РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
План
Основные понятия и виды облучения
Влияние облучения на конструкционные материалы
Влияние ионизирующего облучения на резисторы
Влияние радиации на полупроводниковые диоды
Влияние радиации на транзисторы
Влияние радиации на коэффициентусиления
Влияние облучения на электровакуумные приборы иинтегральные схемы
Основные понятия и виды облучения
Конструирование РЭА, стойкой к ионизирующему облучению,предусматривает выбор материалов и элементной базы, а также конструктивныхрешений, уменьшающих влияние радиации.
Ионизирующей радиацией — называется облучение, обладающеесвойством проникать в толщу вещества и вызывать в нем ионизацию. Прирассмотрении воздействия радиации применяют следующие термины для основныххарактеристик радиации:
мощность потока и интегральный поток (при корпускулярномизлучении),
мощность дозы облучения и доза облучения (при гамма-излучении).
Мощность потока — измеряется количеством частиц, падающихперпендикулярно на площадку 1 см2 за все время облучения.
Интегральный поток — полный поток частиц, прошедших черезплощадку 1 см2 за все время облучения.
Мощность дозы — измеряется в рентгенах в секунду (Р/с).
Доза облучения — в рентгенах (Р).
Рентген (Р) — доза гамма — излучения при поглощении которогов 1 см3 сухого воздуха при t = 0 °C и нормальномдавлении образуются положительные и отрицательные заряды общей величиной в однуэлектрическую единицу каждого знака.
При дозе 1Р в одном грамме воздуха поглощается энергия 87*10-7Дж.
Воздействие радиации на вещество зависит от вида радиации,дозы (потока) облучения, мощности дозы (потока) облучения, распределения энергиирадиации по спектру, природы облучаемого вещества, окружающих условий (температуры,влажности и т.д.).
Облучение быстрыми нейтронами носит объемный характер ивызывает нарушение структуры вещества (смещение атомов в кристаллическойрешетке, образование примесей других элементов и, в частности, образованиерадиоактивных изотопов); ионизацию (в небольшой степени) вследствие выделенияиз атомов заряженных частиц.
Облучение быстрыми протонами является поверхностным ивызывает ионизацию и нарушение структуры вещества (в небольшой степени).
Воздействие гамма — лучей также имеет объемный характер. Подвлиянием гамма — излучения возникает сильная ионизация, явлениефотопроводимости, люминесценция, химические реакции, повышение температуры,изменение анизотропных свойств кристаллических веществ.
Облучение электронами (b- излучение) носит поверхностный характер и вызывает ионизацию, вторичнуюэмиссию, небольшие изменения в решетке вещества, жесткое рентгеновскоеоблучение.
Воздействие a — частици осколков ядер можно практически не учитывать вследствие малой длины пробега иповерхностного характера.
Воздействие излучения может вызывать обратимые, необратимыеили полупостоянные изменения в веществе.
Обратимые изменения возникают одновременно с началомоблучения и исчезают с прекращением облучения. Необратимые изменения наступаютпод воздействием определенной дозы облучения, не исчезают и не уменьшаютсяпосле прекращения облучения. Полупостоянные изменения начинаются при облучении,развиваются по мере увеличения дозы и исчезают через некоторое время послеокончания облучения.Влияние облучения на конструкционные материалы
На металлические конструкции ионизирующее облучение влияетслабо (мало). На свойства металлов оказывают влияние только нейтронные потокибольшой интенсивности более 1020 нейтр/см2. Прибомбардировке нейтронами может увеличиться временно прочность на разрыв,измениться текучесть и эластичность, повыситься удельное сопротивление (на 10 — 20%). В месте контакта металлов с органическими материалами может образоватьсяметаллоорганическое соединение.
Органические вещества весьма чувствительны к радиации. Воздействиеприводит к преобразованию молекул, сопровождающемуся химическими реакциями,вызывающими необратимые изменения природы вещества и его механических свойств. Преобразованиесопровождается выделением газов, которые в соединении с влагой образуюткислоты, оказывающие вредное влияние на изоляционные материалы. Большинствопластмасс получает механическое повреждение при дозах 107 — 108рад. Фенолформальдегид и метилметакрилат становятся хрупкими и деформируются. Полиэтилени полистирол — вначале увеличивается сопротивление разрыву и твердость, а затемони становятся хрупкими. Большинство пластмасс темнеет и обесцвечивается. Пропиткии изоляционные масла портятся, как и оргматериалы. Синтетический каучук икремнийорганическая резина твердеют при 108 рад, а натуральныйкаучук — при 109 рад. Бутиловый каучук превращается в клейкую массупри 108 рад. Изменение электрических свойств органических веществ (проводимость,диэлектрическая проницаемость, угол потерь) носит обратимый характер. Времявосстановления зависит от природы материала и условий облучения.
На неорганические вещества (материалы) радиация воздействуетменьше, чем на органические. При облучении нейтронами возможно объемноерасширение (1% при облучении потоком 1020 нейтр/см2). Кварци стекло теряют прозрачность при больших дозах.
Таблица 1
Характеристики радиационной стойкости материалов.Материал Допустимый поток нейтронного облучения, нейтр/см2 Допустимая доза гамма — облучения, Р Материалы с низкой радиационной стойкостью Ацетатцеллюлоза (бумага) 9*1014 — 2*1015 5*106 — 4*107 Оргстекло 1014 — 1015 1015
Фенольные смолы
(без наполнения) 7*1014 107 Полиамиды разные 4*1014 7*106 Поливинилхлорид 1015 106 Полиэтилен — терефталат 1015 107 Кремнийорганическое стекло 7*1013 — 3*1014 (1 — 5) *106 Материалы со средней радиационной стойкостью Фенольные смолы с органическими наполнителями 1016 108 Полиэтилен 1017 107 Стеклоткань 1016 108 Эпоксидные лаки - (5 — 10) *108 Нитролак - (5 — 7) *108 Материалы с высокой радиационной стойкостью Керамика (стеатит) 3*1020 5*1012 Стекло 1018 3*109 Кварц 1019 1010 Микамекс 1019 1011 Слюда 1018 1010 Полистирол 1,3*1019 5*109
Под допустимой дозой (потоком) понимается величина, прикоторой характеристики материала ухудшаются на 25%; допустимая дозаопределяется при помощи потока нейтронов и мощности дозы гамма — облучениясоответственно 1011 — 1012 нейтр/ (см2*с) и (106 — 107) Р/ с.Влияние ионизирующего облучения на резисторы
Следствием воздействия может быть пробой в связующих ипропитывающих изоляцию материалах, изменение свойств основного материаларезистора, появление проводимости из — за ионизации материала каркаса ипокрытия.
Величина и знак изменения сопротивления резистораопределяются основным материалом резистора, номинальной величинойсопротивления, размерами, величиной приложенного напряжения и особенностямитехнологии изготовления. Чем больше величина сопротивления, тем большиеобратимые изменения вызываются облучением; поэтому резисторы с сопротивлениемпорядка 109 Ом могут быть ненадежны.
Облучение резисторов потоком быстрых нейтронов вызывает какнеобратимые, так и обратимые изменения (в зависимости от величины потока), агамма — излучения — только обратимые изменения.
Таблица 2
Изменениеноминального сопротивления резисторов (%) при кратковременном воздействиинейтронного облучения.Тип резисторов Обратимые изменения Необратимые изменения Величина потока, нейтр/см2 107 109 1015 1018 Углеродистые композиционные постоянные — (2 ¸ 8) — (4 ¸ 10) 0 ¸ (-9) 0 ¸ (-11) переменные - - - 10 ¸ 30
Углеродистые пленочные
постоянные -1 ¸ (+2) -2 ¸ (+3) -0,2¸ (+1,5) -0,8 ¸ (+2) переменные - - - 15 Металлопленочные 0 ¸ (+1) 0 ¸ (+2) 0 ¸ (+0,4) 0 ¸ (+0,6) Проволочные 0 ¸ (+0,5) 0 ¸ 1,2 0 ¸ (+0,2) 0 ¸ (+0,4) Проволочные и ленточные переменные - - - 5
Таблица 3
Величинынейтронного потока при котором возникают необратимые изменения в резисторах икороткое замыкание, нейтр/см2Тип резисторов
Начало
изменений
Короткое
замыкание
Углеродистые композиционные
постоянные 1013 1019 переменные 1013 1019 Углеродистые пленочные постоянные 1013 109 переменные 1013 1019 Проволочные постоянные 1019 1020 Проволочные и ленточные переменные 1019 1020
/>
Рисунок 1 — Зависимость сопротивления тонкопленочных (1 — 3)и проволочных (4) резисторов от длительности гамма — облучения при общей дозе2*109 Р.
Импульсное (длительность импульса 0,1 мс) гамма — облучениедозой 103 Р при мощности дозы 107 Р/с в резисторахразличных номиналов вызывает обратимые изменения.
Таблица 4.Номинал, кОм Изменение величины сопротивления во время облучения в% 1 1 10 0,5 — 4 100 5 — 15 1000 30 — 75 10000 65 — 85
При малых дозах импульсного нейтронного и гамма облучения,воздействующих одновременно, изменение параметров резисторов разных типов носитобратимый характер (величина изменения определяется не конструкцией, аразмерами резисторов). Характеристики резисторов полностью восстанавливаютсячерез 1 — 5 мс после облучения.
4. Влияние ионизирующего облучения на конденсаторы
Ионизирующее облучение вызывает обратимое или необратимоеизменение емкости и обратимое изменение величины утечки и тангенса угла потерь.
Нейтронная радиация приводит к необратимым и обратимымизменениям характеристик конденсаторов, а гамма — облучение — в основном — кобратимым изменениям. Общей причиной этого является изменение электрическиххарактеристик диэлектрика (диэлектрической постоянной и сопротивления).
Кроме того происходит выделение газов при облучении вэлектролитических конденсаторах и конденсаторах с масляным заполнением, чтоможет привести к их разрушению.
Таблица 5.
Влияние радиации на конденсаторы.Вид конденсаторов Интенсивность суммарного нейтронного и g-излучения (нейтр/см2+ эрг/кал) Характер влияния радиации Керамические 1,3*108 + 2,5*1010 Обратимые изменения С на 4 — 19% Сегнетокерамические 1,0*1013 + 8,3*104
Токи утечки в обратном направлении
Обратимые изменения С Стеклоэмалевые 2,5*1017 + 6,1*1010 Изменение сопротивления изоляции на 2 — 3 порядка Слюдяные 1*1014 + 5,7*108 Необратимые изменения С (3,4*1012 … 2,5*1018) +
+ (5,7*108 … 4,4*1010) Необратимые изменения емкости от -10 до +3,0% Алюминиевые то же Необратимые изменения емкости от -6 до +65% 9*1016 + 0 Короткое замыкание
Сегнетокерамические конденсаторы подвергались импульсномуоблучению, остальные — непрерывному.Влияние радиации на полупроводниковые диоды
Воздействие радиации на полупроводниковый диод зависит оттого, какой эффект использован в качестве основы его работы, вида материала,удельного сопротивления его, а также конструктивных особенностей диода.
Германиевые диоды.
При облучении нейтронами проводимость диодов (плоскостных иточечных) в обратном направлении увеличивается, в прямом — уменьшается. Припотоках более 1013 нейтр/см2 выходят из строя, при — 1011нейтр/см2 — происходит значительное изменение характеристик. Притаких условиях облучения они могут работать в схемах, на работоспособностькоторых не сказывается существенно изменение характеристик проводимости диодовв обратном направлении.
При воздействии малых доз g- облучения (104 Р при мощности дозы 6*104 Р/ч) обратныйток плоскостных диодов возрастает на 10%, на такую же величину уменьшаетсяемкость p — nперехода, а также возникают фототоки. Через несколько дней после облученияпараметры восстанавливаются до первоначального уровня.
Кремниевые диоды.
Под воздействием нейтронной радиации проводимость точечно-контактныхдиодов уменьшается в прямом и обратном направлениях; у плоскостных диодовпроводимость в прямом направлении также уменьшается. Повреждение диодовобусловливается изменением характеристик проводимости в прямом направлении. Изменениехарактеристик тем больше, чем больше мощность потока. Доза 1012нейтр/см2 нейтронного облучения вызывает заметное изменениехарактеристик диода.
Диоды могут быть использованы при облучении нейтроннымпотоком 1013 — 1017 нейтр/см2, если изменениехарактеристик в прямом направлении не влияет на работу схемы.
Воздействие g — облучения(мощность дозы 106 Р/ч) вызывает обратимые изменения обратного тока,составляющие 10-8 А.
Характер воздействия облучения электронами и протонами нагерманиевые и кремниевые диоды аналогичен нейтронному.Влияние радиации на транзисторы
Воздействие быстрых нейтронов вызывает нарушениекристаллической решетки материала (основной эффект) и ионизацию (вторичныйэффект). Вследствие этого изменяются параметры полупроводниковых материалов — время жизни основных носителей (t),удельная проводимость (r), скоростьповерхностной рекомбинации дырок с электронами. Вследствие изменениявышеуказанных параметров уменьшается коэффициент усиления по току b0(a0),увеличивается обратный ток коллектора (Iк0),возрастают шумы транзистора. Изменение коэффициента усиления являетсянеобратимым, а изменения обратного тока могут быть обратимыми и необратимыми.
Протоны и электроны влияют на характеристики транзисторовтакже как и нейтронное облучение.Влияние радиации на коэффициент усиления
Максимальный интегральный поток частиц Ф, который можетвыдерживать транзистор для заданного изменения параметра b0, определяется из соотношения:
/>, (1)
где fа — граничнаячастота усиления по току в схеме с общей базой;
b0-коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (до начала облучения);
b0об — коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (после облучения);
к — постоянная, зависящая от типа транзистора (нейтр/с) /см2.
Таблица 6.
Значения коэффициента к.Материал Тип проводимости транзистора к Германий n p-n-p (4,2 ± 0,2) *107 Германий p n-p-n (1,8 ± 0,2) *107 Кремний n p-n-p (3,1 ± 0,4) *106 Кремний p n-p-n (4,6 ± 3,3) *106
Как видно из таблицы наибольшую радиационную стойкость имеютгерманиевые p-n-p транзисторы. Они при прочих равных условиях выдерживаютпоток быстрых нейтронов на 1 — 2 порядка больше, чем кремниевые. Ориентировочнодля оценки радиационной стойкости можно пользоваться диаграммой.Транзисторы База Кремниевые fа ¯
большой
толщины
средней
толщины тонкая Германиевые fа ¯
большой
толщины
средней
толщины тонкая 1010 1011 1012 1013
1014 нейтр
см2 2,5*105 2,5*106 2,5*107 2,5*108 2,5*109 Р /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Левые границы прямоугольников соответствуют тем значениямпотоков и доз, при которых становятся заметными необратимые изменения, а правыеграницы — значения потоков и доз, при которых характеристики транзисторовнаходятся на грани пригодности (в качестве критерия годности выбрано изменениекоэффициента усиления b0).
Предпочтение следует отдавать германиевым p-n-p транзисторам с высоким значением fа и малым b0для устройств, работающих в условиях ионизирующей радиации.
При радиации происходит в основном изменение кратковременноеIк0. Причинами изменения являются:
а) ионизация, создаваемая g- лучами, изменяющая поверхностные свойства полупроводника;
б) свойства материала корпуса, окружающего переход;
в) разрушения в полупроводниках, обусловленные нейтронами.
Ионизация, создаваемая радиацией, инжектирует избытокносителей в транзистор, вследствие чего возникают значительные шумы.
Например, облучении потоком g- лучей при мощности дозы 2*106 Р/ч приводит к возрастанию шумов на2 дб.
Шумы исчезают при выходе из поля излучения.
Влияние облучения на электровакуумные приборы и интегральныесхемы
На электровакуумные приборы излучение влияет слабо, пока непроизойдет разрушение стеклянного баллона. Фотоумножители и электроннолучевыетрубки повреждаются оптически, еще до полного отказа вследствие потемнениястекла колбы.
В настоящее время доказано, что радиационная стойкость ИС вметаллостеклянных корпусах сравнима с ЭВП.
8. Методы конструирования, направленные на уменьшениевлияния облучения на характеристики РЭА
При конструировании необходимо:
правильно подбирать и располагать элементы,
шире использовать керамические изоляторы в частяхпереключателей, разъемах, гнездах и т.д.,
применять стеклоткань и другие неорганические материалы дляманжет, кабельной изоляции и др.,
применение элементов из неорганических материалов, слюдяныхи керамических конденсаторов,
применять пленочные и металлопленочные сопротивления,
тщательно продумывать схему расположения, для уменьшениятоков утечки и пробоя,
экранировать наиболее чувствительные элементы,
правильно выбирать материалы деталей конструкции,
правильно выбирать полупроводниковые приборы.
Для защиты от g — лучейхорошо экранируют, защищают — свинец, уран, торий, висмут, вольфрам, золото,платина, ртуть и некоторые другие тяжелые материалы.
Для защиты от нейтронов применяют экраны из смеси легких итяжелых элементов (бетон с повышенным содержанием воды), бороль (сплав карбидабора с алюминием), литий, бериллий, железо, медь, вольфрам, висмут.