Радиационная стойкость электронных средств

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

Ионизирующей радиацией - называется облучение, обладающее свойством проникать в толщу вещества и вызывать в нем ионизацию. При рассмотрении воздействия радиации применяют следующие термины для основных характеристик радиации:

мощность потока и интегральный поток (при корпускулярном излучении),

мощность дозы облучения и доза облучения (при гамма-излучении).

Мощность потока - измеряется количеством частиц, падающих перпендикулярно на площадку 1 см2 за все время облучения.

Интегральный поток - полный поток частиц, прошедших через площадку 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 которого в 1 см3 сухого воздуха при t = 0 C и нормальном давлении образуются положительные и отрицательные заряды общей величиной в одну электрическую единицу каждого знака.

При дозе 1Р в одном грамме воздуха поглощается энергия 87*10-7 Дж.

Воздействие радиации на вещество зависит от вида радиации, дозы (потока) облучения, мощности дозы (потока) облучения, распределения энергии радиации по спектру, природы облучаемого вещества, окружающих условий (температуры, влажности и т.д.).

Облучение быстрыми нейтронами носит объемный характер и вызывает нарушение структуры вещества (смещение атомов в кристаллической решетке, образование примесей других элементов и, в частности, образование радиоактивных изотопов); ионизацию (в небольшой степени) вследствие выделения из атомов заряженных частиц.

Облучение быстрыми протонами является поверхностным и вызывает ионизацию и нарушение структуры вещества (в небольшой степени).

Воздействие гамма - лучей также имеет объемный характер. Под влиянием гамма - излучения возникает сильная ионизация, явление фотопроводимости, люминесценция, химические реакции, повышение температуры, изменение анизотропных свойств кристаллических веществ.

Облучение электронами ( - излучение) носит поверхностный характер и вызывает ионизацию, вторичную эмиссию, небольшие изменения в решетке вещества, жесткое рентгеновское облучение.

Воздействие - частиц и осколков ядер можно практически не учитывать вследствие малой длины пробега и поверхностного характера.

Воздействие излучения может вызывать обратимые, необратимые или полупостоянные изменения в веществе.

Обратимые изменения возникают одновременно с началом облучения и исчезают с прекращением облучения. Необратимые изменения наступают под воздействием определенной дозы облучения, не исчезают и не уменьшаются после прекращения облучения. Полупостоянные изменения начинаются при облучении, развиваются по мере увеличения дозы и исчезают через некоторое время после окончания облучения.

Влияние облучения на конструкционные материалы
На металлические конструкции ионизирующее облучение влияет слабо (мало). На свойства металлов оказывают влияние только нейтронные потоки большой интенсивности более 1020 нейтр/см2. При бомбардировке 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 образоваться металлоорганическое соединение.

Органические вещества весьма чувствительны к радиации. Воздействие приводит к преобразованию молекул, сопровождающемуся химическими реакциями, вызывающими необратимые изменения природы вещества и его механических свойств. Преобразование сопровождается выделением газов, которые в соединении с влагой образуют кислоты, оказывающие вредное влияние на изоляционные материалы. Большинство пластмасс получает механическое повреждение при дозах 107- 108 рад. Фенолформальдегид и метилметакрилат становятся хрупкими и деформируются. Полиэтилен и полистирол - вначале увеличивается сопротивление разрыву и твердость, а затем они становятся хрупкими. Большинство пластмасс темнеет и обесцвечивается. Пропитки и изоляционные масла портятся, как и оргматериалы. Синтетический каучук и кремнийорганическая резина твердеют при 108 рад, а натуральный каучук - при 109 рад. Бутиловый каучук превращается в клейкую массу при 108 рад. Изменение электрических свойств органических веществ (проводимость, диэлектрическая проницаемость, угол потерь) носит обратимый характер. Время восстановления зависит от природы материала и условий облучения.

На неорганические вещества (материалы) радиация воздействует меньше, чем на органические. При облучении нейтронами возможно объемное расширение (1% при облучении потоком 1020 нейтр/см2). Кварц и 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)	91014 - 21015	5106 - 4107
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	71013 - 31014	(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, при которой характеристики материала ухудшаются на 25%; допустимая доза определяется при помощи потока нейтронов и мощности дозы гамма - облучения соответственно 1011 - 1012 нейтр/ (см2*с) и (106 - 107) Р/ с.

Влияние ионизирующего облучения на резисторы
Следствием воздействия может быть пробой в связующих и пропитывающих изоляцию материалах, изменение свойств основного материала резистора, появление проводимости из - за ионизации материала каркаса и покрытия.

Величина и знак изменения сопротивления резистора определяются основным материалом резистора, номинальной величиной сопротивления, размерами, величиной приложенного напряжения и особенностями технологии изготовления. Чем больше величина сопротивления, тем большие обратимые изменения вызываются облучением; поэтому резисторы с сопротивлением порядка 109 Ом могут быть ненадежны.

Облучение резисторов потоком быстрых нейтронов вызывает как необратимые, так и обратимые изменения (в зависимости от величины потока), а гамма - излучения - только обратимые изменения.

Таблица 2

Изменение номинального сопротивления резисторов (%) при кратковременном воздействии нейтронного 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

Величины нейтронного потока при котором возникают необратимые изменения в резисторах и короткое замыкание, нейтр/см2

Тип 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 дозе 2*109 Р.

Импульсное (длительность импульса 0,1 мс) гамма - облучение дозой 103 Р при мощности дозы 107 Р/с в резисторах различных 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 носит обратимый характер (величина изменения определяется не конструкцией, а размерами резисторов). Характеристики резисторов полностью восстанавливаются через 1 - 5 мс после облучения.

4. Влияние ионизирующего облучения на конденсаторы

Ионизирующее облучение вызывает обратимое или необратимое изменение емкости и обратимое изменение величины утечки и тангенса угла потерь.

Нейтронная радиация приводит к необратимым и обратимым изменениям характеристик конденсаторов, а гамма - облучение - в основном - к обратимым изменениям. Общей причиной этого является изменение электрических характеристик диэлектрика (диэлектрической постоянной и сопротивления).

Кроме того происходит выделение газов при облучении в электролитических конденсаторах и конденсаторах с масляным заполнением, что может привести к их разрушению.

Таблица 5.

Влияние радиации на конденсаторы.

Вид конденсаторов	Интенсивность суммарного нейтронного и -излучения (нейтр/см2+ эрг/кал)	Характер влияния радиации
Керамические	1,3108 + 2,51010	Обратимые изменения С на 4 - 19%
Сегнетокерамические	1,01013 + 8,3104	Токи утечки в обратном направлении Обратимые изменения С 1%
Стеклоэмалевые	2,51017 + 6,11010	Изменение сопротивления изоляции на 2 - 3 порядка
Слюдяные	11014 + 5,7108	Необратимые изменения С 1%
	1,23*108 + 0	Обратимые изменения С 1%
Бумажные	11018 + 2,51010	Значение емкости выходит за пределы допусков
Бумагомасляные	1,1*1018 + 0	Необратимые изменения емкости от +37 до -20%
Электролитические	-	Ток утечки возрастает с повышением мощности и дозы облучения
Танталовые	(3,41012 … 2,51018) + + (5,7108 … 4,41010)	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 импульсному облучению, остальные - непрерывному.

Влияние радиации на полупроводниковые диоды
Воздействие радиации на полупроводниковый диод зависит от того, 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 и точечных) в обратном направлении увеличивается, в прямом - уменьшается. При потоках более 1013 нейтр/см2 выходят из строя, при - 1011 нейтр/см2 - происходит значительное изменение характеристик. При таких условиях облучения они могут работать в схемах, на работоспособность которых не сказывается существенно изменение характеристик проводимости диодов в обратном направлении.

При воздействии малых доз - облучения (104 Р при мощности дозы 6*104 Р/ч) обратный ток плоскостных диодов возрастает на 10%, на такую же величину уменьшается емкость p - n перехода, а также возникают фототоки. Через несколько дней после облучения параметры восстанавливаются до первоначального уровня.

Кремниевые диоды.

Под воздействием нейтронной радиации проводимость точечно-контактных диодов уменьшается в прямом и обратном направлениях; у плоскостных диодов проводимость в прямом направлении также уменьшается. Повреждение диодов обусловливается изменением характеристик проводимости в прямом направлении. Изменение характеристик тем больше, чем больше мощность потока. Доза 1012 нейтр/см2 нейтронного облучения вызывает заметное изменение характеристик диода.

Диоды могут быть использованы при облучении нейтронным потоком 1013 - 1017 нейтр/см2, если изменение характеристик в прямом направлении не влияет на работу схемы.

Воздействие - облучения (мощность дозы 106 Р/ч) вызывает обратимые изменения обратного тока, составляющие 10-8 А.

Характер воздействия облучения электронами и протонами на германиевые и кремниевые диоды аналогичен нейтронному.

Влияние радиации на транзисторы
Воздействие быстрых нейтронов вызывает нарушение кристаллической решетки материала (основной эффект) и ионизацию (вторичный эффект). Вследствие этого изменяются параметры полупроводниковых материалов - время жизни основных носителей (), удельная проводимость (), скорость поверхностной рекомбинации дырок с электронами. Вследствие изменения вышеуказанных параметров уменьшается коэффициент усиления по току 0 (0), увеличивается обратный ток коллектора (Iк0), возрастают шумы транзистора. Изменение коэффициента усиления является необратимым, а изменения обратного тока могут быть обратимыми и необратимыми.

Протоны и электроны влияют на характеристики транзисторов также как и нейтронное облучение.

Влияние радиации на коэффициент усиления
Максимальный интегральный поток частиц Ф, который может выдерживать транзистор для заданного изменения параметра 0, определяется из соотношения:

, (1)

где fа - граничная частота усиления по току в схеме с общей базой;

0 - коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером (до начала облучения);

0об - 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 имеют германиевые p-n-p транзисторы. Они при прочих равных условиях выдерживают поток быстрых нейтронов на 1 - 2 порядка больше, чем кремниевые. Ориентировочно для 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 значениям потоков и доз, при которых становятся заметными необратимые изменения, а правые границы - значения потоков и доз, при которых характеристики транзисторов находятся на грани пригодности (в качестве критерия годности выбрано изменение коэффициента усиления 0).

Предпочтение следует отдавать германиевым p-n-p транзисторам с высоким значением fа и малым 0 для устройств, работающих в условиях ионизирующей радиации.

При радиации происходит в основном изменение кратковременное Iк0. Причинами изменения являются:

а) ионизация, создаваемая - лучами, изменяющая поверхностные свойства полупроводника;

б) свойства материала корпуса, окружающего переход;

в) разрушения в полупроводниках, обусловленные нейтронами.

Ионизация, создаваемая радиацией, инжектирует избыток носителей в транзистор, вследствие чего возникают значительные шумы.

Например, облучении потоком - лучей при мощности дозы 2*106 Р/ч приводит к возрастанию шумов на 2 дб.

Шумы исчезают при выходе из поля излучения.

Влияние облучения на электровакуумные приборы и интегральные схемы
На электровакуумные приборы излучение влияет слабо, пока не произойдет разрушение стеклянного баллона. Фотоумножители и электроннолучевые трубки повреждаются оптически, еще до полного отказа вследствие потемнения стекла колбы.

В настоящее время доказано, что радиационная стойкость ИС в металлостеклянных корпусах сравнима с ЭВП.

8. Методы конструирования, направленные на уменьшение влияния облучения на характеристики РЭА

При конструировании необходимо:

правильно подбирать и располагать элементы,

шире использовать керамические изоляторы в частях переключателей, разъемах, гнездах и т.д.,

применять стеклоткань и другие неорганические материалы для манжет, кабельной изоляции и др.,

применение элементов из неорганических материалов, слюдяных и керамических конденсаторов,

применять пленочные и металлопленочные сопротивления,

тщательно продумывать схему расположения, для уменьшения токов утечки и пробоя,

экранировать наиболее чувствительные элементы,

правильно выбирать материалы деталей конструкции,

правильно выбирать полупроводниковые приборы.

Для защиты от - лучей хорошо экранируют, защищают - свинец, уран, торий, висмут, вольфрам, золото, платина, ртуть и некоторые другие тяжелые материалы.

Для защиты от нейтронов применяют экраны из смеси легких и тяжелых элементов (бетон с повышенным содержанием воды), бороль (сплав карбида бора с алюминием), литий, бериллий, железо, медь, вольфрам, висмут.