Анализ влияния воздействия ИИ ЯЭУ и КП на материалы и компоненты аппаратуры систем управления КА с ЯЭУ

Конструирование РЭА, стойкой к ионизирующему облучению, предусматривает выбор материалов и элементной базы, а также конструктивных решений, уменьшающих влияние радиации.

Радиационная стойкость изделия или материала (ГОСТ 18298—72) — свойство аппаратуры, комплектующих элементов, материалов выполнять свои функции и сохранять параметры в пределах установленных норм во время воздействия ИИ. Критерием радиационной стойкости изделия (материала) является предельное значение определяющего параметра радиационной стойкости. Определяющий параметр — параметр изделия (материала), изменение значения которого в условиях воздействия ИИ свыше определенного значения исключает возможность его применения. Показателем радиационной стойкости изделия служит значение характеристики поля ИИ, при котором достигаются критерии радиационной стойкости.

Воздействие ИИ на изделие (материал) проявляется в виде радиационного и ионизационного эффектов, обратимого или необратимого радиационных дефектов, радиационного разогрева и других явлений. Радиационный эффект — изменение значений параметров изделий и материалов в результате воздействия ИИ. Ионизационный эффект — радиационный эффект, обусловленный ионизацией и возбуждением атомов вещества. Радиационный дефект — радиационный эффект, проявляющийся в нарушении структуры вещества под воздействием ИИ. Обратимый радиационный дефект — радиационный дефект в веществе, исчезающий с прекращением облучения. Необратимый радиационный дефект — радиационный дефект, длительно сохраняющийся в веществе после прекращения облучения Радиационный разогрев — радиационный дефект, проявляющийся в повышении температуры материала в результате поглощения энергии ИИ.

Нейтронное излучение в основном является причиной радиационных дефектов, обусловленных физико-химическими преобразованиями в материалах (например, сшивание и диструкция при облучении полимеров, окисление). Возможны радиационный разогрев, выделение кислот и активных газов (хлор, фтор, водород).

При γ - излучении преобладают ионизационные эффекты. Увеличение концентрации избыточных носителей — основная причина увеличения проводимости диэлектрических и полупроводниковых материалов

Металлы наиболее устойчивы к воздействию ИИ: им свойственна высокая концентрация свободных носителей заряда, а характеристики их слабо зависят от дефектов кристаллической решетки Последствия нейтронного облучения начинают сказываться при флюенсах порядка 10²⁰ нейтр./см². Гамма ^- излучениена свойства металлов практически не влияет. У большинства металлов при воздействии ИИ предел текучести возрастает в 2 ... 3 раза, ударная вязкость снижается, ρ^v_e повышается на10...30%. Наименьшей радиационной стойкостью обладают электротехнические стали и магнитные материалы, у которых изменяется μ, ρ_ε при флюенсах порядка 10¹⁸ нейтр./см².

Некоторые металлы, например, бор, марганец, кобальт, кадмий, цинк, молибден и др. после облучения тепловыми нейтронами становятся источникам и вторичного ИИ.

Наименее устойчивы к воздействию ИИ полупроводниковые и органические материалы. У полупроводниковых материалов при облучении изменяются время жизни и подвижность носителей заряда, коэффициент Холла. У органических материалов — механические свойства, электрическая прочность, е, tg δ.

Неорганические материалы устойчивы к ИИ: ε, r_изол, tg δ у них изменяются незначительно; у стекол изменяются оптические свойства и цвет.

Влияние ИИ на резисторы

Воздействие ИИ вызывает обратимые или необратимые изменения сопротивления, увеличение уровня шумов, ухудшение влагостойкости резисторов. Основные причины: деградация электрофизических характеристик резистивного и электроизоляционных материалов (резкое увеличение проводимости из-за ионизационных эффектов в материалах, воздухе или другой среде, окружаюшей резистор); γ - излучение вызывает в основном обратимые изменения После окончания облучения исходное значение сопротивления восстанавливается менее чем через 2 мс. Нейтронное излучение может стать причиной ухудшения влагостойкости резисторов и обратимых либо необратимых изменений их сопротивления. Последствия зависят от кинетической энергии частиц, дозы излучения, типа резистора. Необратимые радиационные дефекты резисторов связаны с нарушением структуры материалов основания, защитных покрытий, опрессовки, резистивного слоя.

Наиболее устойчивы к воздействию ИИ керамические и проволочные резисторы В конструкции этих резисторов используются лишь радиационно-стойкие материалы: металл, керамика, стекло. Так, облучение проволочных резисторов тепловыми нейтронами флюенсом около 10¹⁹ нейтр./см² приводит к необратимому увеличению сопротивления (менее чем на 2% от исходной величины). При облучении их быстрыми нейтронами до флюенсов 10²⁰ нейтр/см² изменений в характеристиках не наблюдалось.

Менее устойчивы к ИИ металлопленочные и пленочные углеродистые резисторы. При их облучении одновременно быстрыми, тепловыми, надтепловыми нейтронами (соответственно величины флюенсы: 10¹⁴, 10¹⁸, 10¹⁶ нейтр./см²) и γ-излучением (доза 10⁸ рад) отмечено постепенное увеличение сопротивления до 3,5%. При этом необратимые изменения составляют менее 2%. Устойчивость к влаге, уровень шумов и ТКС резисторов после облучения не меняются.

Бороуглеродистые резисторы ненадежны при облучении тепловыми нейтронами: флюенс около 10¹⁸ нейтр./см² вызывает существенное (на 20%) повышение сопротивления и снижение влагостойкости резисторов в 2 раза. Основная причина в нарушении структуры проводящей пленки.

Композиционные резисторы в равной мере нестойки к корпускулярному и фотонному излучениям. Длительное воздействие нейтронов с флюенсом 10¹⁴ нейтр./см² или γ-излучения дозой 10⁸ рад приводит к снижению влагостойкости, возрастанию уровня собственных шумов в 2 раза, изменению номинального омического сопротивления rном до 10%. Причиной перечисленных необратимых радиационных дефектов является нарушение структуры органических материалов, использованных в качестве связующих в проводящей композиции.

Тонкопленочные интегральные резисторы способны выдерживать флюенсы быстрых нейтронов более 10¹⁶ нейтр./см² без существенных изменений величины сопротивления и параметров надежности. Наибольшей стойкостью к ИИ обладают танталовые, никелевые, нихромовые тонкопленочные резисторы, покрытые пассивирующей защитной пленкой.

В радиационно-стойкой РЭА рекомендуется применять резисторы с r_ном < 10 кОм. Высокоомные резисторы защищают заливкой либо опрессовкой эпоксидной смолой. Увеличение толщины защитного покрытия в 10 раз позволяет снизить нестабильность резистора в 6...8 раз. При уменьшении размеров резистора его устойчивость к ИИ повышается.

Влияние ИИ на конденсаторы

Воздействие ИИ сказывается на параметры электрической прочности конденсаторов r_изол, tg δ, C_ном. Причины этих изменений: преобразования в структуре диэлектрика, механические деформации, ионизация диэлектрика и окружающей среды, выделение газов.

Рентгеновское и γ-излучение вызывают в основном обратимые радиационные дефекты. При облучении нейтронам возможны как обратимые, так и необратимые радиационные дефекты. Наибольшей стойкостью к ИИ обладают конденсаторы с неорганическим диэлектриком: керамические стекло-эмалевые, слюдяные. Изменение их параметров при облучении нейтронами флюенсом до 10¹⁶ нейтр./см² и воздействии γ-излучения дозой до 10⁹ рад не превышает долей или единиц процентов (исключение составляют низкочастотные сегнето-керамические конденсаторы, изменение их емкости достигает 25%) Менее чемчерез 2ч после окончания облучения параметры керамических, стеклоэмалевых и слюдяных конденсаторов восстанавливаются до исходных.

Конденсаторы с органическим диэлектриком (бумажные, полистироловые, лавсановые, триацетатные, фторопластовые) обладают пониженной устойчивостью к ИИ облучении таких конденсаторов резко падает rизол, в 10 ... 20 раз увеличивается tgδ, изменения C_нoм составляют единицы или десятки процентов. Общая причина этих изменений — разложение полимерных материалов. Лишь через 200 ... 300 ч после облучения параметры таких конденсаторов восстанавливаются до допустимых пределов.

Электролитические конденсаторы при облучении ненадежны. Отмечены случаи разгерметизаций из-за разложения электролита. Изменение емкости носит нерегулярный характер. Сведения о радиационной стойкости электролитических конденсаторов не достоверны.

Из интегральных тонкопленочных конденсаторов наиболее устойчивы к ИИ конденсаторы с диэлектриком на основе Та₂O₅ и Аl₂O_3.

Влияние ИИ на полупроводниковые приборы

Воздействие ИИ служит причиной обратимых либо необратимых радиационных дефектов, являющихся следствием ионизации и структурных нарушений в кристаллах.

Ионизирующее действие радиации приводит к генерации в объеме полупроводника избыточных зарядов.

Заряды, двигаясь под действием градиентов концентраций и электрических полей, создают фототоки. Величина избыточных фототоков пропорциональна эффективному (по сбору дополнительных носителей) объему прибора. Последний (для биполярных структур) определяется шириной области объемного заряда, площадью p-n-переходов и диффузионной длиной пробега неосновных носителей по обе стороны переходов. Поэтому минимизация размеров полупроводниковых приборов повышает их устойчивость к ИИ

Величина фототока зависит только от скорости поглощения энергии за счет электронных процессов и не зависит от типа и спектра ИИ. После окончания ИИ фототок уменьшается до нуля в соответствии со временем жизни неосновных носителей заряда

Структурные, нарушения обусловлены взаимодействием ИИ с кристаллической решеткой полупроводника. Степень структурных нарушении зависит от вида и энергии частиц, ПДИ. Известно, что даже незначительные дефекты структуры кристаллической решетки вызывают существенное изменение параметров полупроводниковых материалов: подвижности, эффективной концентрации, времени жизни носителей заряда. Поэтому следствием структурных нарушений являются необратимые дефекты полупроводниковых приборов.

В зависимости от типа прибора, технологии его изготовления, условий работы, вида и энергии излучения, преобладает тот или иной механизм нарушений. Он и определяет радиационную стойкость прибора.

Полупроводниковые диоды

Основные радиационные эффекты в диодах: фототоки (на один-два порядка больше рабочих токов), изменение сопротивления полупроводника, времени жизни носителей заряда.

Германиевые диоды.

Нейтронное ИИ при флюенсах порядка 10¹¹ нейтр./см² вызывает заметное изменение вольт-амперных характеристик: проводимость диодов в прямом направлении уменьшается, в обратном – увеличивается; полный отказ наблюдается при флюенсах более 10¹³ нейтр./см².

При воздействии гамма-излучения (доза 10⁴ рад, мощность дозы 10⁷ рад/с) возникают фототоки, возрастает обратный ток (на 10%), уменьшается емкость p-n-перехода (на 10%). Через несколько дней после прекращения ИИ параметры диодов восстанавливаются до первоначальных.

Кремниевые диоды.

Нейтронное ИИ при флюенсах порядка 10¹² нейтр./см² вызывает заметное изменение вольт-амперных характеристик. При этом проводимость точечно-контактных диодов уменьшается в прямом и обратном направлениях. У плоскостных диодов проводимость в прямом направлении также уменьшается. В обратном направлении проводимость некоторых типов плоскостных кремниевых диодов с увеличением нейтронного потока увеличивается, достигает максимума при некоторой величине потока, после чего уменьшается При θ = 423 К воздействие ИИ на прямые характеристики сказывается меньше, нежели при нормальной температуре. Облучение нейтронами позволяет до 1000 раз уменьшить время переключения кремниевых диодов.

Туннельные диоды.

При нейтронном ИИ заметное изменение вольт-амперных характеристик диодов наблюдается лишь при флюенсах порядка 10¹⁷ нейтр./см² Потенциальная устойчивость туннельных диодов к ИИ обусловлена низким удельным сопротивлением полупроводникового материала, сравнительно высокой рабочей частотой, слабой зависимостью характеристик диодов от ионизационных эффектов.