МЕТОД ЗАЩИТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ УСТРОЙСТВ ОТ ВСПЫШЕК ПРОНИКАЮЩЕЙ РАДИАЦИИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 53.083.1

МЕТОД ЗАЩИТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ УСТРОЙСТВ ОТ ВСПЫШЕК

ПРОНИКАЮЩЕЙ РАДИАЦИИ

H.H. Морозов

доктор технических наук, профессор,

профессор кафедры (физики)

Академия гражданской защиты МЧС России

Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки,

мкр. Новогорск

E-mail: п.п.morozovQamchs.ru

И.В. Треушков

научный сотрудник научно-исследовательского центра Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск E-mail: i.treushkovQamchs.ru

А.И. Мазаник

доктор военных наук, профессор, главный научный сотрудник научно-исследовательского центра Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск E-mail: al.mazaQmail.ru

В.И. Мухин

доктор военных наук, профессор преподаватель кафедры (информационных и телекоммуникационных сетей и систем, радиоэлектронной и информационной борьбы) Военная академия РВСН имени Петра Великого Адрес: 143900, Московская обл., г. Балашиха, ул. Карбышева, д. 8 E-mail: v.mukhinQmail.ru

Аннотация. Обеспечение устойчивой работы электронного оборудования в зонах действия ионизирующих излучений высокой интенсивности представляет собой актуальную проблему защиты систем связи, информационных систем и электронных систем управления в чрезвычайных ситуациях при ядерном терроризме и в случае применения тактического ядерного оружия. Метод защиты оборудования основан на шунтировании цепей питания. Шунтирующим элементом является ионизационная камера, заполненная инертным газом. Теоретический анализ проблемы показал, что такое шунтирование может осуществляться газовым промежутком, заполненным инертным газом. Подобные устройства позволяют в моменты времени действия импульса излучения шунтировать цепи питания электронного оборудования и значительно снизить напряжения на полупроводниковых устройствах, сохранить их работоспособность при воздействии мощных импульсов излучения.

Ключевые слова: шунтирование цепей питания, ионизирующее излучение, электропроводность, мощность дозы, мгновенное излучение, вторичное гамма-излучение, тормозная способность вещества.

Цитирование: Морозов H.H., Мазаник А.П., Треушков И.В., Мухин В.И. Метод защиты полупроводниковых устройств от вспышек проникающей радиации // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2022. № 2 (53). С. 61 - 64.

Все более широкое распространение радиационных технологий в промышленности, оборонной сфере, медицине, научных исследованиях и т.п. вызвало значительный рост генерирующих источников ионизирующих излучений, в т.ч. способных создавать поля излучений с мощностью доз до 108 Зв/с и выше [1]. Это породило ряд проблем, связанных не только с радиационным контролем, но и защитой электронных систем от негативного воздействия ионизирующих излучений, в частности, импульсов рентгеновского излучения высокой интенсивности.

Освоение новых ядерных технологий может приводить к неконтролируемым цепным реакциям. Одним из главных поражающих

факторов в таких реакциях является мощный импульс проникающей радиации, опасный не только для живых организмов, но и для современных систем связи, а также электронных информационных и управляющих систем.

В настоящее время известны процессы, когда большую часть энергии реакции уносят нейтроны. При этом реакция может протекать в весьма короткие интервалы времени 10-8 - 10-7 с [2, с. 16]. Такое излучение принято называть мгновенным. Быстрые нейтроны в процессе движения от центра излучения претерпевают неупругие взаимодействия с ядрами азота и кислорода воздуха, порождая жесткое фотонное излучение. Последующей реакцией, приводящей к вторичному гамма-

2022'2 (53)

излучению, является захват нейтронов ядрами окружающей среды. Захват преимущественно претерпевают нейтроны низких энергий, максимум которых приходится на расстояния порядка пятисот метров от центра.

В результате этих взаимодействий возникает мощное вторичное фотонное излучение высокой интенсивности. Вторичное гамма-излучение имеет средние пробеги фотонов порядка нескольких сот метров. Это приводит к тому, что время действия импульса излучения не превышает 10-6 - 10-5 с [2, с. 22]. Иными словами, импульсное излучение перестает быть опасным по истечению микросекундных интервалов времени от начала реакции.

Воздействие ионизирующего излучения на электронное оборудование, включая средства связи, оповещения и управления, может приводить к существенным материальным и коммуникационным потерям. Особенно подвержены воздействию излучений полупроводниковые элементы входных каскадов систем связи и автоматического регулирования управляющих и телекоммуникационных систем. Комптон-эффект и внутренний фотоэффект приводят к высокой наведенной проводимости в р-п-переходах и возникновению значительных токов под действием даже малых напряжений. Все это сопровождается выделением высокой энергии и выходу этих устройств из строя.

Известно, что полупроводниковые материалы обладают сравнительно невысокой радиационной стойкостью, а устройства из полупроводников подвержены тиратронному эффекту. В этом случае по окончании действия вспышки излучения устройство не может вернуться в исходное состояние и продолжить нормальное функционирование. Это связано с высокой концентрацией свободных электронов в полупроводнике, рожденных под действием излучения, не способных к рекомбинации с дыркой ввиду их избыточного количества.

Газообразные среды более стойки к воздействию радиации, особенно стойки инертные газы, которые не меняют свой химический состав в плазменно-химических реакциях, протекающих в молекулярных газах под действием ионизирующей радиации.

Под воздействием излучения в газе возни-

кает наведенная проводимость, определяющаяся преимущественно электронной компонентой, которая на четыре порядка более подвижна, чем ионная. Уравнение баланса для концентрации электронов п имеет вид

йп

— = а — а * * п, аЪ

(1)

где ц - скорость образования электрон ионных пар в единице объема газа, величина пропорциональная мощности дозы; а - коэффициент рекомбинации; - концентрация положительных ионов, которая для инертных газов равна п, поэтому второе слагаемое в правой части уравнения (1) может быть записано в виде - ап2. Интегрирование выражения (1) позволяет получить оценку величины концентрации электронов

п

еу/ад1 _ 1 е^ад1 + 1

(2)

При больших мощностях доз или высокой интенсивности излучения концентрация электронов быстро достигает своих равновесных значений и равна

п

(3)

В моменты действия импульса ионизирующего излучения в ионизационной камере возникает наведенная излучением проводимость, достаточная для шунтирования цепей питания. Для усиления шунтирующего эффекта стенки камеры изготавливаются из материала с высокой тормозной способностью (с большим атомным номером), что приводит к усилению потока высокоэнергичных вторичных электронов, высвобожденных излучением из стенок камеры [4, с. 104].

Наиболее уязвимыми являются входные каскады информационно-измерительных систем и систем связи. Можно предположить, что блоки питания входных каскадов обеспечивают напряжение порядка 102 В и токи порядка 1 А, тогда входные сопротивления будут 102

во время действия импульса излучения будет иметь сопротивление на 3-4 порядка меньше входных сопротивлений, результат можно считать удовлетворительным.

Испытания электронной аппаратуры проводятся на импульсных электрофизических установках, работающих в диапазоне 108 Р/с и выше [1, с.34]. При больших значениях мощности дозы, согласно выражению (3), шунтирующий эффект будет больше.

В соответствии с определением рентгена доза в 1 Р создает 2,08*109 электрон-ионных пар в см3 воздуха при нормальных условиях. При использовании смеси газов неона и гелия, в соответствующих долях можно получить воздух эквивалентный газ (с эффективным атомным номером равным атомному номеру воздуха). Для этого необходимо приготовить смесь с мольными долями 0,286 для

гелия и 0,714 для аргона. Для мощности до-108

ионных пар составит д = 1,11*1017 см-3/с. В монографии [4, с. 686] определены значения коэффициента рекомбинации для инертных газов. Для исследуемых условий его зна-

10-7

3

но (3) составит величину п = 0,71*1012 см-3. Проводимость ионизированного газа определяется произведением заряда электрона на подвижность электронов и на их концентрацию. Подвижность электронов в инертных газах можно получить из экспериментальных данных по измерению скорости дрейфа электронов, представленных в монографии [4, с. 609],

103 2

Проводимость газа при этих условиях состав-

102

мерах полости ионизационной камеры, заполненной газом, диаметром 70 мм и высотой 5 мм имеем сопротивление шунтирующего устройства в моменты действия импульса ионизации 10-3

ваниям поставленной задачи.

Если стенки ионизационной камеры изготовить из тяжелых металлов (вольфрама или свинца), то шунтирующий эффект можно увеличить на несколько порядков. При этом желательно соблюсти 2 условия: условие электронного равновесия в стенке, которое выполняется, когда длина пробега комптоновского электрона не превышает толщины стенки и чтобы стенка была прозрачна для первичного излучения. Это условие связано с резким увеличением числа комптоновских и фотоэлек-

тронов, выбиваемых первичным излучением из стенки, способных создавать лавины вторичных электронов в газе. Эмиссия комптоновских электронов пропорциональна плотности вещества, а фотоэлектронов еще и кубу атомного номера.

В качестве материала стенки ионизационной камеры целесообразно использовать свинец толщиной 0,5 мм (соответствует максимальной длине пробега комптоновского электрона энергии 1.3 МэВ). Такая толщина обеспечивает условие электронного равновесия. Высокоэнергичные электроны, высвобожденные гамма-излучением в материале стенки, преимущественно создают ионизацию в газовой полости камеры. Их поток существенно преобладает над потоком электронов, рожденных в газе. В этом случае мощность дозы, а значит и скорость образования электрон ионных пар в единице объема газа ц будет в К раз больше, чем без стенки с большой тормозной способностью. Значение коэффициента К определяется из выражения

к = 7сРс/7вРсм, где 7с и 7в - массовые коэффициенты передачи энергии в свинце и в воздухе соответственно; рс и рсм - плотности свинца и газа соответственно [3, с. 92].

Для эффекта Комптона отношение массовых коэффициентов передачи энергии в свинце и в воздухе примерно равно единице. Отношение плотностей газовой смеси и свинца дает дополнительное увеличение шунтирующего эффекта более, чем на три порядка величины. Для фотоэффекта это увеличение еще заметнее, так как массовые коэффициенты передачи зависят от атомного номера г в третьей степени.

Есть все основания считать, что подобные устройства могут найти применение на производствах и экспериментальных полигонах, где проводятся исследования ядерных устройств.

Рассмотренные методы шунтирования электронного оборудования могут быть использованы при конструировании надёжных и дешёвых устройств для защиты широкого перечня электронных систем от воздействия ионизирующего излучения высокой интенсивности в различных отраслях техники специального назначения.

2022'2 (53)

Литература

1. Тарасенко Ю.Н. Вторичные эталоны единиц измерения ионизирующих излучений: монография. -М.: Техносфера. 2011. 458 с.

2. Тарасенко Ю.Н. Ионизационные методы дозиметрии высокоинтенсивного ионизирующего излучения. - М.: Техносфера. 2013. 264 с.

3. Голубев Б.П. Дозиметрия и защита от ионизирующих излучений - М.: Атомиздат, 1976. 530 с.

4. И. Мак-Даниель. Процессы столкновений в ионизированных газах. - М.: Из-во «Мир». 1967. 832 с.

THE PROTECTED OF ELECTRONIC SYSTEMS FROM HIGH-INTENSITY

IONIZING RADIATION

Nikolay MOROZOV

doctor of technical sciences, professor, professor of the department (physics) Civil Defence Academy EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow region, city Khimki, md. Novogorsk

E-mail: n.n.morozovQamchs.ru

Alexander MAZANIK

doctor of military sciences, professor,

chief researcher of the research center

Civil Defence Academy EMERCOM of Russia

Address: 141435, Moscow region, city Khimki,

md. Novogorsk

E-mail: al.mazaQmail.ru

Igor TREUSHKOV

researcher of the research center

Civil Defence Academy EMERCOM of Russia

Address: 141435, Moscow region, city Khimki,

md. Novogorsk

E-mail: i.treushkovQamchs.ru

Vladimir MUKHIN

doctor of military science, professor,

teacher of the department (information

and telecommunications networks and systems,

electronic and information warfare)

The Military Academy of Strategic Rocket Troops

after Peter the Great

Address: 143900, Moscow region, Balashikha, st. Karbysheva, d. 8 E-mail: v.mukhinQmail.ru

Abstract. Ensuring the stable operation of electronic equipment in the areas of high-intensity ionizing radiation is an urgent problem. The method of equipment protection is based on the shunting of power circuits. Theoretical analysis of the problem has shown that such shunting can be carried out by a gas gap filled with an inert gas, or by using semiconductor devices for these purposes or by using pulsed thyratrons. Such devices can significantly reduce the voltage on the primary converters and thus maintain their operability when exposed to powerful radiation pulses. Keywords: shunting of power circuits, ionizing radiation, electrical conductivity, dose rate, instantaneous radiation, secondary gamma radiation, scintillation sensor.

Citation: Morozov N.N., Mazanik A.I., Treushkov I.V., Mukhin V.I. The protected of electronic systems from high-intensity ionizing radiation // Scientific and educational problems of civil protection. 2022. № 2 (53). S. 61 - 64.

References

1. Tarasenko Y.N. Secondary standards of units of measurement of ionizing radiation: monograph. - M.: Technosphere. 2011. 458 s.

2. Tarasenko Y.N. Ionization methods of dosimetry of high-intensity ionizing radiation. - M.: Technosphere. 2013. 264 s.

3. Golubev B.P. Dosimetry and protection from ionizing radiation - M.: Atomizdat, 1976. 530 s.

4. I. McDaniel. Collision processes in ionized gases. - M .: From-in "Mir". 1967. 832 s.