Защита от ионизирующих воздействий и проникающей радиации.

В условиях воздействия ионизирующего излучения на РЭА функцию защиты от радиации выполняет корпус. Наиболее устойчивыми к воздействию радиации являются металлы. У большинства металлов при этом возрастает предел текучести в 2 - 3 раза, снижается ударная вязкость на 10 - 30 %, повышается удельное сопротивление. Наименьшей радиационной стойкостью обладают электротехнические стали и магнитные материалы, у которых изменяется магнитная проницаемость. Защитный экран может быть выполнен из металлов с высоким кулоновским барьером, например свинца. При этом значительно возрастают масса и габариты изделия.

Ионизационные эффекты связаны с обратимыми изменениями РЧП и зависят от мощности дозы γ-излучения и плотности φ потока протонного и нейтронного излучений. Ионизационные эффекты проявляются в ионизации атомов, увеличении концентрации носителей заряда и испускании квантов вследствие характеристического или тормозного их излучения. Это приводит:

-к снижению электрического сопротивления изоляционных материалов,

-увеличению токов через обратносмещенные p-n-переходы транзисторов и обратных токов диодов,

-уменьшению сопротивлений резисторов,

-увеличению токов утечки конденсаторов

и другим нежелательным последствиям.

Материалы с низкой радиационной стойкостью (РС) — это полупроводники и органические диэлектрики, со средней - неорганические диэлектрики, с высокой — металлы, керамика, ферриты, кварц, слюда.

Для повышения радиоационной стойкости ИМС рекомендуют следующие схемотехнические и конструктивно-технологические меры:

· использование биполярных транзисторов ИМС с «тонкой» базой, имеющих большую граничную частоту усиления, работающих при больших токах и в режиме насыщения;

· автоматическое повышение напряжения питания для устройств на л-МДП ИМС по мере роста получаемой дозы ИИ, компенсирующее рост порогового напряжения;

· обеспечение максимально допустимого (с точки зрения устойчивости работы) коэффициента усиления тракта с учетом возможного его снижения в результате действия ИИ на параметры усиления тока транзисторов;

· использование дифференциальной пары транзисторов в усилительных каскадах для взаимной компенсации последствий от возникновения ионизационных токов;

· уменьшение размеров активных компонентов ИМС;

· применение полупроводникового материала с малым значением ρ_v, а также уменьшение толщины базовой области транзисторов и диодов;

· использование диэлектрической изоляции компонентов ИМС иместо изоляции обратносмещенным р—n-переходом;

· использование МДП-транзисторов со стойкими диэлектриками;

· ограничение применения в ИМС материалов с большим атомным номером (например, золота), активно поглощающих энергию γ-излучения и вызывающих нагрев ИМС.

Все приведенные ранее способы повышения PC реализуются на этапах проектирования схем, конструкций и технологий изготовления элементной базы РЭС, обеспечивая ее потенциально возможный запас.

Реальные же потоковые и дозовые нагрузки ИИ, превышающие допустимые значения, могут быть сняты только путем непосредственной защиты РЭС либо с помощью специальных экранов из поглощающих материалов, либо таким размещением конструкционных элементов и узлов, при котором наиболее стойкие и массивные из них защищают наименее стойкие, т. е. применением общего, теневого и локального экранирования изделий.

Общее экранирование (рис.1, а) обеспечивает самую эффективную защиту РЭС от воздействия всех видов ИИ, однако оно увеличивает массу и габаритные размеры объекта в целом. Этот способ экранирования применяют в условиях неполноты сведений о параметрах, направлениях действия ИИ и данных по PC аппаратуры.

Теневое экранирование(рис.1, б) обеспечивает эффективную защиту аппаратуры объекта от источников ИИ, если известны их параметры и положение, которое не меняется во время эксплуатации.

При локальном экранировании используют средства защиты с минимальными массогабаритными параметрами для повышения PC отдельных устройств РЭС или коллимирования собственных γ-источников (рис. 1, в), используемых, например в системах мягкой посадки космических аппаратов.

Рис. 1. Экранирование от воздействия ИИ: а — общее; б — теневое; в — локальное

При выборе материалов для защиты РЭС от нейтронного излучения следует иметь в виду следующие особенности действия механизмов защиты:

· механизм защиты состоит в поглощении «тепловых» нейтронов, т.е. быстрые нейтроны сначала должны быть замедлены;

· нейтроны с энергией Е„ > 0,5 МэВ рассеиваются на ядрах, испытывая неупругие соударения с выходом нейтронов меньших энергий. При этом ядра переходят в возбужденное состояние и, возвращаясь в основное состояние, испускают (β-частицы или γ-кванты. В результате этих актов быстрые нейтроны замедляются до тепловых и, диффундируя в защитном слое, либо поглощаются им, либо выходят из него;

· под действием нейтронного облучения некоторые материалы защиты активируются и модифицируются, что снижает эффективность защиты.

Чаще всего в качестве замедлителя нейтронов используют тяжелую воду, водородосодержащие полимеры, графит и бор, а в качестве поглотителей холодных и тепловых нейтронов — кадмий и боросодержащие материалы.

Тяжелая водана основе дейтерия D²₁(D₂O) и трития Т₁³(Т₂О) является хорошим замедлителем нейтронов и защитным материалом от воздействия нейтронного излучения вследствие высокой плотности упаковки атомов водорода.

Полиэтилени другие водородосодержащие вещества (полистирол, полипропиле - термопластичный полимер С_nН_2n); являются лучшими замедлителями нейтронов, однако они имеют ограниченную термостойкость.

Графит(С) используют как замедлитель и отражатель нейтронов. Он прочен, поддается механической обработке, но при высокой температуре и длительном облучении нейтронами становится хрупким.

Карбид борахорошо поглощает тепловые нейтроны, однако в результате ядерной реакции образуются литий и гелий, снижающие его коррозионную стойкость и прочность. Дисперсионная смесь карбида бора с графитом ослабляет тепловые нейтроны в 400 раз.

Кадмий(Cd) самый хороший (но и самый дорогой) поглотитель холодных и тепловых нейтронов. Лист кадмия толщиной 1 мм снижает плотность нейтронов в 10⁹ раз. Сплав Cd (5 %) и Рb (95 %) ослабляет нейтроны и γ-излучение и имеет хорошие механические свойства.

Железо(Fe) используют для выполнения защиты от воздействия нейтронов в виде изделий из стали и чугуна (прокат, поковки, дробь), сочетающих в себе конструкционные и защитные свойства.

Свинец(Рb) обладает наиболее высокой эффективностью noдавления γ-излучений из всех имеющихся дешевых материалов,, однако его применение ограничивается низкой температурой плавления (Т_плРЬ = 600 К). Поэтому при более высоких температура применяют очень дорогие вольфрам (W) и тантал (Та).

Бетонявляется основным материалом для защиты от нейтронного и γ-излучений, если масса и размеры защиты не ограничены. Бетон состоит из наполнителей, связанных между собой цементом, в состав которого входят оксиды кальция, кремния, алюминия, железа и легкие ядра, эффективно поглощающие γ-излучеиие.