По мотивам Инженерного подкаста узнали о методах защиты экстремальной электроники от радиации, ее стоимости и перспективах. Публикуем самое интересное!
Защита электроники от радиации
Может показаться, что самый простой метод защиты от радиации – это ориентационная защита, ограждение свинцом. Проблема заключается в том, что в толщине «свинцового ящика» будет огромное количество продуктов радиационного воздействия, которое в космосе намного интенсивнее радиации на Земле. Вследствие этих ядерных реакций возникают продукты, которые в свою очередь будут приводить к определенным каскадам реакций. Когда у нас, например, летит какой-нибудь электрон в космосе, он подлетает к кораблю и генерируется так называемое тормозное излучение.
Электрон тормозится в материалах, вследствие торможения тратит часть своей энергии на излучение. Это излучение приводит к разным типам взаимодействия излучения с веществом, но так или иначе все эти проблемы приводят к тому, что радиационную защиту из тяжелых элементов нельзя использовать.
Важно помнить, что при разговоре о космосе необходимо помнить о массе и габаритах конструкции, используемая защита должна состоять из более лёгких материалов. Например, используют пластики, полиэтилены, водородосодержащие соединения, внедряют алюминий. Все эти материалы позволяют уменьшить влияние вторичной ионизации. Полноценной защиты нет, но за счет их комбинирования космическую радиацию ослабляют в разы, а иногда и на порядок.
Этого недостаточно, все равно электроника в условиях космоса деградирует, поэтому появились различные ухищрения. Например, использование определенных радиационно-стойких технологий. Один из самых распространенных способов борьбы с одиночными сбоями – это разработка изделий электронной техники на базе технологии кремния на изоляторе (КНИ).
Особая структура изоляции приводит к снижению токов утечки, предотвращению образования паразитных структур типа тиристора как в КМОП-элементе. Из-за свойств тиристора при попадании в тяжело заряженных частиц возникает индуцированный импульс тока. Он может привести к открыванию транзисторов и попаданию паразитной структуры в высокопроводящее (низкоомное) состояние. Это приведет к короткому замыканию и потенциальному функциональному отказу.
Чтобы нивелировать тиристорный эффект прибегают к разным решениям. С точки зрения технологий разносят транзисторы друг от друга, увеличивают уровень легирования, у этих методов свои нюансы. При добавлении примеси в подложку снижают подвижность носителей, что приводит к снижению скорости работы основных транзисторов. Иногда минимизируют сопротивление паразитных транзисторов, чтобы снизить вероятность отпирания p-n перехода и включения биполярного умножения заряда.
Существует такой способ как охрана кольца: окружение транзистора специальным кольцевым контактом. Таким образом, минимизируется сопротивление контактов по отношению к подложке. Недостатком тут является необходимость дополнительной площади и влияние на саму структуру, а в космосе на счету каждый грамм. Альтернативной защитой от тиристорного и ему подобных эффектов является сбрасывание питания, о нем подробнее.
Зачем выключать электронику
Воздействие электромагнитных импульсов могут вызывать выход из строя электроники, в том числе и экстремальной, одной из мер защиты является введение в пассивный режим. Существует два электрических режима: активный, когда на микросхему подано питание и она работает, и пассивный, при котором микросхема выключена. Во втором режиме вероятность повреждений будет значительно меньше, потому что электрического поля нет в этот момент. Далеко не всю электронику в космосе можно выключить, например, некоторая из нее может отвечать за безопасность жизнедеятельности состава космической станции. Помимо этого, существуют такие приборы как атомные часы (читайте подробно в нашей подборке).
Стоимость экстремальной электроники
С точки зрения проверок, экстремальная электроника дороже обычной. Ее необходимо тестировать в радиационных испытаниях в соответствующих стандартах, которые варьируются от страны производства.
При изготовлении изготовления экстремальная электроника также менее доступна, потому что в ней используют дополнительные материалы и элементы, обеспечивающие стойкость (те же охранные кольца). А для внедрения подобных технологий также необходимы исследования, в них входит дополнительные выплаты разработчикам, стоимость соответствующих материалов и оборудования. Это все закладывается в себестоимость прибор, все зависит от сложности проекта, но в любом случае дороже, чем коммерческий сектор.
Перспективы экстремальной электроники
Первое и самое перспективное направление – это космическая индустрия. Полеты до Луны, Марса, межпланетные миссии – все это требует высококачественной, а главное устойчивой экстремальной электроники. Из конкретных задач можно выделить развитие радиационной стойкости приборов и элементов. Есть космические задачи разного масштаба: полет на Марс или же увеличение времени эксплуатации кубсата. Это задачи совершенно разного уровня, но каждая из них важна и требует специалистов.
Читайте другие статьи, по этой теме. Подписывайтесь, чтобы не пропустить продолжение! Следите за нами в Телеграмме, ВКонтакте, на официальном сайте.
#инженерный_подкаст#все_ответы_в_науке_МИФИ#десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки