Устройство для радиационного облучения и испытаний надежности электроники авиакосмического назначения к воздействию нейтронов с использованием ускорителя заряженных частиц

Изобретение относится к средствам радиационного облучения электроники авиакосмического назначения протонным пучком синхроциклотрона с целью тестирования ее надежности. В устройстве использован деградер с автоматически перестраиваемой длиной для изменения энергии протонного пучка и подвижная координатная система для установки каждого из облучаемых образцов электроники по оси пучка. Облучаемые образцы находятся в подвижной термокамере. Для работы всего устройства в автоматическом режиме использована многоуровневая интеллектуальная АСУ. Техническим результатом является возможность экспресс-облучения электроники авиакосмического назначения в режиме ее штатного функционирования согласно программно-методическому алгоритму стандарта JEDEC. 1 ил.

 

Изобретение относится к ускорительной технике, а также к физике и технике проведения экспериментов на нейтронных пучках и непосредственно к радиационному облучению различных изделий электроники авиакосмического назначения нейтронным пучком с использованием ускорителя заряженных частиц.

Введение в проблему

Известно, что причиной ряда аварий зарубежных и отечественных спутников и самолетов стали сбои в работе их компьютерной и навигационной полупроводниковой радиоаппаратуры из-за воздействия на них нейтронов космического излучения. В частности, при взаимодействии высоко энергетичных нейтронов с ядрами основного материала современной электроники - кремния, и образование в результате этого вторичных заряженных частиц происходит ионизационный эффект (single-event effects) в объеме полупроводникового элемента с изменением его состояния (сбой, ложное переключение, отказ и т.д.). Вероятность таких отказов возрастает с уменьшением размеров больших интегральных схем и понижением их рабочих напряжений питания [1, 2] (А.И. Чумаков, «Действие космической радиации на интегральные схемы», М. «Радио и связь», 2004; Koons Н.С. et al. «The impact of the Space environment on space systems». Aerospace tehnical Roport TR-99 (1670), 1, 1999). Поэтому, создание устройств для радиационного облучения и испытаний надежности электроники приобретает огромное значение в Государственных масштабах. (Отметим, что прямое проведение испытаний электроники непосредственно на самолетах или космических спутниках, а также на высокогорных станциях - дорого и малоэффективно из-за длительности их проведения).

Разработан международный стандарт JEDEC-89 [3] (JEDEC (Joint Electronic Device Engineering Council). Standart Measurements and Reporting of Alpha Particlis and Terrestrial Comik Ray-Jnduced Soft Errors in Semiconducter Devices JESD 89A, Oct. 2006. Available: http://www.jedec.org) и норматив IEC, TS [4] (IEC Technical Specification TS 62396-1, (Process Managem-ent for Avionics - Atmospherio Radiation Effects) May 2006. Available: http//www.iec.ch) для проведения испытаний электроники авиакосмического назначения на стендах с искусственными источниками (генераторами) нейтронного излучения эквивалентного атмосферно-космическому. Однако при создании устройств для радиационного облучения и испытаний надежности электроники к воздействию нейтронов возникают серьезные трудности, как при создании генератора нейтронного излучения, так и испытательного стенда для выявления надежности электроники. Эти трудности обусловлены особенностью потока нейтронов космического пространства, обладающего очень широким энергетическим спектром, простирающимся от нулевых энергий и до ~ 1000 МэВ, и имеющим определенный специфический энергетический спектр. За «эталон» принят естественный спектр нейтронов над Нью-Йорком на высоте 2000 м [3]. Соответственно требуется искусственный источник нейтронов таких же энергий и соответствующая аппаратура контроля и измерения его параметров. Так как энергетический спектр нейтронов простирается до энергии ≥1000 МэВ, то единственными генераторами таких нейтронов могут являться ускорители заряженных частиц на большие энергии. В частности, в России это синхроциклотрон на энергию 1000 МэВ в ПИЯФ, Гатчина [5] (Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев. «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики», Гатчина, 2012.) и синхроциклотрон (фазотрон) на энергию 660 МэВ в ОИЯИ Дубна [6] («Фазотрон лаборатории ядерных проблем ОИЯИ и его пучки», 2-ое издание, Дубна, ОИЯИ 1996, www//phasotron.jinr.ru.).

Для создания необходимого потока нейтронов используется процесс взаимодействия ускоренных в ускорителе до высоких энергий протонов с веществом мишени. Протоны тем или иным способом доставляются к нейтронообразующей мишени, в качестве которой используется некоторый объем вещества (Li, Pb, W и др.). В результате ядерного взаимодействия ускоренных протонов с веществом мишени она становится источником нейтронного излучения, параметры (спектр) которого зависят от энергии и временных характеристик налетающих протонов, а также вещества и геометрии мишени. Нейтронообразующие мишени носят название Spallation Target. Такие устройства используются в некоторых научно-исследовательских центрах, имеющих ускорители заряженных частиц [4].

В качестве аналога укажем на устройство для радиационного облучения и испытания надежности электроники к воздействию нейтронов с использованием ускорителя заряженных частиц, работающее в Швеции, Университет Упсала, TSL [7] (A.V. Prokofiev, Е. Passoth, A. Hjalmarsson and М. Majerle, М. Majerle, «CUP-A New High-Fliux Irradiation Position at the ANITA Neutron Facility at the TSL», IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol, pp 1929-1936 (2014)).

Устройство-аналог состоит из ускорителя заряженных частиц типа циклотрон, где применена нейтронообразующая мишень из Li, и из приборного испытательного стенда для облучения и диагностики надежности электроники.

Устройство-аналог работает следующим образом. Ускоренный до 180 МэВ протонный пучок выводится из циклотрона и затем при помощи электромагнитного тракта транспортировки протонов доставляется к нейтронообразующей мишени, которая генерирует поток нейтронов. Мишень защищена бетонным кожухом, в котором имеется окно-коллиматор для выхода пучка нейтронов. На расстоянии 10 м от окна размещается приборный стенд испытаний электроники различного назначения.

Недостатком устройства-аналога является неэффективное использование дорогостоящего ускорителя заряженных частиц при проведении испытаний электроники из-за отсутствия функциональной связи между испытательным стендом и ускорителем, что приводит к увеличению стоимости проведения испытаний, а также ограниченный диапазон энергий генерируемых нейтронов, что позволяет проводить испытания электроники авиакосмического назначения только в диапазоне «нижнего» атмосферного слоя.

В качестве прототипа выбрано устройство, созданное в ФГБУ ПИЯФ НИЦ КИ на синхроциклотроне 1000 МэВ, генерирующее поток нейтронов, энергетический спектр которого полностью совпадает с атмосферным и которое, следовательно, может использоваться в качестве устройства для радиационного облучения и испытания надежности электроники авиакосмического назначения к воздействию нейтронов [8] (Н.К. Абросимов, Е.М. Иванов, Г.Ф. Михеев и др. Патент на полезную модель №80646. «Нейтронный генератор с энергетическим спектром нейтронов, повторяющих спектр атмосферного нейтронного излучения». 04.08.2008 г.).

Прототип состоит из нейтронного генератора, в качестве которого использован ускоритель заряженных частиц типа синхроциклотрон с нейтронообразующей мишенью, находящейся внутри ускорительной камеры, и нейтроновода от ускорителя к месту проведения облучения электроники.

Устройство-прототип работает следующим образом. Внутри ускорительной камеры синхроциклотрона на радиусе максимальной энергии протонов установлена нейтронообразующая мишень из Pb. При помощи электростатического дефлектора протоны сбрасываются на эту мишень и генерируют поток нейтронов. Часть нейтронов из этого потока, имеющая атмосфероподобный энергетический спектр направляется по нейтроноводу в отдельное помещение, где может быть расположен приборный стенд для испытания надежности электроники.

Недостатком устройства-прототипа является неэффективное использование дорогостоящего ускорителя и, как следствие, удорожание стоимости проведения испытаний.

Поясним подробно. В прототипе в качестве приборного стенда для испытания электроники могут использоваться индивидуальные приборные стенды, разработанные фирмами - потребителями нейтронного пучка под свои цели и задачи и являющиеся собственностью этих фирм. Приборные стенды являются автономными, то есть работа приборного стенда осуществляется по собственной индивидуальной программе и не связана функционально с режимом работы ускорителя или параметрами его протонного пучка. Между приборным стендом и генератором нейтронов - ускорителем отсутствует функционально-конструктивная связь, что не позволяет осуществить автоматизацию процесса облучения и тестирование электроники при различных режимах ее штатного функционирования и при различных параметрах нейтронного пучка, требуемых согласно стандарту проведения испытания на надежность электроники авиакосмического назначения.

Кроме того, при коммерческом использовании устройства-прототипа стоимость единицы времени (цена) на проведение облучения электроники нейтронами достаточно высока и определяется, в основном, величиной энергопотребления синхроциклотроном (5-10 МВт) и эксплуатационными расходами, причем в случае облучения и испытания электроники авиакосмического назначения у потребителей возникают «нецелевые», дополнительные затраты. Действительно, во время проведения испытаний электроники при любой процедуре по смене объектов облучения, по замене аппаратуры или изменению режимов тестирования (например, изменение температурного режима) производится на определенное время выключение нейтронного пучка стандартным способом - путем отключения, например, инжекции протонов. Однако все электрооборудование ускорителя остается во включенном состоянии, и при этом потребляется практически та же величина электроэнергии, как и в режиме проведения облучения - это режим «холостого хода» ускорителя. Таким образом, потребитель должен оплачивать не только время облучения пучком, но и время «холостого хода» ускорителя, которое, как правило, соизмеримо со временем самого тестирования.

Задача изобретения - создание устройства для осуществления непрерывного проведения экспресс-облучения и испытания надежности электроники авиакосмического назначения нейтронами за счет автоматизации процесса облучения и управления параметрами нейтронного пучка и процессом тестирования, а также за счет исключения режима холостого хода ускорителя путем организации связи для параллельной работы с нейтронным и протонным пучком ускорителя одновременно.

Технический эффект заключается в создании более эффективного устройства для проведения экспресс-облучения и испытания надежности электроники авиакосмического назначения.

Технический эффект достигается тем, что в устройстве, состоящем из ускорителя заряженных частиц типа синхроциклотрон, используемого в качестве нейтронного генератора и содержащего: нейтронообразующую мишень, дефлектор, многофункциональный блок питания, нейтроновод с системой коллиматоров, новым является то, что введен приборный стенд для испытания электроники, состоящий из облучательной камеры, выполненной в виде термокамеры, куда помещены расположенные друг за другом по оси нейтронного пучка платы для размещения на них облучаемых элементов электроники, причем сама облучательная камера располагается на подвижной платформе с автоуправляемым механизмом для ее перемещения вдоль двух осей, перпендикулярных оси нейтронного пучка, а также состоящий из блока аппаратуры для измерения параметров нейтронного пучка, а именно: монитора, измерителя спектра энергии нейтронов и профилометра, из блока питания, контроля и тестирования электроники и из блока регулировки температуры в облучательной камере, и введен блок автоуправления работой устройства, включающий аппаратно-программный блок АСУ и связанный с ним компьютер, при этом, аппаратно-программный блок АСУ связан как с блоками приборного стенда, а именно: с блоком аппаратуры для измерения параметров нейтронного пучка, с блоком питания контроля и тестирования электроники, с блоком регулировки температур и с механизмом перемещения платформы, так и связан с блоками нейтронного генератора, а именно: с пультом синхроциклотрона, с блоком синхронизации и слежения за сгустком протонов, с системой коллиматоров нейтроновода, с многофункциональным блоком дефлектора, с блоком нейтронной мишени и с блоком стабилизации протонного пучка.

Сущность изобретения поясняется Фиг. 1, где приведена конструктивная схема устройства.

На фиг. 1 изображены:

1. Нейтронный генератор с атмосфероподобным спектром нейтронов.

2. Приборный стенд для испытаний электроники на нейтронном пучке.

3. Блок автоматического управления работой всего устройства.

4. Синхроциклотрон.

5. Нейтронообразующая мишень из свинца.

6. Блок нейтронной мишени.

7. Под-блок перемещения и юстировки мишени 5.

8. Под-блок старт сигнала («Гамма вспышка»).

9. Электростатический дефлектор.

10. Многофункциональный блок питания дефлектора 9, включающий три под-блока - 11, 12, 13 (в прототипе блок 10 назван: многофункциональный источник питания и управления дефлектора).

11. Под-блок импульсного напряжения дефлектора.

12. Под-блок резонансной раскачки пучка.

13. Под-блок ВЧ питания.

14. Аппаратно-программный блок АСУ.

15. Нейтроновод с системой вакуумной откачки.

16. Система коллиматоров нейтроновода 15.

17. Стена радиационной защиты синхроциклотрона 4.

18. Здание (помещение) для проведения испытаний электроники на нейтронах.

19. Облучательная камера (термокамера).

20. Блок аппаратуры для измерений параметров нейтронного пучка.

21. Монитор нейтронного пучка. (Измеритель интенсивности нейтронов).

22. Измеритель спектра энергии нейтронов.

23. Профилометр нейтронного пучка.

24. Платы с набором облучаемых объектов 25 (образцов электроники).

25. Объекты облучения (образцы электроники, микросхемы).

26. Подвижная платформа.

27. Механизм перемещения платформы 26 с облучательной камерой 19.

28. Блок питания, контроля и тестирования электроники, расположенной на платах 24.

29. Блок регулировки температуры в облучательной камере 19 (климат-контроль).

30. Компьютер.

31. Пульт управления работой синхроциклотрона.

32. Блок синхронизации и слежения за расположением ускоряемого сгустка протонов 33 относительно электростатического дефлектора 9.

33. Ускоряемый сгусток протонов 1000 МэВ.

34. Блок стабилизации интенсивности протонного пучка.

35. Гаситель нейтронного пучка.

36. Устройство для вывода протонов из синхроциклотрона 4.

37. Система электромагнитных линз для транспортировки протонов к стенду потребителя 38.

38. Стенд потребителя протонного пучка.

39. Монитор протонного пучка (Измеритель интенсивности протонов).

ОХ - ось нейтронного пучка.

OXYZ - система неподвижных координат

O₁ X₁ - ось протонного пучка.

ϕ - угол между осью нейтронного пучка ОХ и касательной к орбите протонов.

L - пролетная база нейтронов.

Предлагаемое устройство (Фиг. 1) состоит из трех основных частей: нейтронного генератора 1, приборного стенда для испытания электроники 2 и блока автоматизированного управления 3.

Основными элементами нейтронного генератора 1 является ускоритель заряженных частиц типа синхроциклотрон (схематичное изображение 4) с нейтронообразующей мишенью 5, находящейся внутри ускорительной камеры синхроциклотрона, установленной на радиусе максимальной энергии ускоряемых протонов. Мишень 5 связана с блоком нейтронной мишени 6, основными элементами которого являются под-блок перемещения и юстировки мишени 7 и под-блок старт сигнала («гамма вспышка») 8.

На этом же максимальном радиусе установлен электростатический дефлектор 9, пластины которого находятся выше и ниже плоскости орбиты. Пластины дефлектора 9 подсоединены к многофункциональному блоку питания 10, который в свою очередь состоит из трех под-блоков: под-блока импульсного напряжения дефлектора 11, под-блока резонансной раскачки пучка 12 и под-блока ВЧ питания дефлектора13. Вход многофункционального блока питания дефлектора 10 подсоединен к аппаратно-программному блоку АСУ 14.

Из камеры синхроциклотрона 4 выходит нейтроновод 15 - вакуумированная труба из дюралюминия с системой откачки и автомеханически регулируемыми коллиматорами 16. Нейтроновод 15 проходит через стену радиационной защиты 17 и заканчивается в отдельном помещении 18, где расположен приборный стенд для испытаний электроники на нейтронном пучке 2 и блок автоуправления работой всего устройства 3.

Основными элементами приборного стенда 2 являются: облучательная камера 19 и блок аппаратуры 20 для измерения параметров нейтронного пучка. Блок 20, в свою очередь, состоит из под-блоков измерения и контроля параметров пучка, а именно: монитора нейтронного пучка 21, измерителя спектра 22 и профилометра 23. Облучательная камера 19 содержит ряд плат 24, на которых располагаются объекты облучения 25, например, отдельные микросхемы или микросхемы, составляющие единое функционирующее устройство. Облучательная камера 19 расположена на подвижной платформе 26, которая снабжена программно-управляемым механизмом 27 для перемещения платформы 26 по двум осям Y, Z перпендикулярным оси ОХ нейтронного пучка. Все платы 24 с набором облучаемых объектов 25 подключены к блоку питания контроля и тестирования электроники 28, а сама облучательная камера 19 соединена с блоком регулировки температуры 29.

Основными элементами блока автоматического управления работой всего устройства 3 является аппаратно-программный блок АСУ 14 и компьютер 30. Блок 14 связан как с блоками приборного стенда 2 (а именно: с блоком аппаратуры для измерения параметров нейтронного пучка 20, с блоком питания, контроля и тестирования электроники 28, с блоком регулировки температуры 29 и с механизмом перемещения 27 подвижной платформы 26), так и связан с отдельными блоками генератора нейтронов 1, (а именно: с пультом синхроциклотрона 31, с блоком 32 синхронизации и слежения за сгустком протонов 33, с блоком нейтронной мишени 6, с коллиматорами 16, с многофункциональным блоком 10 и с блоком стабилизации протонного пучка 34).

На конце оси нейтронного пучка ОХ находится гаситель (поглотитель) нейтронного пучка 35. Вся аппаратура приборного стенда 2 и блока 3 защищена от фона вторичного радиационного излучения синхроциклотрона 4 и мишени 5 стеной радиационной защиты 17 и системой коллиматоров 16, поэтому в помещении 18 во время проведения облучения нейтронами могут находиться и сами испытатели.

Важно отметить, что синхроциклотрон 4 имеет также стандартное устройство 36 и систему электромагнитной транспортировки 37 для вывода по оси O₁X₁ протонного пучка к стенду потребителя протонного пучка 38, например, для лечения больных, проведения физических экспериментов и другие, и в частности, это может быть также стенд для испытаний надежности авиакосмической электроники к воздействию протонов. На оси O₁X₁ установлен монитор протонного пучка 39, являющийся измерителем величины интенсивности протонного пучка. Монитор 39 связан с входом блока стабилизации интенсивности протонного пучка 34, второй вход которого связан с аппаратно-программным блоком АСУ 14, а его выход связан с многофункциональным блоком 10.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Ускоритель заряженных частиц - синхроциклотрон 4 является составной частью нейтронного генератора 1. Ускоритель используется в качестве источника нейтронов с атмосферным спектром и работает следующим образом. Протоны, сформированные в ускоряемый сгусток 33, двигаются по спирали, при этом азимутальное и радиальное положение сгустка 33 отслеживается блоком синхронизации 32 известным способом [5] и транслируется в аппаратно-программный блок АСУ 14. В тот момент, когда сгусток протонов 33 достигает максимальной энергии ~ 1000 МэВ и радиуса, на котором установлена мишень 5, на пластины дефлектора 9 подается высоковольтный импульс напряжения от многофункционального блока питания 10, включаемого сигналом, поступающим из аппаратно-программного блока АСУ 14. Протонный сгусток 33 получает импульс в вертикальном направлении и попадает на торец мишени 5. В результате взаимодействия ускоренного сгустка протонов 33 с веществом мишени 5 она становится источником нейтронного излучения (Spallation Target). Из полученного потока нейтронов часть нейтронов под углом ϕ по нейтроноводу 15 поступает к приборному стенду 2 для испытания электроники на нейтронном пучке. Величина угла ϕ≈32° определяет необходимый вид энергетического спектра нейтронов и находится расчетным и экспериментальным путем.

Для проведения радиационного облучения и испытания надежности электроники использован приборный стенд 2, который работает следующим образом. Объекты облучения 25, то есть испытываемые образцы электроники или целые функциональные схемы электроники, размещаются на платах 24, а сами платы помещаются друг за другом по оси нейтронного пучка ОХ и закрепляются в облучательной камере 19. Каждая плата 24 и весь набор электроники 25 подключены к блоку питания, контроля и тестирования электроники 28, который связан с аппаратно-программным блоком АСУ 14 и при помощи которого осуществляется подача питающих напряжений и управляющих сигналов для работы объектов облучения 25 в штатном режиме и ведется контроль и тестирование за процессом их работоспособности. Каждому из объектов облучения 25 присваивается номер платы и координаты Y, Z относительно расположения его на плате 24, поэтому с помощью программно-управляемого механизма 27 за счет перемещения платформы 26 вместе с облучательной камерой 19 любой из объектов 25 может быть выставлен по оси нейтронного пучка ОХ и подвергнуться облучению. Расположение плат 24 и, следовательно, облучаемых объектов 25 друг за другом вдоль оси пучка ОХ позволяет проводить облучение и тестирование сразу ~ 10 объектов облучения одновременно, что обусловлено эффектом «прозрачности» облучаемых образцов при прохождении через них нейтронов.

Отметим, что электроника авиакосмического назначения должна эксплуатироваться в широком диапазоне температур и при быстрой смене ее температурных режимов. Например, в случае нахождения электроники «за бортом» космической станции - это нагрев электроники прямым солнечным излучением и охлаждение ее при «заходе в тень». С этой целью облучательная камера 19 выполнена в виде термокамеры с теплоизолированными стенками и нагревательно-охлаждающей системой термостатирования (на Фиг. 1 она не показана). Процесс термостатирования в камере 19 обеспечивается блоком регулировки температуры 29 (климат-контроль), связанным и управляемым аппаратно-программным блокам АСУ 14.

Стандарт JEDEC-89 требует также при проведении облучения обеспечение контроля за параметрами используемого пучка нейтронов и, в первую очередь, энергетического спектра нейтронов, интенсивности, профиля (размеров) пучка, однородности, коэффициента стабильности, и т.п. В предлагаемом устройстве все эти требования выполняются при помощи использования блока аппаратуры 20 для измерений параметров нейтронного пучка, который состоит из под-блоков измерения и контроля 21, 22, 23, подключенных к аппаратно-программному блоку АСУ 14. Под-блок 21 - монитор нейтронного пучка - измеритель интенсивности на основе ионизационной камеры деления, под-блок 22 - измеритель энгергетического спектра нейтронов, работающий на основе время-пролетной методики измерения энергии нейтронов на пролетной базе L≈36 м, под-блок 23 - профилометр нейтронного пучка на основе двухкоординатного многопроволочного пропорционального счетчика, работающего по принципу регистрации осколков деления с урановой подложки. Под-блок старт сигнала («гамма вспышка») 8 определяет момент рождения нейтронов в мишени 5 и используется для измерения энергетического спектра нейтронов. Основные функциональные и конструктивные решения всех этих под-блоков известны [9] (J.A. Harvey «Experimental neutron resonance spectros сору», Academic Pres, N.Y. and London, 1970 (Обзор методов нейтронной спектроскопии)). Формирование необходимых размеров нейтронного пучка без ореола рассеянных и отраженных нейтронов осуществляется при помощи системы коллиматоров 16, автоуправляемых также аппаратно-программным блоком АСУ 14.

Процесс облучения электроники нейтронами и контроль за надежностью электроники проводится в режиме ее штатного функционирования [10] (B.C. Анашин. «Отраслевая система мониторинга ионизирующих излучений космического пространства». Петербургский журнал электроники, №1, 2009, с. 57-62) в автоматическом режиме по нормативно-методическому алгоритму, заложенному в блок автоуправления 3. При этом в предлагаемом устройстве для обеспечения экспресс-облучения и тестирования большого количества образцов электроники при различных режимах их работы и различных параметрах нейтронного пучка осуществлена возможность их оперативной автоматической перестройки и регулирования. С этой целью аппаратно-программный блок АСУ 14 связан не только с блоками аппаратуры приборного стенда 2, но и с блоками синхроциклотрона 4 для обеспечения его особых режимов работы в качестве нейтронного генератора 1.

Перечислим эти особые режимы работы синхроциклотрона, требующиеся для обеспечения необходимых параметров нейтронного пучка и процесса тестирования электроники, а также перечислим введенные для этого в предлагаемое устройство блоки и конструктивно-функциональные связи.

♦ Режим стабилизации интенсивности нейтронного пучка.

Стабильность интенсивности нейтронного пучка необходима при измерении его параметров с требуемой по стандарту точностью, особенно при измерении его энергетического спектра [11] (В.А. Григорьев, А.А. Колюбин, В.А. Логинов. «Электронные методы ядерно-физического эксперимента». М., Энергоатомиздат, 1988 г.). В предлагаемом устройстве введена аппаратура и новые связи, позволяющие осуществить режим стабилизации нейтронного пучка. Это достигается следующим образом. При помощи аппаратно-программного блока АСУ 14 каждый из десяти импульсов работы синхроциклотрона 4 направляется не на мишень 5, а выводится из камеры ускорителя по направлению O₁X₁ путем переключения многофункционального блока 10 из режима питания дефлектора 9 импульсным напряжением в режим его питания ВЧ напряжением с частотой вывода протонов из ускорителя [5]. Контроль и измерение интенсивности протонного пучка происходит при помощи монитора протонного пучка 39. Сигнал с монитора 39 поступает на вход блока стабилизации интенсивности протонного пучка 34 и затем через многофункциональный блок 10 к дефлектору 9, используемому в качестве авторегулятора интенсивности в режиме его работы С-электродом. Принцип работы такой стабилизации известен [12] (Е.М. Иванов, Г.Ф. Михеев, А.С. Покровский, Г.А. Рябов. «Устройство для стабилизации импульсной интенсивностью протонного пучка синхроциклотрона с использованием С-электрода». Патент на полезную модель №145675, 16.04.2014 г.).

♦ Режим совместной работы на нейтронном и протонном пучках.

Как отмечалось выше, (см. стр. 4), испытание электроники авиакосмического назначения неизбежно сопровождается работой ускорителя на «холостом ходу». В предлагаемом устройстве при его коммерческом использовании время и оплата «холостого хода» исключается из затрат потребителя нейтронного пучка путем переключения работы синхроциклотрона из режима генерации нейтронного пучка по направлению ОХ в режим генерации протонного пучка по направлению O₁X₁ и использование этого времени другим потребителем протонного пучка, на другом стенде 38.

Для этого в предлагаемом устройстве введена аппаратура и новые связи, позволяющие реализовать режим параллельной работы одновременно на нейтронном и протонном пучках. Это достигается следующим образом. При помощи аппаратно-программного блока АСУ 14 задается последовательность чередования импульсов протонного и нейтронного пучка и согласно выбранной программы происходит переключение многофункционального блока 10 из режима импульсного питания дефлектора 9 и вывода нейтронов по направлению O₁X₁ в режим ВЧ питания дефлектора 9 с выводом протонов по направлению оси O₁X₁ [5]. Такое переключение осуществляется практически мгновенно при помощи блока синхронизации и слежения 32 за расположением ускоряемого сгустка 33 относительно дефлектора 9, и подключения блока 32 к аппаратно-программному блоку АСУ 14.

Таким образом, в предлагаемом устройстве осуществляется возможность одновременной, параллельной работы как по направлению ОХ на нейтронном стенде 2, так и по направлению O₁X₁, причем в качестве стенда 38 может быть использован, например, стенд облучения авиакосмической электроники протонами. Такой режим работы предлагаемого устройства существенно снижает стоимость проведения облучения на нейтронном пучке и повышает эффективность использования предлагаемого устройства и, особенно, при параллельном испытании одной и той же электроники к воздействию, как нейтронами, так и протонами.

♦ Режим регулировки временной структуры нейтронного пучка.

Отметим, что устройство-прототип имеет одну особенность. Пучки нейтронов поступают на испытываемый образец в виде отдельных импульсов очень малой длительности ~ 5-10 нс и больших интервалов между ними ~ 70 нс, что является следствием импульсного взаимодействия с частотой ~ 10-13 МГц сгустка протонов 33 с нейтронообразующей мишенью 5 [5]. Поэтому созданные в устройстве-прототипе потоки «искусственных атмосферных нейтронов» не соответствуют реальным условиям нахождения аппаратуры в космосе, где существует непрерывный (постоянный во времени) поток нейтронов. Эта особенность устройства, не препятствуя испытанию электроники, приводит к некоторым нежелательным эффектам в тестируемой электронике и затрудняет проведение исследований ее параметров [9, 11].

В предлагаемом устройстве введена аппаратура и новые связи, позволяющие регулировать временную структуру нейтронного пучка. Это достигается следующим образом. При помощи аппаратно-программного блока АСУ 14 многофункциональный блок 10 переключается из режима импульсного питания дефлектора 9 к режиму его питания радиоимпульсом для резонансного воздействия (раскачки) на протонный пучок 33, попадающего на нейтронную мишень 5. Принцип резонансной вертикальной раскачки протонов известен [13] (Н.К. Абросимов, А.В. Куликов, Г.Ф. Михеев. «Способ формирования импульса вторичных частиц на внутренних мишенях синхроциклотрона». Авторское свидетельство №997593) и заключается в подаче на пластины дефлектора 9 радиоимпульса с частотой заполнения близкой к частоте вертикальных бетатронных колебаний протонов в пучке. В результате такой резонансной раскачки увеличивается амплитуда этих колебаний, и протоны попадают на мишень 5. В зависимости от формы и частоты радиоимпульса можно получить непрерывное поступление ускоренных протонов на мишень 5 и непрерывный поток нейтронов на объект облучения 25.

Для реализации всех выше перечисленных режимов введена также связь аппаратно-программного блока АСУ 14 с пультом управления синхроциклотрона 31.

Еще раз отметим, что для радиационного облучения и испытаний электроники авиакосмического назначения требуются специфические параметры нейтронного пучка и особые условия для ее радиационного облучения и, следовательно, особые режимы работы синхроциклотрона 4.

Перечислим кратко все особенности и преимущества предлагаемого устройства, выгодно отличающие его от прототипа и всех известных устройств. Основные преимущества это: повышение эффективности и снижение стоимости единицы времени при проведении радиационного облучения и испытания надежности электроники на нейтронном пучке за счет автоматизации процесса экспресс-облучения и управления параметрами нейтронного пучка во время процесса ее тестирования, а также за счет организации связи для параллельной работы с протонным и нейтронным пучком одновременно.

Конкретно это заключается в том, что в предлагаемом устройстве:

• Введен аппаратно-программный блок АСУ 14 для автоуправления работой всего устройства и введен приборный стенд 2 с набором аппаратуры для измерения и контроля всех необходимых параметров нейтронного пучка и контроля за тестируемой электроникой.

- Введены блоки и связи, реализующие различные режимы работы синхроциклотрона 4 для получения необходимых параметров нейтронного пучка в процессе экспресс-облучения электроники: режим стабилизации нейтронного пучка, режим регулировки его временной структуры и режим для одновременной параллельной работы на нейтронном и протонном пучках.

• Введен универсальный приборный стенд 2 для испытаний электроники на нейтронном пучке, пригодный к использованию разными потребителями.

• Введена облучательная термокамера 19 с набором тестируемой электроники 25 и введен блок 29 для изменения и контроля теплового режима облучаемых элементов электроники.

• Облучение и контроль за надежностью производится сразу для многих элементов электроники 25, расположенных друг за другом, и облучение их нейтронами происходит методом «напролет».

• Реализация и включение необходимых режимов работы нейтронного генератора 1 производится не с пульта 31 управления работой синхроциклотрона 4, а с аппаратно-программного блока АСУ 14 и компьютера 30, т.е. с места расположения испытателя.

• Введенные блоки и связи между ними обеспечивают конструктивно-функциональное единство составных частей предлагаемого устройства и превращают его в единое полностью автоматизированное устройство для радиационного экспресс облучения и испытания надежности электроники авиакосмического назначения к воздействию нейтронов с использованием ускорителя заряженных частиц.

Все перечисленные преимущества выгодно отличают предлагаемое устройство от прототипа и всех известных аналогичных ему устройств.

Устройство прошло испытание в ФГБУ «ПИЯФ» им. Б.П. Константинова НИЦ «Курчатовский институт» на синхроциклотроне 1000 МэВ.

Параметры синхроциклотрона, как генератора нейтронов [5]: энергия - 1000 МэВ, радиус полюса R_max=3.12 м, вес - 8000 Т, частота ускорения - 28-13 МГц, толщина защиты Т≈8 м, интенсивность - 1,8⋅10¹³ протон/с, размеры сгустка: по радиусу - 20 см, по вертикали - 4 см, по азимуту ~ 30°, длительность сгустка - 10 нс, частота следования импульсов ~ 50 Гц.

Параметры нейтронообразующей мишени: материал - свинец, размеры 5×20×40 см³, поток нейтронов в угле 4π - 9⋅10¹⁴ н/с, поток нейтронов на облучаемом объекте 4⋅10⁵ н/с.

Параметры приборного испытательного стенда: площадь стенда 30×45 м², длина пролетной базы L=36 м.

Конструктивно блок 2 и все системы связи выполнены в стандарте КАМАК, который широко используется в технике проведения экспериментов на ускорителях, а вся система управления устройством представляет собой многоуровневую АСУ [14] (Ю.Ф. Певчев, К.Г. Финогенов. «Автоматизация физического эксперимента». М. Энергоиздат, 1986).

Планируется ввести предлагаемое устройство в состав Межведомственного Испытательного Центра Государственной Корпорации РОСКОСМОС в качестве лицензируемого испытательного стенда для контроля стойкости электронной компонентной базы авиакосмического назначения к воздействию нейтронов с целью обеспечения высоконадежной радиоэлектронной аппаратуры, функционирующей в жестких радиационных условиях космоса.

Источники информации

1. А.И. Чумаков. «Действие космической радиации на интегральные схемы», М. «Радио и связь», 2004.

2. Koons Н.С. et al. «The impact of the Space environment on space systems». Aerospace tehnical Roport TR-99 (1670), 1, 1999.

3. JEDEC (Joint Electronic Device Engineering Council). Standart Measurements and Reporting of Alpha Particlis and Terrestrial Comik Ray-Jnduced Soft Errors in Semiconducter Devices JESD 89A, Oct. 2006. Available: http://www.jedec.org.

4. IEC Technical Specification TS 62396-1, (Process Managem-ent for Avionics-Atmospherio Radiation Effects). May 2006. Available: http//www.iec.ch.

5. H.K. Абросимов, Г.Ф. Михеев. «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики», Гатчина, 2012.

6. «Фазотрон лаборатории ядерных проблем ОИЯИ и его пучки». 2-ое издание, Дубна, ОИЯИ 1996, www//phasotron.jinr.ru.

7. Аналог. A.V. Prokofiev, Е. Passoth, A. Hjalmarsson and М. Majerle, М. Majerle, UP-A New High-Fliux Irradiation Position at the ANITA Neutron Facility at the TSL», IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol, pp 1929-1936 (2014).

8. Прототип. H.K. Абросимов, E.M. Иванов, Г.Ф. Михеев и др. Патент на полезную модель №80646. «Нейтронный генератор с энергетическим спектром нейтронов, повторяющих спектр атмосферного нейтронного излучения». 04.08.2008.

9. J.A. Harvey «Experimental neutron resonance spectros сору», Academic Pres, N.Y. and London, 1970 (Обзор методов нейтронной спектроскопии).

10. B.C. Анашин. «Отраслевая система мониторинга ионизирующих излучений космического пространства». Петербургский журнал электроники, №1, 2009, с. 57-62.

11. В.А. Григорьев, А.А. Колюбин, В.А. Логинов. «Электронные методы ядерно-физического эксперимента». М. Энергоатомиздат, 1988 г.

12. Е.М. Иванов, Г.Ф. Михеев, А.С. Покровский, Г.А. Рябов. «Устройство для стабилизации импульсной интенсивностью протонного пучка синхроциклотрона с использованием С-электрода». Патент на полезную модель №145675, 16.04.2014.

13. Н.К. Абросимов, А.В. Куликов, Г.Ф. Михеев. «Способ формирования импульса вторичных частиц на внутренних мишенях синхроциклотрона». Авторское свидетельство №997593.

14. Ю.Ф. Певчев, К.Г. Финогенов. «Автоматизация физического эксперимента». М. Энергоиздат, 1986.

Устройство для радиационного облучения и испытаний надежности электроники авиакосмического назначения к воздействию нейтронов, состоящее из ускорителя заряженных частиц типа синхроциклотрон, используемого в качестве нейтронного генератора и содержащего: нейтронообразующую мишень, дефлектор, многофункциональный блок питания, нейтроновод с системой коллиматоров, отличающееся тем, что введен приборный стенд для испытания электроники, состоящий из облучательной камеры, выполненной в виде термокамеры, куда помещены расположенные друг за другом по оси нейтронного пучка платы для размещения на них облучаемых элементов электроники, причем сама облучательная камера располагается на подвижной платформе с автоуправляемым механизмом для ее перемещения вдоль двух осей, перпендикулярных оси нейтронного пучка, а также состоящий из блока аппаратуры для измерения параметров нейтронного пучка, а именно: монитора, измерителя спектра энергии нейтронов и профилометра, из блока питания, контроля и тестирования электроники и из блока регулировки температуры в облучательной камере, и введен блок автоуправления работой устройства, включающий аппаратно-программный блок АСУ и связанный с ним компьютер, при этом аппаратно-программный блок АСУ связан как с блоками приборного стенда, а именно: с блоком аппаратуры для измерения параметров нейтронного пучка, с блоком питания контроля и тестирования электроники, с блоком регулировки температур и с механизмом перемещения платформы, так и связан с блоками нейтронного генератора, а именно: с пультом синхроциклотрона, с блоком синхронизации и слежения за сгустком протонов, с системой коллиматоров нейтроновода, с многофункциональным блоком дефлектора, с блоком нейтронной мишени и с блоком стабилизации протонного пучка.