Geum.ru

Федеральное агентство по атомной энергии фгуп «цнииатоминформ» центр «атом-инновация» материалы инновационного форума росатома июнь, 2007 год москва партнеры форума

Вид материалаДокументы

Содержание


Стенд прямого контроля электронной аппаратуры при воздействии высокоэнергетических частиц космического пространства
Подобный материал:
1   ...   52   53   54   55   56   57   58   59   60

Стенд прямого контроля электронной аппаратуры при воздействии высокоэнергетических частиц космического пространства


Анашин В.С., ФГУП НИИ Космического Приборостроения

Шарков Б.Ю., Алексеев Н.Н., Титаренко Ю.Е., Батяев В.Ф., Тихонов Р.С., Боровлев С.П., Рогов В.И., Бутко М.А., Павлов В.К., Титаренко А.Ю., ФГУП ГНЦ РФ ИТЭФ

Емельянов В.В., ФГУП НИИ приборов

Зебрев Г.И., МИФИ

Кузнецов Н.В.,. ФГУП НИИЯФ МГУ

Проблема отказов элементов микроэлектроники, вызванных одиночными частицами спектра космических излучений, становится в последнее время доминирующей проблемой обеспечения надежности аппаратуры космических аппаратов [О. Максименко, Космическая безопасность начинается на Земле, mnauka.ru/rus/tec-2007-02_r.shtml].

Характеристики источников ионизирующих излучений космического пространства: внутренний и внешний радиационные пояса Земли (ЕРПЗ), солнечные (СКЛ) и галактические (ГКЛ) космические лучи достаточно хорошо изучены. Низкоэнергетические протоны в составе естественных радиационных поясов Земли обуславливают дозовые радиационные эффекты, которые приводят к параметрическим и функциональным отказам. Ионы и высокоэнергетические протоны в составе космических лучей, как солнечных, так и галактических, и высокоэнергетические протоны ЕРПЗ обуславливают одиночные радиационные эффекты, вызывающие обратимые (сбои) и необратимые (катастрофические) отказы. Анализ отказов показывает, что доля одиночных радиационных эффектов составляет 25-35% от их общего числа. С уменьшением проектных топологических норм электронной компонентной базы до субмикронных и наноуровней чувствительность ЭКБ к одиночным радиационным эффектам увеличивается, следовательно, создание испытательного стенда прямого контроля ЭКБ является крайне важной задачей. За рубежом вся ЭКБ космического назначения в обязательном порядке проходит сертификационные прямые испытания на воздействие отдельных высокоэнергетических частиц (протонов и ионов), вызывающие отказы, в специализированных центрах (в США их более 10, в Европе – более 4).

В нашей стране проблема проведения прямых испытаний электронной компонентной базы на одиночные отказы может эффективно решаться с использованием внешних протонных и тяжелоионных пучков, получаемых на уникальном тяжелоионном ускорительно-накопительном комплексе – ТераВаттный Накопитель (проект ТВН-ИТЭФ). В состав ускорительного комплекса входят:
  1. Внешнее кольцо У-10 для ускорения протонов и ионов до максимальной энергии;
  2. Внутреннее кольцо УК для предварительного ускорения ионов;
  3. Инжектор протонов И-2;
  4. Лазерный инжектор ионов И-3;
  5. Внешние пучки вывода протонов и ионов (БЭЗ – ядерная физика, облучения ЭКБ; корп. 120 физика высоких плотностей энергий, облучение ЭКБ; корп. 103 – протонная радиотерапия).

Введение в эксплуатацию лазерного инжектора ионов И-3 с СО2 лазерами мощностью 10 Дж и 100 Дж обеспечит возможность ускорения широкого спектра ионов. Кроме того, для создания испытательного стенда планируется создать специализированный транспортный канал, обеспечивающий вывод протонов и тяжелых ионов с следующими значениями основных параметров:
  • Энергия протонов: 10, 15, 20, 25, 35, 45, 55, 65, 75, 85, 100, 150, 200, 400МэВ;
  • Плотность потока протонов: 1·104, 5·104, 1·105, 5·105, 1·106, 5·106 p/c/см2 (для всех энергий) и 1·107 p/c/см2 (для энергий 10-100МэВ);
  • Энергия ионов (режим №1): 12C - 45 МэВ/А, 27Al - 70 МэВ/А, 56Fe - 90 МэВ/А, 120Sn - 120 МэВ/А, 209Bi -150 МэВ/А, 238U -150 МэВ/А;
  • Энергия ионов (режим №2): 12C – 18 МэВ/А, 27Al - 32 МэВ/А, 56Fe - 23 МэВ/А, 120Sn - 33 МэВ/А, 209Bi - 41 МэВ/А, 238U - 32 МэВ/А;
  • Плотность потока ионов: 1·102, 5·102, 1·103, 5·103, 1·104ион/c/см2.

Пучки с указанными параметрами будут формироваться путем перевода ускоренных частиц из кольца ускорителя в транспортный канал с помощью системы медленного вывода, обеспечивающей вывод частиц в диапазоне энергий от 25 МэВ/нуклон до 400 МэВ/нуклон и с интенсивностями ~1011частиц/сброс для протонов, и от ~104 до ~106 частиц/сброс для ионов. Энергия протонов менее 25 МэВ достигается за счет применения клинового тормозителя.

В состав транспортного канала входят следующие магнитные элементы, обеспечивающие «оптику» заряженных частиц: Q1, Q2, Q4, Q5 – квадрупольные линзы типа 20К100Б, назначение которых формирование I и II фокусов тракта (или дефокусировка I-го фокуса); Q3 – квадрупольная линза типа МЛ15; М1 и М2 - поворотные магниты типа СП12. Кроме того, транспортный канал будет модифицирован специализированными комплектами диагностического оборудования, необходимого для функционирования стенда:
    1. Аппаратура контроля исходного пучка (АКИП)
    2. Аппаратура манипулирования пучком (АМП)
    3. Аппаратура контроля действующего пучка (АКДП)
    4. Аппаратура манипулирования объектом (АМО)
    5. Аппаратура контроля электрических характеристик (АКЭХ)
    6. Аппаратура смены типа ионов (АСТИ)
    7. Аппаратура контроля вторичных факторов (АКВФ)
    8. Рабочее место оператора (РМО)
    9. Радиационная защита
    10. Оборудование для настройки аппаратуры.

Разрабатываемое методическое обеспечение регламентирует порядок проведения облучений и обеспечивает средства для выбора типа ионов, их энергий, углов падения пучка и интегральных потоков частиц для испытаний ЭКБ и модулей РЭА.

Структура методического обеспечения содержит:
  • Методику проведения испытаний ЭКБ на стойкость к одиночным радиационным эффектам;
  • Методику проведения испытаний модулей РЭА на стойкость к одиночным радиационным эффектам;
  • Методику обработки результатов испытаний ЭКБ и модулей РЭА на стойкость к одиночным радиационным эффектам.

Методика регламентирует и обеспечивает техническими средствами статистическую обработку результатов и аппроксимацию зависимостей от ЛПЭ ионов и энергий протонов сечений ОРЭ следующих типов:

одиночный мягкий сбой – SEU (single event upset);

одиночный тиристорный эффект («защелка») – SEL (single event latchup);

одиночная «транзисторная защелка»   SES (single event snapback);

одиночный «пережог» в мощных МОП и биполярных транзисторах – SEB(single event burnout);

одиночный пробой диэлектрика в мощных МОП транзисторах – SEGR (single event gate rupture);

одиночный пробой диэлектрика в DRAM и FPGA – SEGR;

микродозовый эффект   SHE (single hard errors);

одиночные сбои в конфигурационном ОЗУ ПЛИС.
  • Методику расчета вероятностей отказов и частот сбоев в ЭКБ и модулях РЭА по результатам их испытаний на стойкость к одиночным радиационным эффектам.

Моделирование эквивалентности радиационных условий в космическом аппарате и при облучении протонными и ионными пучками будет осуществляться с использованием программы COSRAD.

Испытательный стенд прямого контроля стойкости электронной компонентной базы (в части цифровых сверхбольших интегральных схем) к одиночным радиационным эффектам от воздействия естественных ионизирующих излучений космического пространства будет введен в эксплуатацию 2007-2009 гг. в рамках подпрограммы «Развитие электронной компонентной базы» Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база на 2007-2011 годы»