?
Радиационные эффекты в космосе. Часть 3: Влияние ионизирующего излучения на изделия электронной техники.
В третьей части книги представлены результаты экспериментальных исследований влияния ионизирующего излучения на изделия электронной техники. Книга предназначена для конструкторов и разработчиков электронной аппаратуры космических аппаратов, она также может быть полезна для научных работников и инженеров, специализирующихся в области электроники и радиационной физики.
Введение. Обеспечение надежной эксплуатации космических аппаратов в космосе сопряжено с решением целого комплекса научно-технических вопросов, связанных с особенностями внешней обстановки в открытом космосе. Основные факторы этой обстановки хорошо известны. Это глубокий вакуум, невесомость, мощные потоки теплового, ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца, высокоэнергичные электроны и ядра химических элементов галактических космических лучей, частицы солнечных космических лучей и радиационных поясов Земли, частицы микрометеоритов и космического мусора. Каждый из этих факторов требует специального подхода и по каждому из них существует обширная литература. В данной книге мы коснемся вопросов: динамики ионизирующих излучений в околоземном космическом пространстве; радиационной стойкости электронных радиоизделий и материалов, использующихся в космической индустрии; природы электростатических разрядов, возникающих на внешней поверхности космических аппаратов. При рассмотрении всех этих вопросов основное внимание уделено научному анализу физических процессов, лежащих в основе подобных явлений. Книга состоит из трех отдельных частей. В первой части книги рассмотрены физические процессы, определяющие динамику и распределение потоков ионизирующих излучений в околоземном космическом пространстве. Представлены экспериментальные данные, подтверждающие наличие периодических магнитогидродинамических структур в солнечном ветре перед фронтами межпланетных ударных волн, и обсуждается их влияние на эффективность ускорения заряженных частиц в межпланетной среде. Представлены обобщенные экспериментальные данные, под-тверждающие тесную связь с состоянием межпланетной среды: геомагнитной активности, потоков высокоэнергичных частиц, захваченных в геомагнитном поле, и потоков частиц, высыпающихся из радиационного пояса Земли. Рассматривается особая роль рекуррентных (повторяющихся) высокоскоростных потоков солнечного ветра в динамике энергичных частиц в межпланетной среде и в магнитосфере Земли. Подчеркивается важный экспериментальный факт, состоящий в том, что в отсутствии солнечных вспышек всем существенным возрастаниям потока релятивистских электронов в магнитосфере Земли предшествует возрастание скорости солнечного ветра. При этом не отрицается, что некоторое влияние на радиационные условия внутри магнитосферы оказывают множество других факторов, например, величина и знак Bz компоненты вектора межпланетного магнитного поля. Кроме данных, характеризующих степень зависимости динамики ионизирующих излучений в магнитосфере Земли от динамики параметров солнечного ветра, приводятся данные потерь энергии частиц при прохождении через вещество и данные об эффективности снижения интенсивности потоков ионизирующих излучений и поглощенной дозы радиации за защитными экранами. Вторая часть книги состоит из трех глав. В первой главе второй части книги дается всесторонний теоретический анализ радиационной электропроводности полимеров, излагаются новейшие экспериментальные данные по радиационной электропроводности полимеров и прыжковому транспорту носителей заряда в молекулярно допированных полимерах. Воздействие ионизирующих излучений (быстрых электронов, гамма-квантов, протонов, быстрых и медленных нейтронов и др.) на полимерные диэлектрики (в дальнейшем – полимеры) приводит к образованию заряженных частиц в объеме материала. В результате концентрация носителей заряда в облучаемом полимере резко возрастает, что приводит к появлению радиационной электропроводности. За время, прошедшее с момента выхода монографии А. П. Тютнева, В. С. Саенко, Е. Д. Пожидаева, Н. С. Костюкова «Диэлектрические свойства полимеров в полях ионизирующих излучений», появились новые результаты. Они рассеяны в периодической научной литературе и трудах конференций и явно недостаточно отражены и систематизированы в монографиях. Мы предполагаем восполнить этот пробел. Большое внимание будет уделено дальнейшему развитию модели Роуза – Фаулера – Вайсберга с целью охвата дозовых эффектов и прыжкового транспорта, но при условии сохранения формализма модели квазизонного транспорта. Субъективизм авторов состоит в том, что, стараясь сохранить идейное единство глав, они отдают предпочтение модели многократного захвата, используя ее в качестве универсального инструмента при обсуждении и сравнительном анализе экспериментальных и теоретических результатов, полученных исследователями, принадлежащими к различным научным школам. Дело в том, что указанная модель, в зависимости от выбранного энергетического распределения локализованных состояний (ловушек), может достаточно точно моделировать кинетику переходных процессов в самых различных неупорядоченных материалах. Этот подход позволяет обеспечить удивительную физическую прозрачность при описании широкого круга явлений переноса, отсутствующую в большинстве других теорий. Трудности исследования неупорядоченных материалов обусловлены сложностью самого объекта исследования. На данном этапе изучения не представляется возможным строго контролировать состав и структуру некристаллических материалов. Существует значительная сложность и математического описания систем без трансляционной инвариантности. В частности, для учета дефектной структуры материала (пространственного и энергетического беспорядка, наличия пустот свободного флуктуационного объема при возможном влиянии различного рода технологических примесей) необходимо использовать модельные аппроксимации. Формирование новых представлений в области электронного транспорта неупорядоченных систем не завершено. Появившиеся в последнее время результаты позволили углубить наши представления о природе локализации, зоне переноса и кинетических свойствах полимерных матриц. Особого упоминания заслуживает изменение наших взглядов на природу и величину эффективного частотного фактора, фигурирующего в модели многократного захвата. В связи с бурным развитием электрографии были проведены обширные исследования, направленные на изучение переноса носителей заряда в фотопроводящих неупорядоченных системах (полимерах и халькогенидных стеклах). В этой связи привлечение данных, полученных при изучении радиационной электропроводности полимерных диэлектриков, а также фундаментальных результатов из области радиационной химии, представляет несомненный интерес. Более того, на базе этих исследований предложена универсальная методика для изучения подвижности носителей заряда в полимерных системах, позволяющая судить о правильности той или иной теоретической концепции. Общий объем информации по подвижности носителей заряда в полимерах, как и вообще в неупорядоченных твердых телах, чрезвычайно велик, но достаточно противоречив. По нашему мнению, сложившаяся неудовлетворительная ситуация в обсуждаемой области связана с упорным нежеланием ряда ведущих специалистов расширить методическую базу экспериментальных исследований и наряду с приповерхностным способом генерации носителей заряда использовать однородную по объему фотогенерацию, на что уже неоднократно указывалось в литературе, начиная с 1970 г. Таким образом, назрела необходимость критического пересмотра экспериментальных и теоретических результатов по транспорту носителей заряда во всей их совокупности. В течение последних 30 лет нами проводятся систематические исследования как самой радиационной электропроводности, так и подвижности носителей заряда в полимерах, в том числе и методом времени пролета. Объекты изучения включают поливинилкарбазол и молекулярно допированные полимеры. Все это позволяет надеяться на то, что предлагаемый в настоящей монографии анализ окажется в меру объективным и достаточно продуктивным в том смысле, что укажет подходы к разрешению сложившейся кризисной ситуации путем постановки специально поставленных экспериментов. Вторая глава второй части книги посвящена непосредственно радиационной стойкости полимеров. Показано принципиальное отличие этой характеристики для полимеров и керамических материалов. Так как основная доля (90–98 %) поглощенной энергии расходуется на ионизацию и возбуждение атомов и молекул среды и только незначительная часть на смещение атомов и создание структурных дефектов, то ионизационные потери энергии (поглощенная доза) полностью определяет повреждающий эффект в органических материалах. В неорганических материалах деградация свойств вызыва-ется структурными дефектами решетки, т. е. энергией излучения, расходуемой на смещение атомов облучаемого вещества. Показано влияние условий облучения на радиационную стойкость полимеров. Поскольку по-прежнему остаются нерешенными многие вопросы постановки и проведения ускоренных испытаний полимеров по определе-нию надежности их эксплуатации в полях ионизирующих излучений в аппаратуре атомных электростанций и космических аппаратов, то в мо-нографии проведен критический анализ возможности использования для этой цели существующих справочных данных, полученных, как правило, в нормальных условиях в ходе проведения сильно ускоренных испыта-ний по фактору мощности дозы, интегральной дозе и условиям облуче-ния (газовая среда, влажность, агрессивные компоненты и др.), имити-рующим аварийные ситуации на АЭС. Третья глава второй части книги посвящена проблеме электризации материалов внешней поверхности космических аппаратов в открытом космосе, лабораторному моделированию и научному исследованию этих вопросов, а также природе и методам борьбы с электростатическими разрядами на борту космических аппаратов. С середины 1970-х годов начинается интенсивное изучение электризации диэлектрических слоев под воздействием пучков моноэнергетических электронов с энергией в несколько десятков килоэлектронвольт. Этот интерес был обусловлен запросами космической техники, в первую очередь, необходимостью борьбы с электризацией космических аппаратов, эксплуатируемых на геостационарной или высокоэллиптических орбитах. В этом явлении ра-диационная электропроводность служит основным каналом сброса объ-емного заряда на «заземленный» электрод (корпус космического аппара-та), ограничивая внутренние электрические поля. В третьей части книги рассмотрены основные механизмы воздействия ионизирующих излучений на электронные компоненты приборов космических аппаратов, приводящие к нарушению их нормальной работы. Дается краткий обзор результатов исследования влияния радиации на характеристики кремния, основного материала, из которого изготавливаются электронные компоненты для приборов различного назначения. В большинстве своем материалы обобщены из ранее опубликованных научных изданий, которые сейчас трудно найти, а частично взяты из неопубликованных источников. Особое внимание уделяется вопросам, связанным с изменением под воздействием радиа-ции таких параметров полупроводников, как время жизни неосновных носителей заряда, удельное электрическое сопротивление, подвижность носителей заряда. Отмечается, что влияние ионизирующих излучений на свойства полупроводниковых приборов существенно зависит от плотности потока и спектрального состава ионизирующих излучений, температурного режима, как во время облучения, так и после облучения, а также электрического режима работы полупроводников. Большая часть материалов одной из глав посвящена вопросам радиационной стойкости комплектующих электронных компонент иностранного производства различного назначения. Приведенные в данной главе результаты анализа радиационной стойкости электронной компонентной базы иностранного производства, выполненные ведущими специалистами Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», показывают уровень достижений современных технологий при создании электронной элементной базы класса Military и Space. Этот материал, безусловно, будет интересен широкому кругу разработчиков аппаратуры космических аппаратов. Книга рассчитана не только на теоретиков – в ней отсутствуют сложные расчеты, и основное место занимает изложение основных физических идей и результатов. В предлагаемой книге возможны упущения, и поэтому авторы с благодарностью примут все критические замечания и советы. Авторы выражают свою искреннюю признательность целому ряду коллег, без помощи которых появление данной книги оказалось бы не-возможным. Авторы благодарны А. П. Галееву, Н. А. Ухину, А. И. Чума-кову, часть материалов научных исследований которых была использо-вана при написании данной книги. Авторы также выражают благодар-ность за помощь в редактировании и критическом обсуждении изложен-ного материала книги канд. техн. наук М. В. Кожухову.
