Вводный курс Вторичные электромагнитные эффекты в радиоэлектронной аппаратуре при действии импульсного ионизирующего излучения В.Ф.Зинченко, д.ф.-м.н., доцент, ФГУП «НИИП» Представлен обзор основных видов вторичных электромагнитных эффектов (ВЭЭ) в радиоэлектронной аппаратуре, включая: - физические механизмы возбуждения ВЭЭ; - классификация ВЭЭ; - методическое и техническое обеспечение проведения испытаний РЭА на стойкость к ВЭЭ.

Электромагнитные поля, возбуждаемые импульсным ИИ 1 Внешний ЭМИ ( ЭМИ ) 2 ЭМИ, генерированный системой ( ЭМИ ГС ) 2.1 Внешний ЭМИ ГС 2.2 Внутренний ЭМИ ГС 2.3 ЭМИ ГС на линиях связи (прямое возбуждение) 2.4 Приборный ЭМИ ГС

Внешний ЭМИ (ЭМИ) Методы моделирования 1 Имитатор ЭМИ Рабочий испытательный объем полеобразующей системы находится в облучательном боксе ускорителя УИН - 10 и имеет размеры 1м х 1м х 1м. Длительность фронта ЭМИ составляет ~ 5 нс, а длительность импульса на полувысоте ~ 50 нс. Амплитудные значения напряженностей полей ЭМИ составляют ~100 кВ/м для электрического поля и 300 А/м для магнитного поля. 2 Комплексная установка УИН + ЭМИ Ускоритель УИН – 10 а) режим «короткого» импульса с длительностью на полувысоте нс., мощность дозы у мишени ~ Р/c, средняя энергия тормозного излучения ~ 0,9 МэВ. б) режим «длинного» импульса с длительностью по основанию ~ 1,6...2,0 мкс, доза вблизи мишени ~ 60 кР и средняя энергия тормозного излучения ~ 0,5 МэВ. Диаметр пятна с дозой ~ 60 кР в режиме "длинного" импульса около 30 мм, а диаметр пятна с мощностью дозы Р/c составляет ~ 15 мм.

Общая схема возникновения ЭМИГС ЛС е-е- γ γ е-е- γ е-е- 1. Падающее фотонное излучение генерирует электроны эмиссии с облучаемых поверхностей. 2. Электроны эмиссии возбуждают электромагнитные поля. 3. Электромагнитные поля генерируют наводки в линиях связи, что приводит к переходным процессам в подключенных устройствах и блоках аппаратуры.

Внешний ЭМИГС Е Н е-е- γ е-е- 1. Эмиссия электронов с внешней поверхности объекта генерирует поверхностные токи (Н) и заряды (Е). 2. Для больших объемов и флюенсов фотонного излучения эмиссия электронов ограничена объемным зарядом. 3. Поверхностные токи и заряды затекают внутрь объекта через кабельные входные отверстия.

Внутренний ЭМИГС 1. Эмиссия электронов с внутренней поверхности объекта генерирует поток заряда и электромагнитные поля (ЭМП). 2. Для больших объемов и флюенсов фотонного излучения эмиссия электронов ограничена объемным зарядом. Поток заряда и ЭМП сильно зависят от наличия воздуха внутри объекта. 3. Электромагнитные поля генерируют наводки в линиях связи, что приводит к переходным процессам в подключенных устройствах и блоках аппаратуры. 4. Поток заряда и ЭМП генерируют наводки в проводящих материалах, вызывая переходные обратимые эффекты и катастрофические отказы типа пробоя. е -- Н Е е-е- ЛС е-е- е j Корпус

ЭМИГС в линиях связи (кабелях) 1. Эмиссия электронов с поверхностей проводника генерирует смещение заряда по сечению кабеля 2. Смещение заряда генерирует токи/напряжения замещения во внешней цепи 3. Наводки во внешней цепи вызывают переходные обратимые эффекты и катастрофические отказы типа пробоя. щель защита диэлектрик проводник I внешняя цепь е-е-

ЭМИ ГС - приборные эффекты 1. Эмиссия электронов с внутренней поверхности прибора генерирует поток заряда и электромагнитные поля (ЭМП). 2. Поток заряда и электромагнитные поля генерируют наводки в проводящих материалах, что может приводить к переходным процессам и катастрофическим отказам элементах аппаратуры. корпус Печатные платы Проводящие дорожки е-е- е -- е-е- е-е- е-е- Н Ее-е- е-е- J е-е- е-е-

Примеры генерации эффектов ЭМИ ГС в элементах РЭА Энергетический спектр фотонного излучения установки Плазменный фокус: 1 – Е эфф =40 кэВ, 2 – Е эфф =52 кэВ

Наведенные токи в проводящих дорожках печатных плат Зависимость плотности тока в проводящих дорожках печатной платы от среднего напряжения Ud, приложенного к диоду сильноточного ускорителя электронов, для различных вариантов защиты корпуса прибора и печатной платы. Темные значки – положительный отклик, открытые значки – отрицательный отклик.

Радиационный отклик ОУ в различных вариантах облучения на установке Плазменный фокус: 1 - облучение фотоэлектронами, эмиттируемыми из Al или Ta фольги; 2 – облучение в прямом пучке фотонов; 3 - промежуточный вариант облучения (фотоэлектроны и рассеянные фотоны)

Расчетно-экспериментальные исследования эффектов ЭМИ ГС на установке ЛИУ-10 Внутренний ЭМИ в помехозащищенном комплексе Пучок Датчик электрического поля Датчик магнитного поля Передняя стенка цилиндра Задняя стенка цилиндра Дозиметр L R

Типичные зависимости Еz ( t ) при различных уровнях P в равномерно облучаемом цилиндрическом объеме ( L = 1 м, R = 0,5 м, f o ( t ) sin 2 t )

Зависимость Е z (z) в объеме ПЗК установки ЛИУ – 10

r Геометрия расчёта ВЭМИ, генерируемого в защитном цилиндрическом экране при действии импульсного электронного (а) и гамма (б) излучения ИС Эффекты ЭМИ ГС при высоких интенсивностях ИИ

ВЭМИ в защитном экране (диаметр 2 см, длина 3 см) Амплитудно-временные характеристики радиальной () и аксиальной ( ) компонент электрического поля ВЭМИ при действии ЭП с Р мах =10 13 рад(Si)/с в точке с координатами z = z max, r = R/2.

Напряжения пробоя для типовых ИЭТ Тип изделия U проб, В КМОП 564ЛН250…70 СВЧ диод 2А534А40…130 СВЧ диод 3А409А100…200 Стабилизатор напряжения LP2951CN 50…100 Транзистор 2Т201А< 100 Поскольку U проб А Т имп -1/2, можно сделать вывод, что импульс ВЭМИ на установке ЛИУ-10 (Т имп = 10 нс, Е = 2 кВ/см) способен вызвать пробой ИЭТ Основной вывод - эффекты ЭМИ ГС сопоставимы и даже могут превосходить ионизационные эффекты

Методы моделирования ЭМИ ГС Прямые: создание полей ИИ, по амплитудно-временным и пространственно-энергетическим характеристикам соответствующим реальным условиям. Косвенные: имитация эффектов ЭМИ ГС с помощью эквивалентных импульсов тока и напряжения

Моделирование внешнего ЭМИГС с помощью сильноточных ускорителей электронов Зависимость выхода тормозного излучения и коэффициента пропускания электронов К е для ускорителя ЛИУ-10 от толщины мишени (тантал), Е е =10 МэВ d, смДоза, Р/электрон, R=50см К е, % 0,025 0, ,05 1, ,1 1, ,15 1, ,2 1,