книги / Основы проектирования РЭС в жестких условиях эксплуатации

УДК 621.38:537.312

Мевис А.Ф., Успенский Е.С., Рощупкин Б.В. Основы проектирования РЭС в жестких условиях эксплуатации: Учеб.

Учебное пособие садержит теоретические материалы до основным разделам курса "Конструирование и использование

РЭС в жестких экспериментальных условиях". Рассматриваются вопросы создания РЭС способных работать в веских условиях эксплуатации.

Предназначено для студентов специальности 2303 и макет быть полезно для сзудеитов других специальностей при изучении курса "’Рряядяягягяя1 оборона", а также при дипломном проектировании.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Московского института ради «техники, электроники и автоматики.

Рецензенты: А.С.Назаров, Ю.С.Черновубев.

ISBN5 -23G-I209I-6 © Мввис А.Ф., Успенский Е.С., Рощупкин Б.В., 1992

эзвдение

Использование радиоэлектронных средств (РЭС) аа гваддаз-

ских и оборонных объектах выдвигает проблему обеспечения их безотказной работы в заданных условиях эксплуатации. Сложности проблемы возрастает как с увеличением количества внешних воз­ действующих факторов, так и с ужесточением требований по стопкости РЭС к ним. При этом в центре внимания оказывается вопро­ сы по обеспечению работоспособности РЭС в жестких условиях эксплуатации.

Под жесткими условиями эксплуатации понимают совокупность внешних факторов, которые могут воздействовать на объект в штатном режиме и в экспериментальных условиях,осиводят к спе­ цифическим последствиям, требуют применения специальных мер защите объекта. Такие условия характеризуются расширенный диа­ пазоном температур, влажности, механических воздействий,а так­ же наличием полей ионизирующих и электромагнитных излучений. Зоздействие механических и климатических факторов на РЭС изуче­ но достаточно хорошо,и имеется большой опыт по сохранения их работоспособности в этих условиях. 3 то же время вопросы ооеспечения радиационной и электромагнитной стойкости РЭС являютсл сравнительно мало изученными и требуют тщательной проработхи,

Успешное решение этих задач обуславливает необходимость изучения характеристик полей ионизирующих и электромагнитных излучений, которые могут воздействовать на объекты,содержащие РЭС, физических процессов взаимодействия этих излучений с ма­ териалами и комплектующими изделиями, поведения типовых схем л аппаратуры в целом в таких условиях, а также овладения специ­

альными схемотехническими, конструктивными и технологическими методами, которые позволяют уменьшить последствия таких воз­

и для описания воздействия излучений на объекты /\/.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА И СПОСОБЫ ЗАДАНИЯ ЖЕСТКИХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

1.1. Ионизирующие излучения космического пространства

Источниками ионизирующих излучений (ИИ) в околоземном пространстве являются галактические космические лучи, излуче­ ние Солниа, а также искусственные и естественные радиационные пояса Земли. 3 таблице I.I содержатся данные об уровнях ИИ, создаваемых этими источниками.

Галактические космические лучи образуются вне солнечной системы и состоят из протонов (~ 85%), ядер гелия ( ~ 10%), тяжелых ядер (•V I%), электронов (~1%) и рентгеновского и

-излучений. Это высокоэнергетичное излучение (10® ■» 102®зВ) с плотностью потока частиц I...5 см_2с~^. Из-за низкой плот­ ности потока галактические коомичвские лучи представляют сра­ внительно малую опасность для РЭС, но играют значительную роль в появлении единичных случайных сбоев, особенно в боль­ ших интегральных схемах (БИС) бортовых вычислительных комп­ лексов.

Солнечное излучение обусловлено вспышками, носит периоди­ ческий характер и состоит в основном из протонов, включая ядра гелия и более тяжелых элементов, а также электроны. Энер­ гия этих частиц достигает сотен МэВ.

Наибольшее влияние на работу бортовых РЭС оказывают есте­ ственные и искусственные радиационные пояса Земли (РПЗ).

Естественные РПЗ - это обширные области околоземного кос­ мического пространства (КП), в которых существуют интенсивные потоки элементарных частиц - электронов и протонов,обладающих высокой кинетической энергией. Внутренний РПЗ располагается на

РПЗ занимает область с высотньми границами от 10000 км до 60...

...85 тыс,км,содержит электроны (<f^I0 кэВ...5 МэВ) и протоны^ ( 6 до 60 МэВ) при плотности потока электронов 5,6*10® см*2с"

1.2. Радиационные поля ядерных энергетических установок

Ядерные реакторы» применяемые в качестве силовых и энер­ гетических установок, подразделяются на три вида: реакторы на быстрых, тепловых и промежуточных нейтронах. Эти группы реак­ торов отличаются друг от друга.соотношением содержащихся в них тяжелых ядер топлива и легких ядер замедлителя.

В реакторах на быстрых нейтронах отсутствует замедлитель, поэтому спектр излучения характеризуется наличием большого числа быстрых нейтронов. В реакторах на тепловых нейтронах имеется замедлитель, в котором быстрые нейтроны замедляются до тепловых. Реакторы на промежуточных нейтронах занимают среднее положение между реакторами на быстрых и тепловых нейтронах.

Состав излучения дцерных реакторов очень сложен: мгновен­ ные и запаздывающие нейтроны деления, Х' -‘Излучение, испу­ скаемое при делении, f ' -излучение радиоактивных продуктов деления и материалов элементов конструкции, -излучение и рентгеновские лучи. При рассмотрении потоков ионизирующих излу­ чений, которые могут воздействовать на радиоэлектронную аппаратуру, обычно пренебрегают действием jb -излучения и рентге­ новских лучей, в связи с наименьшей глубиной их проникновения

вматериал.

Взависимости от места расположения РЭС на объекте с ядернсй установкой их можно подразделить на три категории;

1. Аппаратура, находящаяся в активной зоне реактора (дат­

чики, термопары и т.д.).

2. Аппаратура, расположенная в реакторном отсеке (отдель­ ные блоки телевизионной и др. аппаратуры.

i. Аппаратура, размещенная в необитаемых и обитаемых от­ секах корабля, атомных подводных лодок, искусственных спутни­ ков Земли и т*д.

Плотности потоков нейтронов и мощности экспозиционных доз, которые могут воздействовать на аппаратуру, зависят от степени защищенности и расстояния от активной зоны до места размещения РЭС.

Примерные границы одинаковых уровней гамме- и нейтронных излучений в различных местах расположения РЭС приведены на рис. 1.1, 1.2 [ г ] . На этих рисунках сплошнш заполнением

обозначена зона реактора, двойной штриховкой - места располо­ жения защиты экранов, одинарной штриховкой - места возможного размещения РЭС, кривыми линиями и цифрами указаны разные уров­ ни излучений на различных расстояниях от ящерного реактора.

Рис. I.I. Примерные границы одинаковых уровней гамма- и нейтронных излучений на атомной подводной лодке типа "Наутилус":

I - плотность потока J 0 - К г ® 4 К г ° м ^ с 7-.., = Ю * 4 10® Р/с; 2,3,4,5,б - линии одина­ ковых уровней радиации на различных расстоя­

ниях от реакторов

Рис. 1.2. Примерные границы одинаковых уровней гамма-

- е -

На рис. 1.3 приведены плотности потоков нейтронов и мощности экспозиционных доз на различных расстояниях от неэкранированного ядерного генератора мощностью 30 кВт, установ­ ленного на космическом объекте .*

Рис. 1.3. Плотности потоков нейтронов и экспозиционных доз 'f ' -излучения, создаваемое ядерным реактором мощностью 30 кВт

При расчете уровней радиации, создаваемых радиоактивными источниками в различных средах и за различными преградами, необходимо учитывать эффекты поглощения и рассеяния -кван­ тов в веществе. Общая формула для расчета мощности экспозици­ онной дозы от точечного источника имеет вид

Следует также обметить, что аппаратура, обеспечивающая нормальную работу реактора, подвержена.воздействию повышенной температур! и влажности. В совокупности с Ий эти фактор! оказы­ вают существенное влияние на процессы старения РЭС и входящих = их состав электрорадиоизделий и материалов.

1.3. Ионизирующие и электромагнитные излучения ядерного взрыва

1.3Л . Ионизирующие излучения

На образование ИИ уходит около 19? энергии, выделяемой при ядерном взрыве. Приблизительно одна третья часть этой энер­

гии расходуется в виде мгновенного излучения. Спектрально-энер­ гетический состав образующихся излучений весьма сложен и зави­ сит от типа боеприпаса. На рис. 1.4 приведена диаграмма распре­ деления энергии между основными видами. ИИ.

Вследствие слабопроникающей способности бета- и альфачастицы практически не будут оказывать влияние на работу РЭС.

Гамма-излучение, образующееся в цепных реакциях деления и синтеза,принято называть .мгновенным гамма-излучением, гамма-

излучение, образованное в результате неупругого рассеяния и за­ хвата нейтронов окружающей среды - захватным, а гамма-излучение

радиоактивных ядер осколков деления - осколочным гамма-излуче­ нием.

Мгновенные гамма-кванты при распространении в атмосфере рассеиваются. В течение нескольких наносекунд с момента начала ЯВ мгновенные гамма-кванты достигают максимальной мощности до-

10-20 нс с длинным "хвостом”, образованным также захватными и осколочными квантами. Таким образом, мгновенное гамма-излуче­ ние является основным фактором, определяющим мощность дозы гамма-импульса ЯВ Д / .

Нейтроны, освобождающиеся при ЯВ в процессе деления и син­ теза, распространяются в пространстве со скоростью, зависящей от их энергии. Нейтроны по энергии подразделяют на тепловые

ства окружающей среды теряют свою энергию и превращаются снача­

(1,38 ЮА Е„//г Г ]

Все нейтроны, испускаемые в процессе синтеза, и свыше 90^ яейтоонов, испускаемых в процессе деления, освобождаются в мо­ мент начала взрыва через I мкс. Эти нейтроны называют мгновен­ ными, их максимальная плотность образуется за период 50...

...70 кс. Таким образом, ЯВ приводит к возникновению полей излучений, т.е. совокупности гамма-квантов и нейтронов в среде или в вакууме, характеризуемой распределением их в пространст­