц для испытаний ЭКБ содержит: магнитную систему отклонения заряженных частиц 9 (пара плоских постоянных магнитов из NdFeB), систему транспортировки заряженных частиц 10 (на основе квадрупольных магнитных линз), две камеры для облучения 11 исследуемых устройств 12 (большая интегральная схема), систему позиционирования 13 (на основе шаговых двигателей) испытываемых устройств 12, систему питания и управления испытываемыми устройствами 14 (источник питания и контроллер).
Изобретение основано на ускорении заряженных частиц из лазерной плазмы для проведения испытаний ЭКБ к одиночным радиационным эффектам (ОРЭ).
Для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных конструктивных решений и способность обеспечения достижения указанного технического результата.
Предложенное техническое решение позволило получить пучки заряженных частиц с широким распределением по энергиям. При этом варьирование условий облучения мишеней (толщина мишени, интенсивность лазерного излучения в фокусе и других) позволяет настраивать форму спектра пучков частиц, добиваясь его соответствия спектрам частиц космического пространства. Облучение испытываемых устройств пучками со спектрами, приближенными к спектрам частиц космического пространства позволяет снизить длительность испытаний.
Кроме того, данное техническое решение позволяет выделить узкую квазимоноэнергетичную часть из широкого спектра генерируемых заряженных частиц, а также осуществить их фокусировку на поверхность испытываемого устройства благодаря применению магнитной отклоняющей системы и системы транспортировки частиц.
Также лазерный ускоритель заряженных частиц для испытаний ЭКБ обеспечивает возможность проведения испытаний на нескольких типах заряженных частиц в течение короткого времени, таким образом, исключается необходимость в использовании нескольких моделирующих установок.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».