2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Список терминов, условных обозначений и сокращений......................5
Введение................................................................6
Глава 1. Ускорительный комплекс ПИЯФ...................................12
1.1. Синхроциклотрон ПИЯФ........................................12
1.1.1. Высокоэффективная система вывода......................14
1.1.2. Система временной растяжки пучка......................14
1.1.3. Импульсный однооборотный сброс пучка..................16
1.1.4. Система электростатической фокусировки в
центральной области.....................................16
1.2. Экспериментальный комплекс синхроциклотрона ПИЯФ............17
1.2.1. Основной протонный пучок..............................21
1.2.2. Второй выведенный протонный пучок.....................21
1.2.3. Протонный пучок с переменной энергией
от 200 МэВ до 900 МэВ...................................22
1.2.4. Вторичные пучки лир мезонов...........................22
1.3. Экспериментальные комплексы на синхроциклотроне ПИЯФ 24
1.3.1. Медицинский протонный комплекс........................24
1.3.2. Спектрометрический комплекс ИРИС......................25
1.3.3. Спектрометр ГНЕЙС.....................................26
1.4. Современный статус синхроциклотрона ПИЯФ....................28
1.5. Выводы......................................................31
Глава 2. Моделирование воздействия Тяжелых Заряженных
Частиц на ИПЭ................................................32
2.1. Моделирование воздействия ТЗЧ
импульсным лазерным излучением...............................32
2.2. Моделирование воздействия потоков ТЗЧ
на ИПЭ изотопными источниками................................34
2.3. Моделирование воздействия потоков ТЗЧ
на ИПЭ с использованием ускорителей..........................35
з
2.3.1. Ускорители тяжелых ионов................................35
2.3.2. Протонные ускорители....................................38
2.4. Требования к протонному пучку и установке
для облучения ЭКБ..............................................41
2.4.1. Требования к параметрам пучка...........................41
2.4.2. Требования к облучательной установке....................41
2.5. Выводы........................................................42
Глава 3. Протонные пучки для облучения ЭКБ
на синхроциклотроне ПИЯФ........................................42
3.1. Тракты транспортировки протонного пучка и расположение мест облучения ЭКБ......................................................42
3.2. Направление Р2. Описание элементов тракта транспортировки
протонного пучка...............................................43
3.2.1 Профилометры протонного пучка............................43
3.2.2. Коллиматор главного зала................................44
3.2.3. Коллиматор экспериментального зала......................45
3.2.4. Корректоры протонного пучка.............................46
3.2.5. Автоматизированная Система Управления и контроля
токов в магнитных элементах тракта......................46
3.3. Направление Р2. Формирование пучков для облучения ЭКБ.......48
3.3.1 Направлении Р2. Формирование узкого протонного пучка для облучения ЭКБ с использованием коллиматора экспериментального зала.....................'................48
3.3.1.1. Расчет влияния коллиматора на параметры протонного пучка........................................48
3.3.1.2. Оценка вклада нейтронной компоненты............52
3.3.1.3. Экспериментальное исследование параметров узкого протонного пучка для
облучения ЭКБ на направлении Р2.........................54
4
3.3.1.4. Мониторирование протонного пучка и абсолютная калибровка.............................................59
3.3.1.5. Приборное оснащение комплекса для
испытаний ЭКБ..................................60
3.3.2. Направлении Р2. Формирование широкого протонного пучка для облучения ЭКБ............................................62
3.4. Направление РЗ. Формирование протонного пучка с изменяемой энергией для облучения ЭКБ.........................................63
3.4.1. Описание тракта пучка с переменной энергией............64
3.4.2. Алгоритм расчета параметров пучка после
поглотителя..............................................66
3.4.3. Выбор длины поглотителя................................66
3.4.4. Расчет параметров пучка после поглотителя..............70
3.4.5. Оптика канала транспортировки..........................73
3.4.6. Экспериментальная настройка канала и результаты........78
3.5. Выводы.......................................................85
Глава 4. Нейтронный пучок для облучения ЭКБ на
синхроциклотроне ПИЯФ..........................................86
4.1. Введение в проблему..........................................86
4.2. Расчет спектра нейтронов.....................................93
4.3. Измерение спектра нейтронов..................................94
4.4 Выводы.......................................................103
Заключение.............................................................103
Список публикаций......................................................105
5
Список терминов, условных обозначений и сокращений
АСУ - автоматизированная система управления.
БИС - большая интегральная схема.
ГВЧ - генератор высокой частоты
ГНЕЙС - Гатчинский НЕЙтронный Спектрометр.
ИПЭ - интегральный полупроводниковый элемент.
ИРИС - Исследование Радиоактивных Изотопов на Синхроциклотроне. ИС - интегральная схема.
ЛПЭ - Линейная Передача Энергии.
МОП - металл-окисел-полупроводник.
ОЗУ - оперативное запоминающее устройство.
ПЗС - прибор с зарядовой связью.
СБИС - сверхбольшая интегральная схема.
ТЗЧ - тяжелые заряженные частицы.
ФЭУ - фотоэлектронный умножитель.
ЭКБ - электронная компонентная база.
СВМ - Compressed Baryonic Matter experiment pSR - muon spin rotation.
FAIR - Facility for Antiproton and Ion Research.
ONERA - L'OFFICE NATIONAL D’ETUDES ET DE RECHERCHES AEROSPATIALES.
PANDA - Proton ANtiproton DArmstadt experiment.
6
Введение.
Современный мир напрямую зависит от эффективной работы различных космических систем. Множество задач решаются сегодня с помощью средств космического базирования: прогноз погоды и разведка полезных ископаемых, мониторинг окружающей среды и развитие телекоммуникаций и телевидения, обеспечение обороноспособности страны и многое другое. Если первые космические аппараты успешно работали где-то в течение года, то в настоящее время стоит задача обеспечения сроков активного их функционирования в течение 7 10 лет и в перспективе 15 лет.
Совершенствование космической и авиационной техники в значительной степени обеспечивается широким применением изделий микро - и наноэлектроники. Одним из основных условий их успешного использования является способность длительное время надежно функционировать в радиационных полях космического пространства и верхних слоев атмосферы.
На современном этапе развития спутниковых систем остро стоит необходимость создания высоконадежной радиоэлектронной аппаратуры для автоматических космических аппаратов с длительным сроком активного существования, эксплуатируемой в условиях открытого космического пространства, с одновременным увеличением ее функциональных возможностей до 3-х раз, снижением массовых характеристик до 2-х раз и обеспечением радиационной стойкости радиоэлектронной аппаратуры. Это приводит к необходимости применения в радиоэлектронной аппаратуре функционально сложной электронной компонентной базы (ЭКБ) - больших и сверхбольших интегральных схем (БИС, СБИС) и мощных МОП транзисторов, а также электронных модулей на их основе. Указанная ЭКБ и модули являются весьма чувствительными к воздействию высокоэнергетичных протонов и тяжелых заряженных частиц космического пространства, которые могут вызывать одиночные сбои в их работе и катастрофические отказы, что в свою очередь приводит к аналогичным эффектам в радиоэлектронной аппаратуре
7
автоматических космических аппаратов, особенно в периоды повышенной солнечной активности.
Широкое применение полупроводниковых изделий микроэлектроники в качестве элементной базы космических электронных систем сделало актуальной задачу оценки и прогнозирования уровней отказов элементов и узлов к радиационным воздействиям космического пространства.
Требования проведения этих испытаний обусловлены тем обстоятельством, что в современных приборах, изготовляемых по микронной и субмикронной технологиям, возникли новые эффекты радиационного воздействия, связанные с ионизационными эффектами и структурными повреждениями изделий под действием отдельных высокоэнергетических частиц, так называемые единичные радиационные эффекты, или Single Event Effect (SEE). Единичные радиационные эффекты - это сбои (инверсии в ячейках памяти динамических и статических ОЗУ), тиристорные эффекты в паразитных биполярных структурах МОП интегральных схем, микродозовое поглощение в диэлектрических структурах МОП интегральных схем, изготовленных по технологиям менее 0,35 мкм, пробои подзатворного диэлектрика в мощных МОП транзисторах и др. Для различных изделий электронной техники оказались критичны случаи однократного выделения в их объеме больших величин энергии, в результате чего возможно резкое ухудшение параметров или полная потеря работоспособности элементов изделий.
Единичные эффекты возникают в интегральных полупроводниковых элементах (ИГ1Э) при воздействии на них высокоэнергетичных космических ионов, протонов, альфа частиц, нейтронов и некоторых других частиц. Воздействие тяжелых ионов, и в некоторых случаях альфа частиц, обусловлено прямыми ионизационными потерями энергии в чувствительных объемах ИПЭ.
В случае протонов и нейтронов, имеющих малые ионизационные потери в материале ИПЭ, единичные эффекты возникают из-за ионизационных потерь энергии вторичными тяжелыми ионами, которые образуются в результате
8
инициируемых протонами и нейтронами ядерных реакций, происходящих непосредственно в чувствительном объеме или рядом с ним.
В основе большинства единичных эффектов лежит эффект изменения состояния элементарных транзисторов и конденсаторов. Непосредственной причиной таких «сбоев» является накопление в критичной области изделия электрического заряда, способного перевести элементарный транзистор или конденсатор в противоположное состояние (из логического нуля в логическую единицу и наоборот, из включенного состояния в выключенное и наоборот, из заряженного состояния в разряженное и наоборот).
Обеспечение и прогнозирование радиационной стойкости интегральных схем осуществляется на основе требований соответствующих нормативнотехнических документов. Так, за рубежом этим целям служат стандарты США MIL-STD-883 и JEDEC89, а также Европейского космического агентства ESA7SSC Basic Specification. В России таким документом является Комплекс Государственных Военных Стандартов «Климат-7»1, предусматривающий испытания ЭКБ на воздействие спецфакторов открытого космического пространства, в том числе тяжелых заряженных частиц и высокоэнергетичных протонов.
Развитие отечественной электронной компонентной базы и обеспечение ее радиационной стойкости является приоритетной государственной задачей в соответствии с «Основами политики Российской Федерации в области развития электронной компонентной базы на период до 2010 года и дальнейшую перспективу», утвержденных Президентом Российской Федерации 12.04.2002 и Федеральной Целевой Программой «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008 - 2015 годы, утвержденной постановлением Правительства РФ № 809 от 26 ноября 2007 года.
В России отсутствуют специализированные установки для комплексных исследований радиационных эффектов ЭКБ в протонных, нейтронных и
1 (ГОСТ РВ 20.39.4....ГОСТ РВ 20.57.4...) - система стандартов России 1997-98 г. г. определяющих требования к военной технике (ГОСТ В 20.39) и методы испытаний на соответствие этим требованиям (ГОСТ В 20.57)
9
ионных пучках. Подобные исследования, как правило, проводятся в ядерных научных центрах на испытательных стендах, созданных на базовых экспериментальных установках.
Развитие радиационностойкой ЭКБ требует создания новых и развития действующих испытательных стендов.
Представляется своевременным инициирование работ по созданию и развитию Комплекса для испытаний ЭКБ на воздействие высокоэнергетичных протонов и нейтронов на базе синхроциклотрона ПИЯФ с энергией протонов 1000 МэВ.
Цели работы
• Создание протонных и нейтронного пучков, удовлетворяющих требованиям Российских и Международных стандартов для испытания ЭКБ.
• Экспериментальные исследования параметров созданных пучков.
• Создание аттестованных рабочих установок для радиационных испытаний ЭКБ и исследовательских работ.
• Создание комплекса для радиационных испытаний ЭКБ на синхроциклотроне ПИЯФ.
Научная новизна
• Создан стенд для радиационных испытаний ЭКБ на протонных пучках с энергиями от 200 МэВ до 1000 МэВ, оборудованный оригинальными системами диагностики.
• Предложена новая схема получения нейтронного пучка со спектром, повторяющим спектр атмосферных нейтронов. Данный нейтронный пучок является единственным в Европе. Новизна подтверждена Патентом [1].
• На базе синхроциклотрона ПИЯФ создан новый универсальный комплекс для радиационных испытаний Электронной Компонентной Базы в протонных и нейтронном пучках.
- Київ+380960830922