Ионизирующее излучение

Тема 5. Испытания на воздействие радиационных факторов

В процессе эксплуатации КЛА подвергаются воздействиям ионизирующих излучений. Ионизирующие излучения могут вызывать необратимые изменения свойств материалов КЛА и особенно электрических параметров приборов и изделий, содержащих электронные блоки.

По составу частиц ионизирующие излучения подразделяются на следующие основные виды: гамма-излучение (), нейтронное (), электронное (e) и протонное (p).

Кроме этих видов излучения, заметное влияние на материалы и изделия могут оказывать также альфа-частицы (), осколки деления и другие частицы, возникающие в ядерном реакторе КЛА, однако тяжелые частицы обладают очень малой проникающей способностью и на изделия действовать не будут. Действие других частиц (нейтронов, мезонов и др.) можно практически пренебречь из-за его крайне незначительного уровня.

Основными характеристиками ионизирующих излучений (см. табл. 1.) являются энергия частиц, выражаемая в электронвольтах (эВ), и плотность потока частиц, выражаемая числом частиц, проходящих через единицу площади в единицу времени. В настоящее время, как у нас, так и за рубежом в качестве меры плотности потока частиц принято использовать число частиц, проходящих через площадку в 1 за 1 сек.

В реальных условиях ионизирующие излучения имеют обычно сложное распределение частиц по энергиям – энергетический спектр. Уровень воздействия проникающей радиации зависит от времени воздействия излучения с данной плотностью потока на вещество и выражается числом частиц, прошедших через площадку в 1 за время облучения интегральным потоком .

Другими характеристиками воздействия на вещество излучения со сложным энергетическим спектром являются доза D и мощность дозы P. Доза излучения – количество энергии, переданной веществу излучением в расчете на единицу массы; мощность дозы – значение дозы, отнесенное к единице времени.

Действие ионизирующих излучений на материалы и изделия можно разделить на импульсное (протекающее очень короткое время) и непрерывное (длительное).

Между влиянием импульсной радиации и влиянием непрерывной радиации, действующей на объекты с ядерными энергетическими установками и космические объекты, существует большое различие.

Воздействие непрерывной проникающей радиации особенно сильно сказывается на электронике КЛА, Оно приводит к постепенному необратимому изменению электрических параметров приборов и изделий на борту КЛА, вызываемому в основном смещениями атомов, т.е. нарушениями в структуре материала, а также незначительным изменением химического состава (активацией).

Табл. 1 Основные характеристики радиоактивного излучения

Характеристика	Определяющее соотношение	Примечания
Кинематическая энергия радиоактивного излучения Е, эВ		Q – заряд частиц, Кл; U – разность потенциалов, В
Плотность потока частиц или квантов ,		- площадь поверхности,
Поток радиоактивных частиц или квантов Ф,		n – число частиц или квантов; t – время, с.
Поглощенная доза радиоактивного излучения D, Гр		m – масса облучаемого вещества, кг.
Мощность поглощенной дозы радиоактивного излучения Р, Гр/c		- увеличение поглощенной дозы за время
Экспозиционная доза рентгеновского и гамма-излучения (экспозиция)Кл/кг		Q – сумма электрических зарядов ионов, имеющих одинаковый знак и возникающих в воздухе, когда все электроны, освобож-денные с помощью квантов рен-тгеновского и гамма-излучений в элементарном объеме воздуха, полностью тормозятся, Кл; m – масса элементов объема воздуха, кг.
Мощность экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучений,		- увеличение экспозиционной дозы за время

Импульсная радиация, действующая короткое время (10^-7 – 10^-3 с) наряду с необратимыми изменением электрических параметров изделий электронной техники, создает очень большую плотность ионизации как в самих облучаемых изделиях, так и вокруг изделий (ионизация воздуха). Это, как правило, приводит к обратимому изменению электрических параметров изделий.

Поэтому при исследовании необратимых изменений электрических параметров материалов и изделий электронной техники изучается их зависимость от интегрального потока частиц или дозы облучения, а при исследовании обратимых изменений – их зависимость от плотности потока или мощности дозы.

Источниками космических излучений в околоземном пространстве являются:

- потоки космических лучей, включающие в себя первичное космическое (галактическое) излучение и космическое излучение Солнца, возникающее при интенсивных хромосферных вспышках на Солнце;

- радиационные пояса Земли (естественные и искусственные), расположенные на расстоянии от нескольких сот до нескольких десятков тысяч километров от поверхности Земли.

Первичные галактические лучи, движущиеся в межзвездном пространстве, представляют собой ядра различных химических элементов. В настоящее время состав частиц галактического излучения хорошо изучен. Основную часть излучения составляют протоны (около 85%), около 15% - ядра гелия (- частицы) и совсем небольшое число ядер более тяжелых элементов. Частицы галактических лучей обладают очень высокой энергией – от 10⁸ - 10⁹ эВ до 10¹⁹ – 10²⁰ эВ, но плотность потока этих лучей очень мала -1-2 с^-1см^-2, что будет составлять дозу облучения на объекте за год не более 10^-2 – 10^-1 Дж/кг (1-10 рад).

Солнечное космическое излучение наблюдается только в период солнечной активности (вспышки) и продолжается короткое время (до 4х суток). Оно состоит в основном из протонов (85%) и небольшого количества - частиц и ядер легких элементов и имеет энергию до 10⁸ эВ. Плотность потока протонов для больших вспышек равна примерно 10⁶ с^-1см^-2. За время солнечной вспышки, длительность которой составляет одни сутки, поток протонов с энергией более 30 МэВ достигает величины 10¹⁰с^-1, а поток протонов с энергией более 5 МэВ – величины 10¹¹с^-1. Максимально возможные годовые дозы для протонов солнечных космических излучений могут составлять величину порядка 10-10² Дж/кг (10³ – 10⁴ рад) на поверхности объекта и 1-10 Дж/кг (10² – 10³ рад) за слоем защиты 1 г/ см².

Радиационные пояса Земли делятся на естественные и искусственные. Искусственные радиационные пояса образуются в результате ядерных взрывов в верхних слоях атмосферы и имеют определенный период существования.

Естественный радиационный пояс Земли, в свою очередь, делится на внутренний и внешний. Внутренний радиационный пояс состоит главным образом из протонов с энергией примерно 1-700 МэВ. Расположен этот пояс на высоте 600 – 1500 км от поверхности Земли. Внешний радиационный пояс состоит из электронов с энергией примерно 0,1-5 МэВ, при этом большая часть электронов имеет энергию порядка сотен КэВ.

Состав, плотности потоков и энергетические спектры частиц в естественных радиационных поясах Земли зависят от временных вариаций, связанных в основном с процессами, происходящими на Солнце, при этом внутренний радиационный пояс мало подвержен временным изменениям, а внешний, наоборот, подвержен им сильно.

При определенных уровнях воздействий космических ионизирующих излучений на радиоэлектронное оборудование КЛА необходимо также учитывать степень его защищенности (обшивка аппарата, наличие экранов и т.д.), поскольку защита может не только служить для ослабления потоков частиц, но и являться генератором вторичных излучений, особенно при воздействии протонов с высокой энергией (более 50 МэВ).

В табл. 2 приведены ориентировочные данные о максимально возможных годовых экспозиционных дозах ионизирующих излучений (по поглощению в NaI) внутреннего и внешнего радиационных поясов Земли. Из таблицы видно, что электроны естественных радиационных поясов Земли будут вносить незначительный вклад в общую экспозиционную дозу за слоем защиты 1 г/см².

Таблица 2 Дозы ионизирующих излучений внутреннего и внешнего радиационных поясов Земли (для орбит Н = 100-500 км)

Радиационный пояс	Тип излучения	Энергия частиц, МэВ	Годовая экспозиционная доза излучения
Поверхностный слой	Слой в 1 г/см².
рад/год	Дж/(кг-год)	рад/год	Дж/(кг-год)
Внутренний	Протоны Электроны Тормозное излучение	0,001-700 <0,02-1 <0,02-1		-	-
Внешний	Электроны Тормозное излучение	0,02-5 0,02-5

Искусственный радиационный пояс в основном состоит из электронов, источником которых является β - распад осколков деления ядер, при этом каждый осколок деления в течение нескольких секунд испускает примерно один электрон, а в течение нескольких сотен секунд – три электрона.

Таким образом, радиационная обстановка на борту КЛА в околоземном пространстве будет определяться в основном протонами внутреннего радиационного пояса и электронами искусственного радиационного пояса Земли, характеристики которых приведены в сводной таблице 3.

Таблица 3. Характеристика радиационной обстановки при эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры КЛА и ее комплектующих элементов

Характер радиаци-онной обстановки	Тип излуче-ния	Обозна-чения	Энергия (спектр) МэВ	Поток частиц,	Плотность потока частиц, с^-1см^-2	Экспозиционная доза	Мощность экспозиционной дозы
Р	2,58 Кл/кг	Р/с	2,58 А/кг
Импуль-сное облучение	Нейтроны -кванты	n	0 - 14 0,1 - 10	-	-
Излучение ядерных энергетических установок	Нейтроны -кванты	n	0 - 14 0,1 - 10	-	-
Излучение естествен. и искусствен. Радиацион-ных поясов Земли	Протоны электроны	p e	0,001 - 700 0,02 - 5	- -	До - До