Ионизирующее излучение (И.И.)

Ионизирующее излучение – самый мощный фактор воздействия на электронную аппаратуру и человека.

Ионизирующее излучение – излучение, воздействие которого сопровождается образованием электрических зарядов разных знаков. Разновидности ионизирующего излучения приведены ниже (см. рис.18).

Ионизирующее излучение, воздействуя на среду, может вызвать так называемое вторичное излучение. Итак, излучение может быть первичным и вторичным. Наиболее мольными, обладающими наибольшими проникающими способностью, мало поглощающимися являются гамма – излучения и нейтронное излучение.

Радиоактивность – самопроизвольный распад атомов химических элементов, в результате которых выбрасываются a,b - частицы и g - излучение.

Космическое (галактическое) излучения и излучения Солнца в наземных условиях эффект воздействия небольшой.

Для искусственных источников присущи относительно небольшой эффект и разнообразие воздействующих факторов (например при взрыве атомной бомбы).

· Ударная волна

· Импульс светового излучения

· Все виды излучений

Ниже приводятся виды воздействий ионизирующего излучения.

Эффекты, обуславливаемый ионизирующим излучением (см. рис.19)

1.Ионизационный эффект – ионизация и возбуждение атомов вещества.

2.Радиационный эффект – изменение значений параметров под воздействием ионизирующего излучения.

3.Радиационный дефект –радиационный эффект проявляющийся в нарушении структуры вещества под воздействием ионизирующего излучения.Радиационный дефект бывает двух видов:

а) Обратимый радиационный дефект – радиационный дефект в веществе, исчезающий с прекращением ионизирующего излучения.

б) Необратимый радиационный дефект – радиационный дефект длительно сохраниющийся после прекращенияионизирующего излучения или не исчезающий.

Радиационный разогрев – радиационный дефект, проявляющийся в повышении температуры

	Ионизирующее излучение

Рис. 18

		Воздействие ионизирующего излучения.

Ионизационный эффект.

Необратимый радиационный дефект

Обратимый радиационный дефект.

Рис. 19.Эффекты

Основные колличественные характеристики ионизирующих излучений.

1) Интенсивность излучения измеряется в Вт/м² и соответствует количеству энергии перенесенной за 1 сек., через поверхность площадью 1м², расположенную перпендикулярно направлению распространения излучения [Э (Дж)/м²/сек.]

2) Интенсивность потока частиц характеризуется суммарным колличеством частиц, проходящих за 1 сек,через поверхность площадью 1м² расположенную перпендикулярно направлению распространения частиц (К/м²/см.).

3) Величина воздействия ионизирующего излучения на аппаратуру характеризуется дозой излучения, поглощенной аппаратурой и вычисляется как отношение колличества поглощенной энергии к массе (в килограммах) аппаратуры (при этом энергия частично отражается частично поглощается).

Основные характеристики стойкости аппаратуры к ионизирующим излучениям (И.И.).

Радиационная стойкость – свойство аппаратуры, отдельных элементов материалов и т.п. выполнять свои функции и сохранять значения параметров в пределах установленных норм во время действия (И.И.). Количественной оценкой радиационной стойкости является критерий радиационной стойкости

Критерий радиационной стойкости – предельное численное значение определяющего параметра радиационной стойкости.

Определяющий параметр – параметр, изменение значения которого при воздействии И.И. свыше некоторого определенного значения исключает возможность применения по назначению. Определяющие параметры свой для каждого типа изделия: уровень шумов, проводимость, ток утечки.

Влияние ионизирующих излучений на электронную элементную базу.

Влияние на резисторы осуществляется в виде:

1) Происходят обратимые и необратимые изменения значения сопротивления

2) Увеличивается уровень шумов резисторов

3) Ухудшается влагостойкость резисторов

Основная причина влияния ионизирующих излучений – резкое увеличение проводимости из-за ионизационных эффектов в материалах (резкое увеличение проводимости в среде окружающего резистор и материалах).

Гамма излучение вызывает в основном обратимые процессы. После окончания облучения исходное значение определяющегопараметра (например, сопротивления) восстанавливается менее чем через 2мсек.

Нейтронное излучение – может стать причиной ухудшения влагостойкости резисторов и обратимых либо необратимых изменениях их номиналов. Необратимые дефекты объясняются нарушением их структуры, материалов, нарушением защитных покрытий, опрессовки, резистивного слоя.

Устойчивость резонаторов к И.И

1. Наиболее устойчивы к ионизирующим излучениям

а) Бороуглеродистые резисторы (увеличение сопротивления на 20%, снижение влагостойкости в 2 раза);

б) Композиционные резисторы (собственные шумы увеличиваются в 2 раза, увеличение сопротивления до 10%)

Более устойчивы к ионизирующим излучениям пленочные углеродистые резисторы (постепенное увеличение сопротивления до 3,5% (0)).

а) Керамические и проволочные резисторы (необратимое увеличение сопротивления менее чем на 2% от исходной величины);

б) Тонкопленочные интегральные резисторы (без существенных изменений величины сопротивления).

Приемы снижения эффективности воздействия И.И.

1) Применять резисторы с номиналом не более 10 кОм.

2) Высокоомные резисторы защищать заливкой либо опресовкой эпоксидной смолой. Увеличение толщины защитного слоя в10 раз позволяет снизить нестабильность резистора в 6-8 раз.

3) Применять резисторы как можно меньших размеров.

Влияние на конденсаторы.

Влияние на И.И. осуществляется в виде:

1) Изменение параметров электрической прочности (рабочее напряжение, ТКЕ – температурный коэффициент).

2) Изменение сопротивления изоляции, определяющие ток утечки.

3) Изменение диэлектрических потерь (дополняющий угол сдвига фаз между векторами тока и напряжения) он определяет активную мощность выделяемую в конденсаторе.

Основные причины изменения параметров конденсатора.

Изменения в структуре диэлектрика, механическая деформация, ионизация диэлектрика и окружающей среды.

Гамма излучение и рентгеновское излучение вызывает обратимые радиационные дефекты.

Нейтронное излучение вызывает как обратимые так и необратимые радиационные дефекты.

Наибольшей стойкостью к И.И. обладают конденсаторы с неорганическим диэлектриком: керамикой, стекло эмалью, слюдой. Изменение параметров при облучении нейтронами не превышает долей или единиц процентов. Мене чем через два часа после окончания облучения параметры восстанавливаются для исходного значения. Плохой устойчивостью к И.И. обладают конденсаторы с органическим диэлектриком (бумага, полистирол, лавсан, ортопласт). При облучении сопротивление изоляции падает в 10-20 раз, увеличивается tgb, номинал ёмкости изменяется на единицы и десятки процентов

Электролитические конденсаторы при облучении претерпевают зачастую разгерметизацию из-за разложения электролита.

Из интегральных тонкоплёночных конденсаторов наиболее устойчивы к И.И. конденсаторы с диэлектриком на танталовой основе (Al₂O₃).

Воздействие И.И. на полупроводниковые приборы.

Полупроводниковые приборы, особенно низкочастотные транзисторы, являются, как правило, слабым местом электронной аппаратуры по отношению к И.И. В связи с этим оценка нижнего уровня радиационной стойкости аппаратуры определяется именно этим слабым местом. В особо ответственных случаях, когда обеспечение особо высокой стойкости аппаратуры к И.И. следует заменять полупроводниковые приборы элементами, имеющими более высокую радиационную стойкость, например, магнитные элементы, электронные лампы и т.п. Конечно, при этом аппаратура, возможно, будет иметь другиеэксплуатационные и технические характеристики.

Транзисторы

Основные явления, наблюдаемые при облучении И.И.

Деградация коэффициентов передачи по току и как следствие изменение вольтамперных характеристик, обусловленных возникновением деградации в полупроводниковом материале.

Биполярные транзисторы.

1) Обратимое возрастание токов I_ко из-за ионизационных эффектов

2) Возрастание тока базы и снижение коэффициента усиления по току

Наиболее устойчивыми к И.И. являются:

Высокочастотные транзисторы.

-большие трудности возникают с мощными транзисторами имеющими, как правило, невысокую радиационную стойкость.

Необходимо уменьшить коэффициент в отдельных каскадах вводя дополнительные каскады усиления, ввести в усилительные каскады обратную связь, повышая напряжение смещения с целью уменьшения чувствительности к увеличению токов утечки.

Униполярные транзисторы.

Транзисторы данного типа имеют гораздо меньшую радиационную стойкость чем биполярные транзисторы. Наиболее чувствительны к И.И.транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы).

Два вида воздействия на полупроводниковые приборы.

1) Ионизирующее действие – оно приводит к возникновению в объёме полупроводника избыточных зарядов, которые, двигаясь под действием градиентов концентрации электрических полей, создают фототоки. После окончания облучения фототоки пропадают, т.е. наблюдаются обратимые дефекты. Фототок – упорядоченное движение фотоэлектронов. Фотоэлектроны электроны, вылетающие из вещества при фотоэффекте.

2) Структурные нарушения, обусловленные взаимодействием И.И. с кристаллической решёткой полупроводника. Даже самые незначительные изменения (нарушения) кристаллической решётки вызывает значительные изменения параметров полупроводников, т.е. наблюдаются необратимые радиационные дефекты.

Полупроводниковые диоды.

Основные искажения:

1) Появление фототоков на один-два порядка больше рабочих токов.

2) Изменение сопротивления диода.

Германиевые диоды.

1) Нейтронное излучение вызывает измененные проводимости диодов. При этом в прямом направление проводимость уменьшается, в обратном увеличивается

2) Фотонное излучение вызывает возникновение фототоков, возрастание обратного тока, уменьшение ёмкости p-n перехода. Через несколько дней после прекращения облучения параметры диодов восстанавливаются.

Кремниевые диоды.

Нейтронное излучение.

а) Точечно-контактные типы диодов - уменьшается проводимость в прямом и обратном направлении

б) Плоскостные диоды - проводимость в прямом направлении уменьшается, в обратном направлении с увеличением И.И. в начале растёт, потом падает.

Сильное нейтронное излучение приводит к прекращению работы диодов.

Гамма излучение вызывает обратимые изменения вольтамперных характеристик.

Туннельные диоды.

Заметное изменение вольтамперных характеристик наблюдается при очень сильном нейтронном излучении. Туннельные диоды устойчивы к ионизирующим эффектам.

Интегральные диоды.

Более устойчивы к И.И. особенно высокочастотные диоды.

Интегральные схемы.

Действие И.И. проявляется в обратимых и необратимых изменениях параметров входящих в интегральные микросхемы элементов (резисторов, конденсаторов, транзисторов). Наиболее устойчивы к воздействию И.И. интегральные схемы на основе керамических элементов (керамические твёрдые схемы).

В связи с тем, что логические схемы, как правило менее чувствительны к изменениям коэффициента усиления транзистора по току и к изменению токов утечки переходов, чем линейные схемы, логические интегральные схемы, как правило, имеют большую радиационную стойкость.

Способы защиты от ионизирующего излучения.

Основные способы защиты аппаратуры от И.И. сводятся к экранированию. Для защиты от a и b излучений относительно тонкие металлические (стальные, алюминиевые, медные и др.) экраны снижают эффективность излучения на порядок. Например, стальной экран толщиной 1,5мм снижает эффективность a и b излучения более чем в 10 раз. Для защиты от гамма и нейтронного облучения тонкие металлические экраны негодны (например, стальной экран толщиной в15см снижает эффективность не более чем на порядок). Для защиты от этих излучений применяются массивные свинцовые, свинцово-графитные, свинцово- полиэтиленовые.

Воздействие солнечной радиации.

Основные составляющие воздействия:

1) Видимый свет;

2) Ультрафиолетовое излучение;

3) Инфракрасное излучение (тепло).

Видимый свет:

· химическое разложение некоторых видов пластмасс (например, хлориды);

· образование озона (окисляющее химическое воздействие).

Ультрафиолет:

· частичное разложение полимеров, содержащих хлор (полихлорвиниловая изоляция);

· ускоряет (является катализатором) реакции окисления полиэтилена, полистирола.

Инфракрасное излучение:

- увеличение температуры.

Механические воздействия.

Разновидностями механических воздействий являются:

1) Гармонические вибрации, основные параметры которых:

а) частота;

б) амплитуда;

в) продолжительность.

2) Ударные нагрузки, основные параметры которых:

а) длительность ударного импульса и его форма;

б) максимальное число одиночных ударов или их серий;

в) мгновенная скорость при ударе.

3) Линейные ускорения (инерционные воздействия) основные параметры которых:

а) величина ускорения;

б) длительность ускорения;

в) знак воздействия ускорения.

Ниже приводится краткое описание вышеперечисленных механических воздействий.

Вибрация – длительное знакопеременное колебание, воздействующее на конструкцию.

В чём проявляется вибрационное воздействие. Вибрация представляет собой возбужденные колебания, вынуждающие конструкцию колебаться с частотой вынуждающих колебаний. После прекращения вибрации конструкция некоторое время осуществляет колебания с собственной частотой. Максимальные механические перегрузки конструкция испытывает в том случае, когда частота вибрации совпадает с собственной частотой конструкции, то есть, наблюдается явление резонанса. В этом случае, например, появляются разрушения печатной платы, отдельных элементов на ней, отрыв паяных выводов элементов и проводов, проявляются усталостные явления и изнашивания.

Таким образом, проявление воздействия вибрации состоит в том, что конструкция в целом и каждая деталь, входящая в её состав, начинают совершать вынужденные колебания с частотой источника вибрации. Для каждой конструктивной единицы существует так называемая частота собственных колебаний. При совпадении собственной частоты колебаний и частоты источника вибрации (явление резонанса) происходит наибольшее разрушение конструкции.

Различают два понятия:

· виброустойчивость;

· вибропрочность.

Виброустойчивость - способность конструкции нормально функционировать в условиях воздействия вибрации.

Вибропрочность - способность конструкции противостоять разрушающему воздействию вибрации, выдержать её и нормально функционировать после устранения вибрации.

Удар – кратковременное механическое воздействие, длительность которого примерно равна двойному времени распространения ударной волны через объект подвергшийся удару.

В чём выражается удар?

В момент удара происходит колебание системы на вынужденной частоте, определяемой длительностью удара, а после него на собственной частоте конструкции.

При ударе механическая энергия переходит вэнергию деформации, в тепло.

Механический удар возникает при изменении скорости тела за короткий промежуток времени, сопровождающийся полным или частичным переходом энергии запасённой телом в энергию деформации и тепло. Удар происходит при резком торможении или разгоне тела, например при падении прибора, при столкновениях.

При ударе на аппаратуру воздействуют силы. Возникают напряжения и упругие или остаточные деформации, которые часто приводят к разрушениям.

Напряжение и деформация распространяются в материалах изделий не мгновенно, а с некоторыми конечными скоростями. В связи с этим при ударе возникает сложное поле напряжений, изменяющихся и от точки к точке и от времени.

Интенсивность воздействия определяется ускорением, сообщаемым аппаратуре или значением силы, действующей при ударе и направлением и длительностью их воздействия.

Основные параметры удара:

а) максимальное количество ударов (серия ударов);

б) длительность ударного импульса;

в) форма ударного импульса;

г) мгновенная скорость при ударе.

Ускорение – механическая динамическая или статическая нагрузка на конструкцию. Ускорение проявляется при движении объекта с переменной скоростью (например, при разгоне или торможении, по криволинейной траектории – центробежное ускорение). Таким образом, следует различать линейное и центробежное ускорение.

Основные параметры ускорения:

· величина ускорения;

· длительность воздействия;

· знак воздействия.

Повреждения вызываемые механическими воздействиями.

1) нарушение герметичности из-за нарушения паяных, сварных и клеевых швов и появление трещин;

2) разрушение корпуса прибора и отдельных его частей вследствие механическогорезонанса или усталости (обрыв, отслоения, потрескивания);

3) обрыв монтажных связей (особенно печатных);

4) расслоение многослойных печатных плат;

5) отслоение печатных проводников;

6) растрескивание керамических подложек;

7) временный или окончательный выход из строя разъёмных и неразъёмных электрических контактов (в реле, соединителях, цепях заземления, экранирование и т.д.);

8) появление паразитных связей;

9) смещение положения органов настройки и управления;

10) выход из строя механических узлов (подшипников, зубчатых колёс, крепежа);

11) частичные обратимые или необратимые изменения параметров в полупроводниковых элементов из-за смещения энергетических уровней, изменение ширины зоны проводимости;

12) сбои цифровых устройств;

13) снижение точности работы;

14) повышение энергопотребления;

15) снижение чувствительности.

Основные методы защиты от механических воздействий.

1) уменьшение интенсивности источника механических воздействий;

2) виброизоляция;

а) демпфирование – поглощение механических колебаний за счёт трения в материале упругой опоры (резина, поролон, вибропоглощающее покрытие);

б) амортизация – поглощение механических воздействий за счёт применения механических колебательных устройств (пружин, гироскопов);

3) применение наиболее жёстких и прочных компонентов.