Радиационная стойкость электронных средств

РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

План

Основные понятия и виды облучения

Влияние облучения на конструкционные материалы

Влияние ионизирующего облучения на резисторы

Влияние радиации на полупроводниковые диоды

Влияние радиации на транзисторы

Влияние радиации на коэффициент усиления

Влияние облучения на электровакуумные приборы и интегральные схемы

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

Воздействие a - 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)	9*1014 - 2*1015	5*106 - 4*107
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	7*1013 - 3*1014	(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.