162

ния соединений, озонирования, ионизации и т.д. Поэтому необходимо проведение соответствующих работ для изучения влияния СВС КА на ЭРИ, применяемые в КА.

На основании изложенного целесообразно за основу при разработке модели воздействия климатических факторов на ЭРИ принять факторы и их значения, приведенные в табл. 42.

6.5РАДИАЦИОННЫЕ ВНЕШНИЕ ВОЗДЕЙСТВУЮЩИЕ ФАКТОРЫ

6.5.1 Излучения естественных радиационных поясов Земли

Радиационная обстановка в КП оказывает серьезное влияние на работоспособность БА КА. Она характеризуется проходящими и захваченными магнитным полем Земли заряженными частицами способными влиять на работу электроники. Радиационная обстановка внутри КА определяется прохождением частиц через его конструктивные элементы. Основное влияние радиации проявляется в деградации, связанной с выделением энергии в полупроводниковых материалах за счет суммарной ионизации с накоплением эффектов смещений в кристалле, а также в обратимых эффектах, проявляющихся в возникновении ионизационных треков в результате взаимодействия одиночных космических лучей или протонов высоких энергий [28, 58]. Прогнозирование радиационных дефектов будет оставаться одной из главных проблем особенно для КА со сроком активного функционирования 10-15 лет.

Следует отметить, что требования по стойкости к воздействию ИИ КП требуют уточнения [59]. Например, геостационарный спутник в дневные часы местного времени находится в области устойчивого захвата. В остальные часы траектория спутника лежит вблизи внешней границы радиационного пояса, либо в области квазизахваченной радиации. Для этих областей характерны значительные пространственно-временные вариации потоков и энергии частиц. Основными типам вариации частиц на геостационарной орбите являются [28]:

•долговременные, связанные с изменением фазы 11-летнего цикла солнечной активности;

163

•сезонные, связанные с изменением положения геомагнитных полюсов относительно Солнца при движении Земли по своей орбите;

•дневные, связанные с вращением Солнца вокруг своей оси;

•суточные, связанные с изменением местного магнитного времени объекта в несимметричной магнитосфере;

•вариации во время геомагнитных суббурь.

Из всех перечисленных типов вариации наиболее существенным являются

суточные вариации и вариации во время геомагнитных суббурь.

Изменение солнечной активности сказывается в основном через частоту и мощность геомагнитных возмущений, протекающих в магнитосфере Земли. В целом поток электронов на геостационарной орбите является функцией многих параметров, при этом однозначной количественной связи с этими параметрами пока не установлено. Поэтому появление потоков электронов носит вероятностный характер: чем выше поток и выше энергии, тем меньше вероятность наблюдения такого потока. Уровни воздействия электронного и протонного излучений естественных радиационных поясов Земли (ЕРПЗ) на ЭРИ и БА определяются при помощи аналитических соотношений, графического и табличного материала в зависимости от параметров траектории полета, степени защищенности и времени активного функционирования КА [60].

Существующие модели не в полной мере отражают радиационную обстановку. Уточнение реальных радиационных условий возможно только при проведении специальных натурных измерений.

Уровень поглощенной дозы прямо пропорционален уровню воздействующих факторов, времени функционирования КА на конкретной орбите и обратно пропорционален величине защиты конкретного ЭРИ. Для задания общих требований по РС для ЭРИ, эксплуатируемых в условиях космоса, необходимо сравнить уровни радиационных воздействий на ЭРИ для КА на различных орбитах. В табл. 44 приведены дозы для используемых в настоящее время орбит КА и групп ЭРИ по защищенности. Расчет доз проведен для величин защит, приве-

денных в табл. 33, срока эксплуатации 10 лет и телесного угла облучения 2π ср, как максимально возможного, по данным, приведенным в [60].

164

Таблица 44 Максимальный уровень поглощенных доз для ЭРИ в КА Величина поглощенной дозы, рад (Si)

В табл. 44 цветом выделены максимальные уровни ИИ за различными защитами на различных орбитах. Эти уровни и будут определять общие требования к ЭРИ. В табл. 45 приведены обобщенные максимальные требования к ЭРИ по стойкости к ИИ за 10 лет САС в телесном угле облучения 2π ср.

Таблица 45 Обобщенные требования к ЭРИ по стойкости к ИИ

Как уже отмечалось выше, к группе 1 относятся ЭРИ, монтируемые вне блоков БА (элементы БКС), а к группе 2 - ЭРИ, монтируемые внутри блоков БА (элементы БА). ЭРИ с уровнем стойкости, приведенным в табл. 45, обеспечат возможность создания КА с САС до 10-и лет на любой из эксплуатируемых орбит без применения специальных мер по защите ЭРИ. Это обеспечит возможность оптимизировать конструкцию КА, минимизировать его массу и с максимальной эффективностью использовать средства выведения КА на орбиту. Это

165

не означает, что не могут применяться ЭРИ с более низкой стойкостью. Ряд ЭРИ (ИС высокого уровня интеграции, КМОП микросхемы и т.д.) имеют низкую стойкость, определяемую физическими причинами. Это только означает, что для таких ЭРИ необходимо при проектировании БА обеспечить уровень ИИ, не превышающий их радиационную стойкость.

6.5.2 Воздействие одиночных частиц

С увеличением степени интеграции в микроэлектронике возник целый новый класс явлений, которые происходят при ионизации, создаваемой одиночной частицей высокой энергии. Воздействие такой частицы может явиться причиной переброса из одного логического состояния в другое в элементах полупроводниковой памяти. Было показано [61], что одиночные частицы могут вызывать защелкивание в КМОП - микросхемах, пробой в диэлектрике МНОП запоминающих устройств и выгорание мощных МОПТ. Эти эффекты являются результатом заряда, созданного при прохождении одиночной частицы через область полупроводникового прибора, чувствительного к такому заряду. Для большинства этих явлений отказ является функцией количества заряда, собранного в чувствительных узлах. Ионизационный трек от падающего тяжелого иона или от вторичной частицы, возникающей при ядерной реакции, имеет диаметр порядка 0,1 мкм. Количество заряда в треке на единицу длины называется линейной передачей энергии и является функцией типа частицы и энергии ее падения. Когда заряд, собранный в чувствительном узле, равен критическому заряду схемы или превышает его, может произойти переброс из одного логического состояния в другое

Физическая протяженность области существования заряда совсем мала (<0,01 мкм), проходящая частица влияет фактически только на один активный элемент. По этим причинам явление, вызываемое заряженной частицей, называется сбоем под воздействием одиночной частицы или одиночным сбоем. В последние годы за рубежом проблема одиночных сбоев была особенно неприятной для проектировщиков электронных устройств, а успехи технологий угрожают усугубить ее. При субмикронных размерах технологических элементов легче вызвать сбои в ячейках из-за более низкого значения их критического заряда.

166

Из приведенного ясно, что проблема одиночных сбоев существенна, но чтобы говорить о реакции конкретного элемента необходимо определить условия (требования) среды в которых элемент работает.

Излучения в околоземном космическом пространстве, ответственные за одиночные сбои, состоят из солнечной и галактической компонент [61]. Каждая из них содержит высокоэнергетические протоны и тяжелые ионы (тяжелыми считаются ионы любого элемента тяжелее гелия).

Солнечная компонента состоит из протонов солнечных вспышек и тяжелых солнечных ионов. В результате солнечных вспышек происходит выброс высокоэнергетичных частиц, состоящий преимущественно из протонов с небольшим содержанием альфа-частиц (5-10%), тяжелых ионов и электронов [62]. Содержание тяжелых ионов для разных вспышек может возрастать и стать, на период от нескольких часов до нескольких суток, на три или четыре порядка выше соответствующей величины для фонового излучения галактического происхождения. Галактические космические лучи состоят приблизительно из 85% протонов, 14% альфа-частиц и 1% тяжелых ядер. Для всех практических целей поток космических лучей может рассматриваться как всенаправленный, за исключением величин для самых низких орбит, где телесный угол, лежащий напротив Земли, определяет область, свободную от этих частиц.

Для оценки эффектов в электронике при воздействии одиночных частиц удобным параметром является линейная передача энергии в кремнии, определяемая как энергия, передаваемая на единице длины в активной области полупроводникового прибора и измеряемая в пКл/мкм или МэВ/(мг/см2), которая является функцией типа частицы и энергии ее падения.

Оценки приведенные в [63] для набора толщин экранов 0,01; 0,5; 1,0; 2,0; 2,5 г/см2 и орбит двух типов:

1) слабо защищенных геомагнитным полем Земли, к которым относятся орбиты со следующими координатами (высота и наклонение орбиты):

а) Н=36000 км, i=0° ,

б) Н=20000 км, i=65° ,

в) Н min=650-3000 км, Н max=40000км, i=65° .

167

2) умеренно защищенных геомагнитным полем Земли, к которым относятся орбиты со следующими координатами:

а) Н=1000 км, i=99,4° ,

б) Н=1500 км, i=82,5° .

показали, что на орбитах первого типа дифференциальные спектры ЛПЭ потоков ионов ГКЛ и СКЛ практически не отличаются от спектров за пределами магнитосферы Земли. На орбитах второго типа поток ионов уменьшается в 2,5 (±0,5) раза по сравнению с потоком ионов на орбитах первого типа, а вид спектра остается практически неизменным.

Для толщин защит 0,5-2,0 г/см2 (типовые защиты ЭРИ в аппаратуре) существует простая аппроксимация ЛПЭ (с точностью ~ 10%) в виде [63]:

F(L) = Fo (L/Lo)-γ ,где

F(L) - дифференциальный спектр ЛПЭ в кремнии, Частиц [м2 ср с МэВ/(г/см2)];

L - ЛПЭ иона в кремнии, МэВ/(г/см2);

Lo – критическое значение энерговыделения, МэВ/(г/см2); Fo, - коэффициент, [м2 ср с МэВ/(г/см2)]-1;

γ - коэффициент.

Причем спектр ЛПЭ зависит для ГКЛ от солнечной активности, а для СКЛ от мощности солнечной вспышки. Значения коэффициентов для ГКЛ приведены в табл. 46, а для СКЛ - в табл. 47

Таблица 46 Значение коэффициентов Fo и γ для ионов ГКЛ

Таблица 47 Значение коэффициентов Fo и γ для ионов СКЛ (Lo=1)

168

Поскольку однотипные ЭРИ и схемотехнические решения обычно применяются на КА различных типов, то для того, чтобы не ограничивать применяемость ЭРИ, целесообразно к ним предъявлять максимальные требования. Для ионов ГКЛ для периода минимума солнечной активности, а для ионов ГКЛ за защитой 1 г/см2 как типовой и минимально наиболее вероятной защитой. Следует, однако, заметить, что данные требования целесообразно предъявлять только к ИС повышенной степени интеграции (ИС памяти, микропроцессорным комплектам и т.д.) [58]. Необходимо учесть, что сбои в ЭРИ, вызванные заряженными частицами, есть физическая характеристика ЭРИ и предъявлять требования по бессбойности к ЭРИ нет смысла. Работоспособность БА должна быть обеспечена на схемном и программном уровнях. Несколько иное математическое представление уровней воздействия ГКЛ и СКЛ можно найти, например, в [64].

6.6МОДЕЛЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВВФ НА ЭРИ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫЕ В КА ДЛИТЕЛЬНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

На основе анализа представленных материалов модель ВВФ, для ЭРИ, применяемых в КА ДФ, в дополнение к гарантиям для ЭРИ с уровнем качества "ВП" и выше, с учетом классификации ВВФ, принятой в табл. 32, можно представить, в виде:

Таблица 48 Климатические факторы

Механические факторы Не предъявляются

Минимальная наработка В соответствии с ТЗ (100000 ÷150000 часов).

Модель, на соответствие которой должны оцениваться ЭРИ, применяемые в КА ДФ, с учетом гарантий ТУ на ЭРИ уровня качества "ВП" и выше должна содержать следующие ВВФ:

¾температуру посадочных мест ЭРИ и минимальное давление среды (для негерметичных КА);

¾температуру окружающей среды и давление среды заполнения (для герметичных КА);

¾уровни радиационных воздействий на ЭРИ.