Создание комплекса для радиационных испытаний электронной компонентной базы на пучках синхроциклотрона ПИЯФ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «"ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Б. П. КОНСТАНТИНОВА»

На правах рукописи

СОЗДАНИЕ КОМПЛЕКСА ДЛЯ РАДИАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЫ НА ПУЧКАХ СИНХРОЦИКЛОТРОНА ПИЯФ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2012

005047300

005047300

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении «Петербургский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова».

Научный руководитель: Рябов Герман Аркадьевич,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заведующий ЛФТУ ускорительного отдела ФГБУ «ПИЯФ».

Официальные оппоненты: Степанов Альберт Владимирович,

доктор технических наук, старший научный сотрудник, ведущий специалист ФГУП «НИИЭФА им. Д. В. Ефремова»,

Ханзадеев Алексей Викентьевич, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник Отделения физики высоких энергий ФГБУ «ПИЯФ».

Ведущая организация: ОАО «Российский научно-

исследовательский институт „Электронстандарт"».

Защита состоится «30» 1ЛШ1Л 2012 г. в часов на заседании диссертационного совета Д.201.006.01 при Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова в помещении Дома ученых НИИЭФА по адресу: 196641, Санкт-Петербург, п. Металлострой, ул. Полевая, д. 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЭФА. Автореферат разослан «Л6 » Дп/С2<.<Ы- 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного ^Д^ совета \

И. А. Шукейло

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Широкое применение полупроводниковых изделий микроэлектроники в качестве элементной базы космических электронных систем сделало актуальной задачу оценки и прогнозирования уровней отказов элементов и узлов к радиационным воздействиям космического пространства. Требования проведения этих испытаний обусловлены тем обстоятельством, что в современных приборах, изготовляемых по микронной и субмикронной технологиям, возникли новые эффекты радиационного воздействия, связанные с ионизационными эффектами и структурными повреждениями изделий под действием отдельных высокоэнергетических частиц, так называемые единичные радиационные эффекты, или Single Event Effect (SEE).

Развитие отечественной электронной компонентной базы (ЭКБ) и обеспечение ее радиационной стойкости является приоритетной государственной задачей в соответствии с «Основами политики Российской Федерации в области развития электронной компонентной базы на период до 2010 года и дальнейшую перспективу», утвержденными Президентом Российской Федерации 12.04.2002 г., и Федеральной целевой программой «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 20082015 годы, утвержденной постановлением Правительства РФ №809 от 26.11.2007 г.

В России отсутствуют специализированные установки для комплексных исследований радиационных эффектов ЭКБ в протонных, нейтронных и ионных пучках. Подобные исследования, как правило, проводятся в ядерных научных центрах на испытательных стендах, созданных на базовых экспериментальных установках.

Представляется своевременным инициирование работ по созданию и развитию комплекса для испытаний ЭКБ на воздействие высокоэнерге-тичных протонов и нейтронов на базе синхроциклотрона ПИЯФ с энергией протонов 1000 МэВ.

Цели работы

• Создание протонных и нейтронного пучков, удовлетворяющих требованиям российских и международных стандартов для испытания ЭКБ.

• Экспериментальные исследования параметров созданных пучков.

• Создание современных систем мониторирования и диагностики пучков. Создание аттестованных рабочих установок для радиационных испытаний ЭКБ и исследовательских работ.

Создание комплекса для радиационных испытаний ЭКБ на синхроциклотроне ПИЯФ.

Научная новизна

• Создан стенд для радиационных испытаний ЭКБ на протонных пучках с энергиями от 200 до 1000 МэВ, оборудованный оригинальными системами диагностики.

• Предложена новая схема получения нейтронного пучка со спектром, повторяющим спектр атмосферных нейтронов. Данный нейтронный пучок является единственным в Европе. Новизна подтверждена патентом [1].

• На базе синхроциклотрона ПИЯФ создан новый универсальный центр для радиационных испытаний ЭКБ в протонных и нейтронном пучках.

Практическая ценность работы

В течение последних 10 лет в ПИЯФ исследованы отказы и сбои под действием отдельных протонов и нейтронов в работе различных высокоин-тегрированных изделий: элементов памяти, транзисторов, ПЗС-матриц. В этом направлении ПИЯФ активно сотрудничает со многими организациями и предприятиями России: Секцией прикладных проблем РАН (Москва), ОАО «ЭНПО СПЭЛС» (Москва), ОАО «Российские космические системы» (Москва), НИИ космического приборостроения (Москва), ОАО «РНИИ „Электронстандарт"» (Санкт-Петербург), НИИ телевидения (Санкт-Петербург) и др. Проявлен интерес зарубежных исследовательских фирм: iRoc Technologies, ONERA (Франция).

Анализ полученных результатов указывает на то, что в результате ядерных реакций в наноструктурах следует ожидать выхода из строя областей с большим количеством элементов (отдельных блоков). Следует иметь в виду, что подобные испытания, по всей видимости, необходимы и для конструкционных, биомедицинских и других наноматериалов.

Кроме радиационных испытаний ЭКБ на созданном узком протонном пучке 026 мм проводятся тестовые испытания экспериментального оборудования и детектирующих структур, предназначенных для участия в международных экспериментах СВМ и PANDA на строящемся в GSI комплексе FAIR.

На защиту выносятся:

способы формирования узких (026 мм) и широких (до 0300 мм) протонных пучков для испытаний ЭКБ;

расчет и формирование протонного пучка с переменной энергией от 200 до 1000 МэВ для испытаний ЭКБ;

создание трактов транспортировки протонного пучка к месту облучения;

создание приборов для диагностики и мониторирования протонного и нейтронного пучков;

экспериментальное исследование параметров протонных пучков для испытаний ЭКБ;

расчет, создание и экспериментальное исследование параметров нейтронного пучка, повторяющего спектр атмосферных нейтронов; создание рабочих мест для проведения испытаний ЭКБ на протонном и нейтронном пучках;

создание на базе синхроциклотрона ПИЯФ универсального комплекса для радиационных испытаний ЭКБ, используемой в космических аппаратах, авионике и промышленности. Комплекс позволяет проводить ускоренные испытания как на протонных, так и нейтронном пучках.

Личный вклад автора

Приведенные в диссертации результаты исследований и разработок получены лично или при непосредственном участии автора. Автором внесен определяющий вклад в постановку задач, выбор методик исследования, анализ результатов и разработку оборудования на базе полученных данных.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях ИАБЕС8-99, 11АВЕС8-2001; на Всероссийской конференции по ускорителям заряженных частиц ЯиРАС-2004; на Международной научно-технической конференции «Нано-технологии функциональных материалов, „НФМ-10"»; на конференциях «СТОЙКОСТЬ-2003», «СТОЙКОСТЬ-2008-2011»; на Всероссийской конференции «Пути решения задач обеспечения современной радиоэлектронной аппаратуры надежной электронной компонентной базой»; на конференции «Влияние внешних воздействующих факторов на элементную базу аппаратуры авиационной и космической техники».

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликованы 15 статей в научной периодике. Из них 8 статей опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК. Получен патент на полезную модель № 80641.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 72 рисунка, 11 таблиц и список литературы, включающий 79 наименований. Объем работы 111 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении приводится краткое описание причин, вызывающих единичные сбои в полупроводниковых приборах, обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель работы, научная новизна, положения, выносимые на защиту, и практическая ценность полученных результатов.

Первая глава посвящена описанию развития и современному состоянию синхроциклотрона ПИЯФ, его ускорительного комплекса.

При усовершенствовании ускорителя были внедрены новые, оригинальные решения, такие как высокоэффективная система вывода, система увеличения длительности выведенного протонного пучка, система одно-оборотного сброса пучка на нейтронообразующую мишень, импульсная электростатическая фокусировка в центре и другие.

Внедрение системы вывода с эффективностью 30 % и системы электростатической фокусировки в центральной области позволили увеличить интенсивность выведенного из ускорительной камеры пучка до 1 мкА.

Система временной растяжки пучка позволила увеличить коэффициент временного заполнения пучка с 2 до 85 % при частоте вывода пучка 50 Гц.

Импульсный однооборотный сброс пучка на внутреннюю нейтронообразующую мишень позволил создать времяпролетный нейтронный спектрометр ГНЕЙС (Гатчинский НЕЙтронный Спектрометр).

Для расширения экспериментальных возможностей и спектра научных исследований были решены следующие задачи:

созданы установки для получения вторичных частиц: я- и ц-мезонные

каналы;

выведен из синхроциклотрона второй протонный пучок;

создан тракт с переменной энергией протонного пучка.

Также были созданы специализированные комплексы, такие как медицинский протонный комплекс и спектрометрический комплекс ИРИС (Исследование Радиоактивных Изотопов на Синхроциклотроне). Современное состояние ускорительного комплекса синхроциклотрона ПИЯФ показано на рис. 1.

Рис. 1. Ускорительный комплекс синхроциклотрона ПИЯФ

В последние годы все большее внимание в программе исследований уделяется прикладным проблемам. Оказалось, что на базе созданного для фундаментальной науки экспериментального комплекса с хорошо развитой системой пучков возможно путем сравнительно недорогих модификаций создать современный комплекс для массовых радиационных испытаний ЭКБ для авиации, космоса и оборонной промышленности.

Во второй главе описываются различные моделирующие установки, применяемые для изучения влияния тяжелых заряженных частиц на интегральные полупроводниковые элементы, такие как импульсные лазерные излучатели, изотопные источники, ускорители тяжелых ионов и протонные ускорители.

Анализ научной литературы показывает, что наряду с несомненными достоинствами лазерных и изотопных методик (низкая стоимость, простые установки) их применение для радиационных испытаний имеет ряд существенных ограничений и недостатков. Несмотря на многочисленные трудности (время, дороговизна, доступность и т. д.) ускорители остаются одними из немногих установок, обеспечивающих наиболее полное и адекватное проведение радиационных испытаний.

Моделирование воздействия тяжелых космических ионов на интегральные схемы выполняется с использованием ускорителей тяжелых ионов. К сожалению, в этом случае пробеги используемых ионов обычно оказываются много меньше, чем пробеги ионов галактического происхождения. Большой проблемой при оценке стойкости интегральных полупроводниковых элементов по единичным эффектам оказывается длина пробега того или иного иона в материале корпуса и кристалле полупроводниковых элементов. Это существенно, когда необходимо исследовать изделия в пластмассовых корпусах, толщина которых порядка 1 мм. При испытаниях, в силу малых пробегов ионов, корпуса полупроводниковых элементов приходится утончать либо при помощи химической обработки, либо механической.

Испытания на стойкость к воздействию протонов проводят с использованием ускорителей протонов. Анализ литературы показывает, что сечение сбоев чувствительного элемента интегральной микросхемы растет с увеличением энергии протонов, а при энергиях в области от нескольких сот до 1000 МэВ зависимость имеет монотонный характер1 (см. рис. 2). Можно считать сечение сбоев, полученное при энергии протонов 1 ООО МэВ, максимальным предельным значением. Максимальные величины линейной передачи энергии (ЛПЭ) у ионов, образующихся в результате ядерных реакций в кремнии из-за упругих столкновений протонов с ядрами, составляют величину на уровне 15 МэВ х см2/мг2,3. Для оценки этой величины рассмотрим в качестве примера типовые условия эксплуатации изделий на борту МКС. На рис. 2, 3 представлен спектр ЛПЭ тяжелых космических ионов на орбите МКС в пересчете на год.

Из рис. 3 видно, что на 1 см2 поверхности за год в указанных условиях попадет всего 4 иона с ЛПЭ >15 МэВ х см2/мг, т. е. вероятность единичного сбоя от таких ионов для изделия с кристаллом стандартной площадью менее 0,14 см2 будет очень мала.

Таким образом, можно утверждать, что протонный пучок синхроциклотрона ПИЯФ является хорошим инструментом для определения вероятности возникновения единичных эффектов в интегральных полупроводниковых элементах под действием космического излучения, в том числе и значительной части тяжелых ионов.

1 Bendel W. L., Petersen E. L. Proton Upsets in Orbit // IEEE Trans. Nucl. Sei. 1983. V. 30, No. 6, December. P. 4481^485.

2 Rollins J. G. Estimation of Proton Upset Rates from Heavy Ion Test Data // IEEE Trans. Nucl. Sei. 1990. V. 37, No. 6, December. P. 1961-1965.

3 Titus J. L„ Wheatley C. F. Proton-Induced Dielectric Breakdown of Power MOSFETs // IEEE Trans. Nucl. Sei. 1998. V. 45, No. 6, December. P. 2891-2897.

Рис. 2. Зависимости сечений сбоев ряда микросхем от энергии протонов

Рис. 3. Годовой интегральный спектр ЛПЭ тяжелых ионов на орбите МКС за защитой 5 г/см2 (расчет по программе СКЕМЕ96)

В третьей главе описываются три реализованных в ПИЯФ способа формирования протонного пучка для облучения ЭКБ на двух различных направлениях:

1) . формирование пучка с использованием коллиматора эксперимен-

тального зала - направление Р2;

2) формирование пучка без коллиматора экспериментального зала -направление Р2;

3) формирование пучка с переменной энергией - направление РЗ. Схема трактов транспортировки выведенного протонного пучка

к местам облучения ЭКБ показана на рис. 4.

Рис. 4. Схема трактов транспортировки выведенного протонного пучка.

1 - коллиматор Главного зала, 2 - отклоняющий магнит, <31, 02 и (}3 - дублеты квадрупольных линз

Первые два способа реализованы на направлении Р2, и энергия протонного пучка в обоих случаях постоянна и равна Е = 1 ООО МэВ.

В первом случае формируется слабо расходящийся протонный пучок диаметром 26 мм. На рис. 5, 6 приведены радиоавтографы протонного пучка в двух контрольных точках тракта: на входе в зону облучения и на выходе. На рис. 7 приведено экспериментально измеренное распределение интенсивности в сформированном пучке (однородность) в точке выхода из зоны облучения ЭКБ.

Расчеты, выполненные с использованием комплекса программ ОЕАЫТ-З4, показали, что вклад нейтронной компоненты в протонный пучок в месте облучения равен 0,5 %.

4 \Vebsite: http://wwwinfo.cern.ch/asdok/geant-html3/geantall.html

10

Рис. 5. Радиоавтограф пучка на входе Рис. 6. Радиоавтограф пучка на

в зону установки облучаемых образцов, выходе из зоны установки облучае-026 мм мых образцов, 028 мм.

Пролетная база 1700 мм

Отн. ед.

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

Координата точки измерения, мм.

Рис. 7. Распределение интенсивности в сформированном пучке (однородность) в точке выхода из зоны облучения ЭКБ

Во втором случае размер протонного пучка в месте облучения может быть изменен в пределах 025 ^ 0300 мм. Огибающие, пучка для двух вариантов, полученные с помощью программы TRANSPORT5, показаны на рис. 8,9.

Расстояния «

Рис. 8. Размер протонного пучка в месте облучения: результаты расчета и радиоавтограф пучка

Рис. 9. Размер протонного пучка в месте облучения: результаты расчета

Для мониторирования пучка, прошедшего через образец, используется ионизационная камера, расположенная за коллиматором перед испытываемым образцом. Для измерения тока с ионизационной камеры применяется способ преобразования ток—»-частота. Сигнал с преобразователя ток—»частота поступает на вход счетчика импульсов на базе микроконтроллера. Управление счетчиком выполняется с ПК.

Для абсолютной калибровки потока используется реакция 27А1(р, Зрп)2ФЫаб. Перевод количества импульсов в количество протонов производится с помощью коэффициента пропорциональности, который находится из результатов абсолютной калибровки. Результаты измерения заносятся в таблицу, а в конце работы формируется текстовый файл со всеми данными из таблицы. Также во время работы ведется контроль интенсивности в виде графиков, которые сохраняются в файл в конце каждого измерения. Поток протонов в месте облучения может меняться в пределах от 10б до 109 част, х см~2 х с"1.

Тракт транспортировки оснащен системой контроля параметров пучка по тракту, автоматизированной системой управления коллиматорами,

3 Broun K. L„ Garey D. C„ Iselin Ch. and Rothacker F. TRANSPORT.

A Computer Program for Designing Charged Particle Beam Transport System. CERN 73-16.

15 November 1973.

6 High-Energy Nuclear Reaction Cross-Section. CERN Report 61-1. Part 1, by E. Bruninx.

системой вакуумной откачки, системой охлаждения, автоматизированной системой управления током в магнитных элементах тракта, которая обеспечивает стабильность тока на уровне 10"4.

Испытательная установка (рис. 10) оснащена столом, на котором располагается система позиционирования для испытываемого изделия, розетками и разъемами питания, разъемами и кабелями для связи и передачи сигналов, приборами контроля и мониторирования протонного пучка. Для точной локализации пучка на изделие используется лазер, имеется сеть ETHERNET.

Установка на базе синхроциклотрона ПИЯФ на направлении Р2 аттестована и признана пригодной для проведения испытаний элементной комплектующей базы. Аттестат показан на рис. 11.

Третий случай реализован на направлении РЗ (см. рис. 4), и энергию протонного пучка в этом случае можно менять в пределах от 200 до 1 ООО МэВ.

Тракт пучка состоит из поглотителя, двух коллиматоров, ограничивающих размеры и расходимость пучка, двух дублетов линз и отклоняющего магнита. Канал спроектирован таким образом, что на нем можно получить пучок любой энергии от 200 до 1000 МэВ без изменения геометрии канала. Для изменения энергии достаточно изменить длину поглотителя и магнитные поля в магните и линзах согласно соотношению G/P = Const.

Процедура расчета тракта состояла из двух основных этапов. На первом этапе рассчитывались параметры пучка после поглотителя с помощью комплекса программ GEANT-3. Параметры каждой частицы - поперечные координаты, вектор импульса и энергия — запоминались и служили входными данными для расчета тракта транспортировки пучка с помощью программ «Мезон»7 и «Оптимум»8 на втором этапе. Программы позволяют проследить траектории большого числа частиц вдоль канала.

Для экспериментального исследования параметров пучка переменной энергии был изготовлен набор оборудования и регистрирующей аппаратуры, которая была установлена на направлении РЗ. Энергия и энергетический разброс пучка измерялся по времени пролета между сцинтилляцион-ными счетчиками, расположенными на фиксированном расстоянии. Размеры пучка определялись с помощью многопроволочных пропорциональных камер. Абсолютная интенсивность пучка в точке фокуса определялась по наведенной активности в алюминиевых фольгах.

7 Абросимов Н. К., Волченков В. А., Рябов Г. А. // Тр. IV Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Москва, 18-20 ноября 1974 г. М., 1975. Т. 2. С. 231-235.

8 Абросимов Н. К., Волченков В. А., Рябов Г. А. II Тр. VI Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 11-13 октября 1978 г. М., 1979. Т. 2. С. 175-177.

Рис. 10. Испытательная установка

Рис. 11. Аттестат на использование испытательной установки

На рис. 12 представлены экспериментально измеренные расчетные интенсивности пучка в зависимости от энергии для каналов с одним и двумя включенными дублетами.

Рис. 12. Экспериментально измеренные расчетные интенсивности пучка в зависимости от энергии

Четвертая глава посвящена расчету, формированию и экспериментальному исследованию единственного в Европе нейтронного пучка, спектр которого аналогичен спектру атмосферных нейтронов, удовлетворяющему Международному стандарту JESD89.

Международный нормативный документ JEDEC89 STANDARD (Measurement and Reporting of Alpha Particles and Terrestrial Cosmic Ray-Induced Soft Errors in Semiconductor Devices) предписывает проводить испытания электронных изделий в потоках нейтронов со спектром, подобным атмосферному спектру нейтронов. За «эталон» в JEDEC89 STANDARD принят спектр нейтронов на широте Нью-Йорка. Особенность потоков атмосферных нейтронов заключается в крайне широком энергетическом спектре частиц, простирающемся от низких энергий вплоть до энергий 1000 МэВ.

В мире действует только три стенда для радиационных испытаний со спектром нейтронов атмосферного типа: в Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) (на установке LANSCE - WNR9 реализован подобный спектр нейтронов в диапазоне энергий 0,1 750 МэВ и с рабочим интегральным потоком до 10б н х см~2х с"1), на мезонной фабрике TRIUMF10 (Ванкувер, Канада) с нейтронным спектром до 450 МэВ, на установке

9 Website: www.lansce.lanl.gov

10 Website: www.triumf.ca

Vesuvio11 (ISIS at the Rutherford Appleton Laboratory, Англия). В России подобные установки отсутствуют.

Для генерации нейтронов, повторяющих спектр атмосферных нейтронов, использована внутренняя нейтронообразующая мишень синхроциклотрона ПИЯФ существующего времяпролетного нейтронного спектрометра ГНЕЙС12

С помощью программного комплекса GEANT-3 был выполнен расчет выхода нейтронов из вольфрамовой мишени. Расчеты подтвердили возможность создания на базе синхроциклотрона ПИЯФ на энергию протонов 1000 МэВ достаточно интенсивного нейтронного пучка, имитирующего спектр атмосферных нейтронов и отвечающего условиям стандарта JEDEC89.

Экспериментально измеренный спектр нейтронов в диапазоне энергий 1 н- ЮОО МэВ показан на рис. 13. Здесь же для сравнения приведены стандартный спектр, рекомендованный для проведения испытаний электронных изделий по Международному стандарту JEDEC89, и спектр нейтронов, полученный на стенде ICE House в Лос-Аламосе.

m

диаметр коллиматора 50 мм.

—•— Standard

10

100

юоо

с

Энергия нейтрона, МэВ.

Рис. 13. Спектр нейтронного пучка ПИЯФ в сравнении с атмосферным спектром (standard) и спектром LANL

11 Website: www.isis.rl.ac.uk

12 Abrosimov N. К., Borukhovich G. Z„ Laptev A. В. et al. // Nucl. Instrum. Meth. A. 1985. V. 242. P. 121.

В заключении сформулированы основные результаты работы. В настоящее время в ПИЯФ создан комплекс для радиационных испытаний ЭКБ, который располагает следующей экспериментальной облучательной базой:

1) ускорителем протонов - синхроциклотроном - на энергию выведенного пучка 1 ООО МэВ;

2) выведенным протонным пучком, который имеет уникальную временную структуру: duty factor, определяемый как отношение длительности макроимпульса тока протонов к периоду их следования т = At IT, может плавно меняться в диапазоне от 1,7 до 85 % при частоте вывода 50 Гц;

3) слабо расходящимся протонным пучком диаметром 26 мм в месте облучения ЭКБ. Энергия протонного пучка 1 ООО МэВ. Возможно увеличение размера протонного пучка до 0300 мм;

4) протонным пучком с переменной энергией в диапазоне 200 1000 МэВ и размером в месте облучения 030 мм;

5) единственным в Европе нейтронным пучком, спектр которого аналогичен спектру атмосферных нейтронов, удовлетворяющим Международному стандарту JESD89. При использовании свинцовой нейтронообразующей мишени плотность нейтронного потока на расстоянии 35 метров равна 1,2 х 105 н х см "2 х с

6) системой on-line-диагностики и мониторирования протонных и нейтронных пучков.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях*:

1. Абросимов Н. К., Иванов Е. М., Михеев Г. Ф., Рябов Г. А., Щербаков О. А. Нейтронный генератор с энергетическим спектром нейтронов, повторяющим спектр атмосферного нейтронного излучения: Пат. на полезную модель №80641 с приоритетом от 4 августа 2008 г. Выдан 10.02.2009 г. // Бюллетень. Изобретения и полезные модели. 2009. № 4. С. 213.

2. Абросимов Н. К., Вайишепе JI. А., Воробьев А. С., Иванов Е. М., Михеев Г. Ф., Рябов Г. А., Тверской М. Г., Щербаков О. А. Создание и экспериментальное исследование пучка нейтронов на синхроциклотроне ПИЯФ для тестирования компонентов электроники на радиационную стойкость // ПТЭ. 2010. № 4. С. 5-12.

* 1-8 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК.

3. Абросимов H. К., Ермаков К. Н., Иванов Е. М., Лебедев В. М., Миронов Ю. Т., Пашук В. В., Рябов Г. А., Смолин В. А., Тверской М. Г., Токарев Б. Б. Ускорители ПИЯФ РАН и возможности проведения на них исследований по радиационной стойкости электронных систем // Вопросы атомной науки и техники: науч.-техн. сб. Вып. 3-4. М., 1999. С. 150-152. (Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру).

4. Duzellier S., Falguere D., Tverskoy M, hanov E., Dufael R, Calvet M.-C. SEU Induced by Pions in Memories from Different Generations // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2001. V. 48, No. 6. P. 1960-1965.

5. Абросимов H. К, Иванов E. M., Миронов Ю. Т., Рябов Г. А., Тверской М. Г. Пучок протонов переменной энергии синхроциклотрона ПИЯФ - новые возможности для изучения радиационных эффектов // Вопросы атомной науки и техники: науч.-техн. сб. Вып. 4. М., 2003. С. 43^15. (Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру).

6. Абросимов Н. К, Иванов E. М., Коптев В. П., Рябов Г. А., Тверской М. Г., Щербаков О. А. Анализ возможности создания на синхроциклотроне на 1 ГэВ пучка нейтронов со спектром, повторяющим спектр атмосферных нейтронов // Вопросы атомной науки и техники: науч.-техн. сб. Вып. 2. М., 2009. С. 59-61. (Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру).

7. Абросимов Н. К, Вайшяене JI. А., Воробьев А. С., Иванов E. М., Рябов Г. А., Тверской М. Г., Щербаков О. А. Экспериментальное исследование созданного на синхроциклотроне нейтронного пучка для радиационных испытаний электронной компонентной базы // Вопросы атомной науки и техники: науч.-техн. сб. Вып. 1. М., 2010. С. 78-82. (Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру).

8. Абросимов Н. К., Воробьев А. С., Иванов E. М„ Михеев Г. Ф., Рябов Г. А., Тверской М. Г, Щербаков О. А. Ускорительный комплекс ПИЯФ: возможности для проведения радиационных испытаний электронно-компонентной базы // Вопросы атомной науки и техники: науч.-техн. сб. Вып. 4. М., 2010. С. 107-112. (Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру).

9. Абросимов Н. К, Иванов E. M., Миронов Ю. Т., Рябов Г. А., Тверской М. Г. Характеристики пучка протонов переменной энер-

гии синхроциклотрона ПИЯФ // Радиационная стойкость электронных систем, «СТОЙКОСТЬ-2003»: науч.-техн. сб. Вып. 6. М., 2003. С. 165-166.

10. Abrossimov N. К., Ermakov К. N., Ivanov Е. М., Lebedev V. М., Mironov Yu. Т., Pashuk V. V., Riabov G. A., Smolin V. M„ TverskoyM. G., Duzellier S. ONER A, France. The Potential of the Radiation Effects Investigations on the Accelerator Facilities at Gatchina // Program 5th European Conference "Radiation and its Effects on Components and Systems (RADECS-99)". France, Fontevraud, 13-17 September 1999, E-p-5. P. 15.

11. Абросимов H. К., Иванов E. M., Миронов Ю.Т., Рябов Г. A., Тверской M. Г. Пучок протонов переменной энергии синхроциклотрона ПИЯФ - новые возможности для изучения радиационных эффектов // Тез. докл. конф. «Влияние внешних воздействующих факторов на элементную базу аппаратуры авиационной и космической техники». Королев, 16-17 апреля 2003 года. С. 20-21.

12. Abrossimov N. К., Ivanov Е. М., Mironov Yu. Т., Riabov G. А., Tverskoy М. G. Proton Beam of Variable Energy - the New Tool for Investigation of Radiation Effects at PNPI Synchrocyclotron // IEEE Radiation Effects Data Workshop, Workshop Record, IEEE Catalog Number 03TH8709, ISBN 0-7803-8127-0,2003. P. 145-148.

13. Абросимов H. К, Иванов E. M., Коптев В. П., Рябов Г. А., Тверской М. Г., Щербаков О. А. Анализ возможности создания на синхроциклотроне на 1 ГэВ пучка нейтронов со спектром, повторяющим спектр атмосферных нейтронов // Радиационная стойкость электронных систем, «СТОЙКОСТЬ-2008»: науч.-техн. сб. Вып. 11. М., 2008. С. 211-212.

14. Абросимов Н. К., Вайшнене Л. А., Воробьев А. С., Иванов Е. М., Рябов Г. А., Тверской М. Г., Щербаков О. А. Экспериментальное исследование созданного на синхроциклотроне ПИЯФ РАН нейтронного пучка для радиационных испытаний ЭКБ // Радиационная стойкость электронных систем, «СТОЙКОСТЬ-2009»: науч.-техн. сб. Вып. 12. М., 2009. С. 223-224.

15. Абросимов Н. К., Воробьев А. С., Иванов Е. М., Михеев Г. Ф., Рябов Г. А., Тверской М. Г., Щербаков О. А. Ускорительный комплекс ПИЯФ: Испытания ЭКБ // Петербургский журнал электроники. 2009. № 1.С. 31-43.

16. Абросимов Я К, Ермаков К Я, Иванов Е. М, Иванов Я А., Малинин В. Г., Мишин Е. В., Пашук В. В., Рябов Г. А., Тверской М. Г., Щербаков О. А. Воздействие отдельных частиц на материалы и приборы // Нанотехнологии функциональных материалов, «НФМ-10»: тр. Междунар. науч.-техн. конф., 22-24 сентября 2010 года. СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2010. С. 49-50.

17. Иванов Я А., Иванов Е. М, Мишин Е. В., Лобанов О. В., Пашук В. В., Тверской М. Г., Щербаков О. А. Исследование темновых токов в ССБ-матрицах, облученных протонами и нейтронами // Радиационная стойкость электронных систем, «СТОИКОСТЬ-2010»: науч.-техн. сб. Вып. 13. М., 2010. С. 89-90.

18. Воробьев А. С., Иванов Е. М., Иванов Я А., Рябов Г. А., Тверской М. Г., Щербаков О. А., Васильев И. О., Котов Д. К Ускорительный комплекс ПИЯФ: возможности для проведения радиационных испытаний ЭКБ // Вопросы атомной науки и техники: науч.-техн. сб. Вып. 14. М., 2011. С. 213-214. (Радиационная стойкость электронных систем).

Отпечатано в типографии ФГБУ «ПИЯФ»

188300, Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща Зак. 97, тир. 100, уч.-изд. л. 1; 17.04.2012 г.

Список терминов, условных обозначений и сокращений.

Введение.

Глава 1. Ускорительный комплекс ПИЯФ.

1.1. Синхроциклотрон ПИЯФ.

1.1.1. Высокоэффективная система вывода.

1.1.2. Система временной растяжки пучка.

1.1.3. Импульсный однооборотный сброс пучка.

1.1.4. Система электростатической фокусировки в центральной области.

1.2. Экспериментальный комплекс синхроциклотрона ПИЯФ.

1.2.1. Основной протонный пучок.

1.2.2. Второй выведенный протонный пучок.

1.2.3. Протонный пучок с переменной энергией от 200 МэВ до 900 МэВ.

1.2.4. Вторичные пучки л и \х мезонов.

1.3. Экспериментальные комплексы на синхроциклотроне ПИЯФ.

1.3.1. Медицинский протонный комплекс.

1.3.2. Спектрометрический комплекс ИРИС.

1.3.3. Спектрометр ГНЕЙС.

1.4. Современный статус синхроциклотрона ПИЯФ.

1.5. Выводы.

Глава 2. Моделирование воздействия Тяжелых Заряженных

Частиц на ИПЭ.

2.1. Моделирование воздействия ТЗЧ импульсным лазерным излучением.

2.2. Моделирование воздействия потоков ТЗЧ на ИПЭ изотопными источниками.

2.3. Моделирование воздействия потоков ТЗЧ на ИПЭ с использованием ускорителей.

2.3.1. Ускорители тяжелых ионов.

2.3.2. Протонные ускорители.

2.4. Требования к протонному пучку и установке для облучения ЭКБ.

2.4.1. Требования к параметрам пучка.

2.4.2. Требования к облучательной установке.

2.5. Выводы.

Глава 3. Протонные пучки для облучения ЭКБ на синхроциклотроне ПИЯФ.

3.1. Тракты транспортировки протонного пучка и расположение мест облучения ЭКБ.

3.2. Направление Р2. Описание элементов тракта транспортировки протонного пучка.

3.2.1 Профилометры протонного пучка.

3.2.2. Коллиматор главного зала.

3.2.3. Коллиматор экспериментального зала.

3.2.4. Корректоры протонного пучка.

3.2.5. Автоматизированная Система Управления и контроля токов в магнитных элементах тракта.

3.3. Направление Р2. Формирование пучков для облучения ЭКБ.

3.3.1 Направлении Р2. Формирование узкого протонного пучка для облучения ЭКБ с использованием коллиматора экспериментального зала.

3.3.1.1. Расчет влияния коллиматора на параметры протонного пучка.

3.3.1.2. Оценка вклада нейтронной компоненты.

3.3.1.3. Экспериментальное исследование параметров узкого протонного пучка для облучения ЭКБ на направлении Р2.

3.3.1.4. Мониторирование протонного пучка и абсолютная калибровка.

3.3.1.5. Приборное оснащение комплекса для испытаний ЭКБ.

3.3.2. Направлении Р2. Формирование широкого протонного пучка для облучения ЭКБ.

3.4. Направление РЗ. Формирование протонного пучка с изменяемой энергией для облучения ЭКБ.

3.4.1. Описание тракта пучка с переменной энергией.

3.4.2. Алгоритм расчета параметров пучка после поглотителя.

3.4.3. Выбор длины поглотителя.

3.4.4. Расчет параметров пучка после поглотителя.

3.4.5. Оптика канала транспортировки.

3.4.6. Экспериментальная настройка канала и результаты.

3.5. Выводы.

Глава 4. Нейтронный пучок для облучения ЭКБ на синхроциклотроне ПИЯФ.

4.1. Введение в проблему.

4.2. Расчет спектра нейтронов.

4.3. Измерение спектра нейтронов.

4.4 Выводы.

Современный мир напрямую зависит от эффективной работы различных космических систем. Множество задач решаются сегодня с помощью средств космического базирования: прогноз погоды и разведка полезных ископаемых, мониторинг окружающей среды и развитие телекоммуникаций и телевидения, обеспечение обороноспособности страны и многое другое. Если первые космические аппараты успешно работали где-то в течение года, то в настоящее время стоит задача обеспечения сроков активного их функционирования в течение 7 -М 0 лет и в перспективе 15 лет.

Совершенствование космической и авиационной техники в значительной степени обеспечивается широким применением изделий микро - и наноэлектроники. Одним из основных условий их успешного использования является способность длительное время надежно функционировать в радиационных полях космического пространства и верхних слоев атмосферы.

На современном этапе развития спутниковых систем остро стоит необходимость создания высоконадежной радиоэлектронной аппаратуры для автоматических космических аппаратов с длительным сроком активного существования, эксплуатируемой в условиях открытого космического пространства, с одновременным увеличением ее функциональных возможностей до 3-х раз, снижением массовых характеристик до 2-х раз и обеспечением радиационной стойкости радиоэлектронной аппаратуры. Это приводит к необходимости применения в радиоэлектронной аппаратуре функционально сложной электронной компонентной базы (ЭКБ) - больших и сверхбольших интегральных схем (БИС, СБИС) и мощных МОП транзисторов, а также электронных модулей на их основе. Указанная ЭКБ и модули являются весьма чувствительными к воздействию высокоэнергетичных протонов и тяжелых заряженных частиц космического пространства, которые могут вызывать одиночные сбои в их работе и катастрофические отказы, что в свою очередь приводит к аналогичным эффектам в радиоэлектронной аппаратуре автоматических космических аппаратов, особенно в периоды повышенной солнечной активности.

Широкое применение полупроводниковых изделий микроэлектроники в качестве элементной базы космических электронных систем сделало актуальной задачу оценки и прогнозирования уровней отказов элементов и узлов к радиационным воздействиям космического пространства.

Требования проведения этих испытаний обусловлены тем обстоятельством, что в современных приборах, изготовляемых по микронной и субмикронной технологиям, возникли новые эффекты радиационного воздействия, связанные с ионизационными эффектами и структурными повреждениями изделий под действием отдельных высокоэнергетических частиц, так называемые единичные радиационные эффекты, или Single Event Effect (SEE). Единичные радиационные эффекты - это сбои (инверсии в ячейках памяти динамических и статических ОЗУ), тиристорные эффекты в паразитных биполярных структурах МОП интегральных схем, микродозовое поглощение в диэлектрических структурах МОП интегральных схем, изготовленных по технологиям менее 0,35 мкм, пробои подзатворного диэлектрика в мощных МОП транзисторах и др. Для различных изделий электронной техники оказались критичны случаи однократного выделения в их объеме больших величин энергии, в результате чего возможно резкое ухудшение параметров или полная потеря работоспособности элементов изделий.

Единичные эффекты возникают в интегральных полупроводниковых элементах (ИПЭ) при воздействии на них высокоэнергетичных космических ионов, протонов, альфа частиц, нейтронов и некоторых других частиц. Воздействие тяжелых ионов, и в некоторых случаях альфа частиц, обусловлено прямыми ионизационными потерями энергии в чувствительных объемах ИПЭ.

В случае протонов и нейтронов, имеющих малые ионизационные потери в материале ИПЭ, единичные эффекты возникают из-за ионизационных потерь энергии вторичными тяжелыми ионами, которые образуются в результате инициируемых протонами и нейтронами ядерных реакций, происходящих непосредственно в чувствительном объеме или рядом с ним.

В основе большинства единичных эффектов лежит эффект изменения состояния элементарных транзисторов и конденсаторов. Непосредственной причиной таких «сбоев» является накопление в критичной области изделия электрического заряда, способного перевести элементарный транзистор или конденсатор в противоположное состояние (из логического нуля в логическую единицу и наоборот, из включенного состояния в выключенное и наоборот, из заряженного состояния в разряженное и наоборот).

Обеспечение и прогнозирование радиационной стойкости интегральных схем осуществляется на основе требований соответствующих нормативно-технических документов. Так, за рубежом этим целям служат стандарты США MIL-STD-883 и JEDEC89, а также Европейского космического агентства ESA/SSC Basic Specification. В России таким документом является Комплекс Государственных Военных Стандартов «Климат-7»1, предусматривающий испытания ЭКБ на воздействие спецфакторов открытого космического пространства, в том числе тяжелых заряженных частиц и высокоэнергетичных протонов.

Развитие отечественной электронной компонентной базы и обеспечение ее радиационной стойкости является приоритетной государственной задачей в соответствии с «Основами политики Российской Федерации в области развития электронной компонентной базы на период до 2010 года и дальнейшую перспективу», утвержденных Президентом Российской Федерации 12.04.2002 и Федеральной Целевой Программой «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008 - 2015 годы, утвержденной постановлением Правительства РФ № 809 от 26 ноября 2007 года.

В России отсутствуют специализированные установки для комплексных исследований радиационных эффектов ЭКБ в протонных, нейтронных и

1 (ГОСТ РВ 20.39.4.,.,ГОСТ РВ 20.57.4.) - система стандартов России 1997-98 г. г. определяющих требования к военной технике (ГОСТ В 20.39) и методы испытаний на соответствие этим требованиям (ГОСТ В 20.57) ионных пучках. Подобные исследования, как правило, проводятся в ядерных научных центрах на испытательных стендах, созданных на базовых экспериментальных установках.

Развитие радиационностойкой ЭКБ требует создания новых и развития действующих испытательных стендов.

Представляется своевременным инициирование работ по созданию и развитию Комплекса для испытаний ЭКБ на воздействие высокоэнергетичных протонов и нейтронов на базе синхроциклотрона ПИЯФ с энергией протонов 1000 МэВ.

Цели работы

• Создание протонных и нейтронного пучков, удовлетворяющих требованиям Российских и Международных стандартов для испытания ЭКБ.

• Экспериментальные исследования параметров созданных пучков.

• Создание аттестованных рабочих установок для радиационных испытаний ЭКБ и исследовательских работ.

• Создание комплекса для радиационных испытаний ЭКБ на синхроциклотроне ПИЯФ.

Научная новизна

• Создан стенд для радиационных испытаний ЭКБ на протонных пучках с энергиями от 200 МэВ до 1000 МэВ, оборудованный оригинальными системами диагностики.

• Предложена новая схема получения нейтронного пучка со спектром, повторяющим спектр атмосферных нейтронов. Данный нейтронный пучок является единственным в Европе. Новизна подтверждена Патентом [1].

• На базе синхроциклотрона ПИЯФ создан новый универсальный комплекс для радиационных испытаний Электронной Компонентной Базы в протонных и нейтронном пучках.

Практическая ценность работы

В течение последних 10 лет в ПИЯФ исследовались отказы и сбои под действием отдельных протонов и нейтронов в работе различных высокоинтегрированных изделий: элементов памяти, транзисторов, ПЗС-матриц. В этом направлении ПИЯФ активно сотрудничает со многими организациями и предприятиями России: Секцией прикладных проблем РАН (г. Москва), ОАО «ЭНПО СПЭЛС», (г. Москва), ОАО «Российские космические системы» (г. Москва), НИИ Космического Приборостроения (г. Москва), ОАО «РНИИ «Электронстандарт» (г. Санкт-Петербург), НИИ Телевидения (г. Санкт-Петербург), и др. Проявлен интерес зарубежных исследовательских фирм: iRoc Technologies, ONERA (Франция). Анализ полученных результатов указывает на то, что в результате ядерных реакций в наноструктурах следует ожидать выхода из строя областей с большим количеством элементов (отдельных блоков).

Следует иметь в виду, что подобные испытания, по всей видимости, необходимы и для конструкционных, биомедицинских и других наноматериалов, которые также повреждаются в полях ионизирующих излучений.

На рисунке 1 приведен график использования синхроциклотрона ПИЯФ на выполнение работ по испытаниям ЭКБ на радиационную стойкость.

Кроме радиационных испытаний ЭКБ на узком протонном пучке 025 мм проводятся тестовые испытания экспериментального оборудования и детектирующих структур, предназначенных для работы в международных физических экспериментах СВМ и PANDA на строящемся в GSI комплексе FAIR.

А юоо^

-'Г 1 ' I ' ' ■ ' ' | ' ' I ' ' . '-,-1 I ' ' ■ 1 1 I 1 ' ' ' 1 I ' ' ' '-1—

1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012

Год

Рисунок 1

График выполнения работ по испытаниям ЭКБ на радиационную стойкость на синхроциклотроне ПИЯФ.

На защиту выносятся;

Способы формирования узких (025 мм) и широких (до 0300 мм) протонных пучков для испытаний ЭКБ.

Расчет и формирование протонного пучка с переменной энергией от 200 МэВ до 1000 МэВ для испытаний ЭКБ.

Создание трактов транспортировки протонного пучка к месту облучения. Создание приборов для диагностики и мониторирования протонного и нейтронного пучков.

Экспериментальное исследование параметров протонных пучков для испытаний ЭКБ.

Расчет, создание и экспериментальное исследование параметров нейтронного пучка, повторяющего спектр атмосферных нейтронов. Создание рабочих мест для проведения испытаний ЭКБ на протонном и нейтронном пучках.

Создание на базе синхроциклотрона ПИЯФ универсального комплекса для радиационных испытаний ЭКБ, используемой в космических аппаратах, авионике и промышленности. Комплекс позволяет проводить ускоренные испытания, как на протонных, так и на нейтронном пучках.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 111 страниц машинописного текста, 73 рисунка, 11 таблиц и список литературы, включающий 79 наименований.

4.4. Выводы

В главе 4 приводятся расчеты нейтронного пучка с энергетическим спектром нейтронов, повторяющим спектр атмосферных нейтронов и удовлетворяющего международному стандарту JEDEC89, принятого для испытаний ЭКБ.

Описаны способ получения такого нейтронного пучка, методика измерений его параметров.

Выполнены работы по реализации нейтронного пучка и экспериментальные работы по измерению его параметров. Создано рабочее место для проведения испытаний ЭКБ.

Этот пучок является единственным в Европе, позволяющим проводить ускоренные испытания электронной компонентной базы по требованиям международного стандарта.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время ПИЯФ располагает следующей экспериментальной облучательной базой:

1. Ускорителем протонов - синхроциклотроном - на энергию выведенного пучка 1000 МэВ.

2. Выведенный протонный пучок обладает уникальной временной структурой: duty factor, определяемый как отношение длительности макроимпульса тока протонов к периоду их следования m = At/T может плавно меняться в диапазоне от 1.7% до 85% при частоте вывода 50 Гц.

3. Слабо расходящимся протонным пучком диаметром 26 мм в месте облучения ЭКБ. Энергия протонного пучка 1000 МэВ. Возможно увеличение размера протонного пучка до 0300 мм.

4. Протонным пучком с переменной энергией в диапазоне 200 МэВ + 1000 МэВ и размером в месте облучения 030 мм.

5. Для испытаний ЭКБ на синхроциклотроне ПИЯФ РАН получен и сформирован единственный в Европе нейтронный пучок, спектр которого аналогичен спектру атмосферных нейтронов, удовлетворяющий международному стандарту JESD89.

6. Разработана система on line диагностики и мониторирования протонных и нейтронных пучков.

В последние десять лет ПИЯФ регулярно проводит радиационные испытания ЭКБ на протонном пучке. На протонных пучках синхроциклотрона 1000 МэВ ПИЯФ ведутся работы как сотрудниками ПИЯФ, так и сторонними ведущими организациями России по проведению радиационных испытаний: ОАО «ЭНПО СПЭЛС», (г. Москва), ОАО «Российские космические системы» (г. Москва), НИИ Космического Приборостроения (г. Москва), ОАО «РНИИ «Электронстандарт» (г. Санкт-Петербург), НИИ Телевидения (г. Санкт-Петербург), и др. Проявлен интерес зарубежных исследовательских фирм: iRoc Technologies, ONERA (Франция).

Рабочие места для проведения испытаний ЭКБ на радиационную стойкость показаны на рисунке 5.1.

Места тестирования оборудования на нейтронном и протонном пучках fttyrpewii мейтрамопром» од » »

Места тестирования оборудования на протонном пучке

Места тестирования оборудования на "'' нейтронном пучке

Рисунок 5.1

Рабочие места для проведения испытаний ЭКБ.