книги / Основы проектирования РЭС в жестких условиях эксплуатации
..pdfвыраженный участок насыщения.
На рис. 2.6 приведены зависимости потерь от длины волны
оптического излучения для |
разных доз. Анализ характеристик по |
казывает целесообразность |
использования в радиационно стойких |
ВССП более длинноволнового |
участка оптического диапазона. |
Необходимо отметить эффект просветлени.А под действием тем пературы и оптического излучения. Этот эффект обусловлен тем фактором» что электроны, находящиеся на глубоких уровнях лову шек, получая дополнительную энергию от фотонов проходящего по волокну оптического излучения» либо от фотонов решетки, пере ходят в зону проводимости и в дальнейшем рекомбинируют. Отжиг
световолокна при |
Т |
* 120°С приводит к снижению коэффициента |
|
затухания с 20 до 7 |
дБ/км (I часа). |
|
|
Нейтронное |
облучение приводит к большому |
, так как |
наряду с образованием центров окраски происходит генерация цен тров захвата частиц. Флюенс нейтронов 10*® - 10^*см“^ не при водит к изменению коэффициента преломления в стекловолокне.
Одним* из основных элементов оптического приемника являет ся фотодиод, имеющий по сравнению с другими полупроводниковыми приборами относительно большой активный объем. Это предопреде ляет его относительно высокую чувствительность к ионизирующему излучению. Кроме того, для обеспечения требуемой оптической чувствительности оптические приемники работают с высоким усиле нием. Совокупность этих факторов обуславливает возникновение шумового тока, подобного току дробового шума.
Использование лавинных фотодиодов нецелесообразно, поско льку в них с одинаковой эффективностью происходит усиление и сигнального, и шумового фототоков. Достоинства лавинного фото диода могут быть реализованы только при очень низких мощности.-, ионизирующего излучения. В этой ситуации р-«.'-п - фотодиоды позволяют получить эквивалентные характеристики, причем одно временно устраняются требования термокомпенсаши и высоковольт ного стабильного источника питания.
Для р-£ -п- фотодиода зависимость радиационно возбуждае мого тока от мощности дозы облучения описывается соотношением
|
2рр - € |
j |
где |
Jpp - величина тока; |
£> - заряд электрона; |
Sip ~ аффективная площадь фоточувствительной поверхности фото
диода; |
- постоянный коэффициент, |
характеризующий генерацию |
рццпцввно |
возбуждаемых носителей; W |
- ширина L -зоны в |
р- / -п - фотодиоде. |
|
Оценка влияния конструктивных данных фотодиода в соответ ствии с соотношением показывает, что для повышения стойкости к ионизирующему излучению целесообразно уменьшить глубину £ -зо
ны и размер активной поверхности фотодиода. Пределом в данном случае, очевидно, является диаметр используемого оптического волокна. В зависимости от исходных материалов фотодиода суще ствует также некоторое оптимальное значение глубины i -зоны,
которое для различных типов исходных материалов находится в пределах В-200 мкм.
2.5. 1нды отказов РЭС при воздействии на них ионизирующих излучений
Современные РЭС характеризуются широкой номенклатурой ис пользуемых устройств аналоговой техники (усилители различных диапазонов частот, перемножители сигналов, генераторы и т.д.),
цифровых схем |
(как на жесткой логике, так и микропроцессоров |
и микро-ЭВМ), |
аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразова |
телей, устройств функциональной электроники (элементы волокон ной оптики, оптоэлектроники и акустоэлектроники). Под действи ем ИИ в РЭС и их отдельных устройствах и элементах могут проя вляться процессы и эффекты, способные существенно изменять па раметры и характеристики аппаратуры. Несмотря на разнообразие радиационных эффектов все отказы РЭС, вызванные воздействием ИИ, можно разделить на две группы обратимые и необратимые.
Обратимые отказы носят временный характер и обусловлены переходными ионизациотами эффектами и нестабильными структур ными повреждениями в электрорадиоизделиях и материлах, входя-
щих в состав РЭС. К ним относятся кратковременное изменение уровня сигнала на выходе аналоговых схем (рис. 2.7а), ложное срабатывание ключевых элементов, изменение логического состо яния цифровых схем (триггеров, регистров, счетчиков и т.д.), единичные случайные сбои в запоминающих устройствах, импульс ное изменение входных токов и токов потребления (рис. 2.76) большинства электронных схем.
Отличительной особенностью обратимых отказов является способность самостоятельного возвращения аппаратуры в рабочее состояние по истечение определенного времени с момента воз действия импульса ИИ. Таким образом, основным параметром РЭС, характеризующим его поведение при воздействии импульса ИИ, является время потери работоспособности. Для различных клас сов аппаратуры это время может находиться в пределах 10"^
...10 с и более.
^<1 |
111 л /) / |
/1 л/ \1 |
|
Ч1и (J |
II1/1/1/ |
О) |
6) |
Рис. 2.7. Осциллограммы выходного напряжения (а) и тока потребления (б) усилителя промежуточной частоты
Необратимые отказы обусловлены постепенным накоплением ра диационных дефектов в материалах и электрорадиоизделиях, а так же изменением заряда в окисле МОП-структур и приборов. В резу льтате этих процессов выходные параметры РЭС претерпевают из менения, имеющие необратимый характер - уменьшается коэффиод- - ент усиления усилительных схем, изменяются выходные напряжения источников вторичного электропитания, происходит сдвиг уровней логических "0й и "I" в цифровых схемах и т.д. Восстановление работоспособности аппаратуры в случае необратимых отказов не
возможно без вмешательства человека, т.е. проведения ремонта. К этому виду отказов относятся также пробой входных и выходных пеней ГЭС при воздействии ЭМИ, а также потеря информации в пе репрограммируемых постоянных запоминающих устройствах, которая определяет алгоритм работы вычислительных комплексов.
Следует выделить группу вторичных необратимых отказов, которые могут развиваться в РЭС вследствие обратимых. К ним относятся выгорание металлизации при протекании больших импуль сных токов, оплавление кристаллов микросхем при эффекте "защел кивания" .
Основные виды отказов в материалах и электрорадиоизделиях, используемых в РЭС, вызванные воздействием ИИ, приведены в табл. 2.1,
Таблица 2.1
Отказы материалов и электрорадиоизделий,применяемых в РЭС, вызванные ИИ
!№ пп Наименование
I Пластмассы
2Электротехни ческие изде лия
Вид и величина |
Вид и краткая характе |
|||
воздейотвующего |
||||
ристика отказа |
||||
|
излучения |
|||
|
|
|||
Флюенс нейтронов |
Необратимый,изменение |
|||
|
- Ю 1Ь * Ю 18см‘2 |
химической природы.ве |
||
Поглощенная доза |
щества |
|||
гамма-излучения |
|
|||
|
.108 |
Ю 1град |
|
|
Импульс гамма-из |
Обратимый, ионизация |
|||
лучения мощностью |
молекул в момент воз |
|||
рг |
=109- Ю 12рад/с |
действия |
||
|
тс |
тр р |
Необратимый, ухудшение |
|
<ФП =10 |
4 Ю а о см |
|||
J)r |
= I0S 4 Ю ^ р а д |
износоустойчивости, |
||
' |
|
|
электрической прочно |
|
|
|
|
сти, возрастание пере |
|
|
|
|
ходного контактного |
|
|
|
|
сопротивления |
№№пп Наименование
3Ферромагнит ные изделия
4 Резисторы
5 Конденсаторы
бЭлектронно
вакуумные
приборы
Вид и величина |
Вид и краткая характе- |
|
воздействующего |
оистика отказа |
|
излучения |
|
|
Q |
ТП |
Обратимый,временное |
Pj- = 10 +10 |
рад/с |
|
|
|
уменьшение сопротивле |
|
|
ния изоляции в момент |
|
|
и после воздействия |
Фп а 1018+1020 см 2 |
Необратимый, изменение |
|
J)^ я Ю ^ + Ю ^ р а д |
магнитной проницаемо |
|
|
|
сти |
Р^- = Ю ^ + Ю ^ р а д / с |
Обратимый, временное |
|
|
|
изменение магнитной |
|
|
проницаемости,разогрев |
вмомент воздействия
Ф„ = Ю 15+Х017см"£ Необратимый, изменение
J)f |
= Ю 9+ Ю**рад |
сопротивления |
|||
Р- = Ю ^ + Ю ^ £рад/с Обратимый,уменьшение |
|||||
|
|
|
|
сопротивления в момент 3 |
|
|
|
|
|
воздействия |
|
|
ТО |
+10 |
TQ О |
Необратимый,увеличение |
|
Ф р = 10 |
см |
||||
j)p |
» 107 |
+10II рад |
тока утечки и потерь |
||
|
Q |
ТО |
диэлектрике |
|
|
|
Обратимый, |
возрастание |
|||
Р_ я 10 +10 |
рад/с |
||||
|
|
|
|
тока утечки |
в момент |
|
|
|
|
воздействия |
|
»/7 |
'14+ Ю 15см~2 |
Необратимый,уменыпение |
|||
дГ |
Ю 7+ Ю ® |
рад |
крутизны, анодного тока |
||
|
Я |
то |
и тока эмиссии катода |
||
|
Обратимый, |
возрастание |
|||
|
I0°+I0iUрад/с |
рг
тока утечки между элек тродами в момент воз действия
Юг |
Наименование |
Вид и величина |
Вид и краткая характе |
|
лп |
воздействующего |
ристика отказа |
||
|
|
излучения |
|
|
7 |
Полупроводни |
Ф/7 - Ю 1^ Ю 15см“2 |
Необратимый,изменения |
|
|
ковые диоды |
iу |
« 10®*Ю® рад |
вольт-адаерной характе |
|
|
|
|
ристики в соответствии |
|
|
|
|
с рис. 2.1 |
|
|
?г |
« Ю 7 * Ю 9 |
Обратимый tвозникновение |
|
|
|
|
ионизационного тока |
|
|
|
|
в р-п переходе в момент |
|
|
|
|
воздействия____________ |
8 |
Транзисторы |
|
10^*10^см”2 |
Необратимый,уменьшение |
|
|
|
« I04-fI06 лад |
коэффициента передачи |
|
|
|
|
тока коллектора, воз |
|
|
|
|
растание коэффициента |
|
|
|
|
шума |
|
|
|
* Ю 5* Ю 8рад/с |
Обратимый,возникнове |
|
|
|
|
ние ионизационного фо |
|
|
|
|
тотока в момент воз |
|
|
|
|
действия |
9 Интегральные |
Ф„ • Ю П |
* Ю 14см“2 |
|
j) » Ю 4 |
* Ю 7 рад |
|
/э. =108*10*®рад/с |
Необратимый, деграда ция, основных электри ческих параметров
Обратимый, сбои в рабо те, ложные срабатывания, изменение величины и тформы выходного напря жения, увеличение вход ных токов и тока потре бления в момент воздей ствия, возникновение эффекта "защелкивания”
ДО ' |
Наименование |
Вид и величина |
Вид и краткая характе |
|
пп |
|
воздействующего |
ристика' отказа |
|
|
|
излучения |
|
|
|
|
|
Необратимый, |
выгорание |
|
|
|
металлизации, |
тепловой |
|
|
|
пробой при длительном |
|
|
|
|
нахождении микросхемы |
|
|
|
|
в "защелкнутом" состо |
|
|
|
|
янии |
|
10 |
Элементы |
Ю П *1013см"2 |
Необратимый,увеличение |
|
|
волоконной |
Jу - 10 *10 рад |
коэффициента затухания |
|
|
оптики |
|
оптического сигнала |
|
|
|
|
вследствие генерации |
|
|
|
|
центров окраски |
|
|
|
R* * 10^*10^3рад/с |
Обратимый, временное |
возрастание коэффициен та затухания оптическо го сигнала, люминесцен ция в момент воздейст вия
2.6. Воздействие электромагнитного импульса на РЭС
ЭМИ по характеру своего воздействия на РЭС представляет собой мощную импульсную помеху, которая, проникая в элементы РЭС, вызывает различные нарушения от временных сбоев в рабо те до полного разрушения.
Электрическое и магнитное поля ЭМИ, действуя на РЭС, мо гут вызывать нежелательные эффекты различных видов. Воздей ствие ЭМИ возможно как на наземные РЭС, так и на расположен ные в подземных сооружениях,.а также в летательных аппаратах- (самолетах, спутниках Земли). Это воздействие зависит от на пряженности созданных ЭМИ полей, специфики аппаратуры, ее рас-
положения относительно места взрыва,степени защищенности.* ЭМИ может воздействовать непосредственно на РЭС своими
полями, искажая или нарушая процессы, основанные на использо вании электрических и магнитных полей. В основном это относит ся к чувствительна! элементам, таким как датчики автоматиче ских систем, сигнализации, связи, технологических процессов.
При непосредственном воздействии ЭМИ на аппаратуру крити ческими элементами, приводящими к возникновению импульсных ЭДС и токов, являются тапке проводники, выводы, штыри, разъемы,ко
торые в данном случае могут |
быть |
псевдоантеннами. На |
этих |
||
элементах, размером |
..всего в несколько сантиметров, |
уже |
|||
могут эозникать под влиянием ЭМИ |
опасные |
напряжения (токи). |
|||
Если же радиоэлектронная аппаратура |
неавтономна, то |
есть |
имеет подключенные линии, по которда подводится (передается) инфориация и электроэнергия, опасность воздействия ЭМИ возра стает во много крат, так как на длинных линиях будет развива ться колоссальная индуцированная ЭДС. Эти опасные перенапря жения (токи) могут передаваться по линиям на большие расстоя ния, далеко за пределы района источника ЭМИ, где не действуют другие поражающие факторы ядерного взрыва / 127.
В полупроводниковых материалах сильное электрическое по ле способно изменять подвижность и время существования носи телей заряда. Под действием электрического поля возможно обра зование каналов проводимости в поверхностных слоях полупровод ников. Однако теоретический анализ и экспериментальные иссле дования показывают, что напряженность поля до 100 кВ/м не при водит к существенным изменениям параметров полупроводниковых материалов из-за изменения их проводимости.
В проводящих средах быстроменяющееся электрическое поле вызывает значительные токи.
Магнитное поле, непосредственно воздействующее на РЭС, может приводить в насыщенное состояние ферромагнитные сердеч-
л . тесамым изменяя параметры устройств, в которых эти -"гдечники используются.
•Пол^лпюводниковые приборы и интегральные микросхемы наи
более |
чувствительны к превышениям электрического режима, в том |
"че |
переходным процессам,вызываемым электромагнитным |
импульсом ядерного взрыва. Эта чувствительность обусловлена малыми размерами, а такие специфическими свойствами р-п-пере- ходов. Напряжения, вызываемые Э Ш , могут создать в р-п -пере ходе режим лавинного пробоя, при котором разовьется кратковре менный значительный ток. Так как постоянная времени для рас пространения тепла в полупроводниковых материалах велика по сравнении с длительностью Э Ш , то тепло не успевает рассеяться. Поэтому в области перехода может развиться температура, порядка температуры плавления материалов,я полупроводниковый прибор будет разрушен.
Полупроводниковые приборы под воздействием Э Ш могут быть выведены из строя также пробоем диэлектриков, плавлением
металлизирующих покрытий, дуговым разрядом между слоями метал лизации.
Электрическое поле .ЭМИ может вызывать образование-каналов проводимости и изменение проводимости в приповерхностных слоях полупроводниковых приборов, что приводит к омическому пунятированию р-п. переходов* отсутствию участка насыщения на обрат ной ветви водзт-аыпернвй характеристика ,уменьшению коэффициен та передачи тока базы транзисторов, повышению уровня шумов.
Считается, что чем выше коэффициент усиления транзисто ров, тем более они чувствительны к импульснш перенапряжениям.
Экспериментальные исследования показывают, что транзисто ры могут быть разрушены импульсной энергией 10“^...1СГ3 Да.
а это на несколько порядков больше той, которая может воздей ствовать на транзистор непосредственно полем Э Ш (из-за их ма
лых геометрических размеров}.
Магнитное поле заметно влияет на полупроводниковые прибо ры лишь при больших напряжениях. Так,например, коэффициент пе
редачи тока германиевых транзисторов изменяется в магнитном |
|
поле с напряженностью более 10^ А/м и практически не меняется |
|
у кремниевых транзисторов. Прямой |
ток кремниевых диодов начи |
нает изменяться при напряженности |
магнитного поля в 5*10“ А/м» |
и германиевых при 10° А/м.
Уровни энергии, приводящие к повреждению элементов ?ЗС,
приведены в таблице 2.2.
Резистора также подвержены влиянию Э Ш , но их стойкость
электромагнитным полям значительно выше, чем у полупроводни ковых приборов. Однако и они выходят из строя под действием импульсных напряжений, возникающих при ЭМИ: увеличиваются утечки по поверхности, происходит изменение структуры материа ла, а следовательно и изменение номинальных характеристик,воз никают пробои. Пороговые значения перенапряжений зависят от типа резисторов. Наиболее устойчивыми к ЭМИ являются резисторы на металлической основе. Обычно импульсные напряжения, повреж дающие резисторы, исчисляются сотнями и тысячами вольт.
Конденсаторы под воздействием ЭМИ также претерпевают из менения: может возникнуть пробой, закорачивание обкладок, на рушение контакта между обкладками и выводами. Пробой при крат ковременных импульсных воздействиях возникает при напряжениях, превышающих пробивные напряжения по постоянному току.
Из всех видов конденсаторов наиболее чувствительны к ЭМИ электролитические конденсаторы. Некоторые из них, особенно с малыми номинальными напряжениями, выходят из строя при энергии, близкой к той, которая повреждает полупроводниковые приборы.
Унифицированные функциональные узлы современных РЭС (ми кросхемы, микропроцессоры и др.) под непосредственным'воздей ствием полей ЭМИ испытывают обратимые нарушения работоспособ ности при напряженности электрического поля более 20 кВ/м и магнитного более 100 А/м. Как правило, эти элементы РЭС изза небольших размеров собирают незначительную энергию ЭМИ fIC~^...IC“® Дж), что не приводит к тепловым и электрическим пробоям. При такой вводимой из поля ЭМИ энергии в устройствах возможно появление ложных или искаженных полезных сигналов, возникновение непредвиденных переключений и сбоев в дискрет ных схемах.
Однако унифицированные узлы РЭС очень чувствительны х пе ренапряжениям, которые могут попадать к ним с соединительных линий при воздействии ЭМИ. Как правило, эти узлы должны иметь защиту, предусматривающую ограничение напряжений, превышающих
1 0...20 £.
Электронно-вычислительные дискретные системы работают с использованием кратковременных импульсных сигналов и низких лстоговых напряжений, что делает их весьма чувствительными к