В.С. Анашин (ФГУП НИИ космического приборостроения)

1. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ СРОКОВ АКТИВНОГО СУЩЕСТВОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА В.С. Анашин (ФГУП НИИ космического приборостроения)

2. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ 45-55% 25-35% 5-15% 5-15% ЭС ОЭ ДЭ другие 1. Снижение удельной стоимости информации. • 2. Увеличение функциональной сложности: • увеличение числа корпусов ЭКБ; • увеличение степени интеграции ЭКБ; • переход на СБИС,СНК и СВК. 3. Увеличение срока активного существования КА. ИИ КП – ГЛАВЕНСТВУЮЩИЙ ЕСТЕСТВЕННЫЙ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ ФАКТОР, ОГРАНИЧИВАЮЩИЙ СРОК АКТИВНОГО СУЩЕСТВОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ИИ КП стимулируют другие виды отказов (в первую очередь, электростатические) Из-за эффектов одиночных событий зафиксированы отказы космических аппаратов: Feng Yun I (Yun 1998), S II Jan (1998), Iron 9906 (1997); из-за дозовых эффектов – Hipparkos (Aug.1993). * * H.C.Koons et al.,The impact of the space environment on space systems,Aerospace technical Report TR-99 (1670) – 1, 1999)

3. УСРЕДНЕННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА * – порядковый номер в периодической системе.

4. ВИДЫ ОДИНОЧНЫХ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ

5. УРОВНИ И МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЫСОКИХ САС ТКС МЕТОДЫ Конструктивно-технологические Структурно-алгоритмические Нормативно-методические Организационные Информационные Расчетные Экспериментальные УРОВНИ

6. СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМПЛЕКТАЦИИ РЭА КА Требуются подтверждающие испытания Требуются ДОИ Требуются ДОИ - отечественный, - зарубежный.

7. ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТНОЙ БАЗЕ (ЭКБ) КОСМИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ (КП) И ЕЕ ОСОБЕННОСТИ • ●Стойкость к специфическим дестабилизирующим факторам космического пространства: • стойкость к дозовым эффектам (низкоинтенсивным) ~ 105 – 106 рад (Si); • стойкость к одиночным эффектам > 60 – 128 МэВ см2/мг (<10-7 – 10-10 ош/бит день); • термостойкость ­– 1500С (max, без конструктивных способов) + 1250С; • баростойкость до 10-13 мм рт.ст. • ●Высокие требования к надежности и долговечности: • наработка на отказ > 1,5 – 2 105 ч; • интенсивность отказов <10-9 – 10-10. • ●Широкая номенклатура (> 6000). • ●Малая (10 – 1000) серийность (размер партии). • ●Технологические особенности: • топологическая норма 0,5 – 0,35 мкм; • соответствие покрытий (лужение-пайка) выводов; • отсутствие массопереноса материалов корпуса.

8. СПЕЦИФИКА ЭКБ КП Технико-технологический уровень Полнота номенклатурного набора ЭКБ Возможность применения без ДОИ Цель испытаний по стойкости к ИИ КП Возможность применения в БА Классы документи- рованность администра-тивная достовер-ность в т.ч. по стойкости финансовая временная Отечественная Зарубежная зел.- высокий,жел.-средний,крас.- низкий,черн.- отсутствует * Подтверждение характеристик и отбор ** Определение характеристик и отбор

9. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ СРОКА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭКБ (Ткэ – Тио) Задачи: увеличение времени окончания эксплуатации (Tкэ) уменьшение времени начала эксплуатации(=Tио) уменьшение крутизны кривой на участке эксплуатации  Интен-сивностьотказов maxI ТкэI> 10 – 15 лет ТкэQML> 20 – 25 лет QMLQ, V (QML) Космический Industrial, COTS(I) Индустриальный maxQML д 0 0 Тио QML ТиоI Время ТкэQML ТкэI Испытания/Отбраковка Эксплуатация Старение д - допустимая интенсивность отказов 0 - базовая интенсивность отказов max -максимальная интенсивность отказов Тио - время окончанияиспытаний/отбраковки Ткэ - время окончания эксплуатации

10. ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ К ИИ КП НА ЭТАПЕ ПРОИЗВОДСТВА ЭКБ Использование специализированных техпроцессов изготовления СБИС и специализированных материалов («Кремний на сапфире» (КНС), «Кремний на изоляторе» (КНИ),использование гетероструктур и т.п.) технологические способы Высокая цена, отсутствие необходимых материалов и оборудования схемотехнические способы Использование библиотек элементов с мажоритированием на уровне вентилей, кодеров, декодеров Хэмминга, т.н. "усиленных" библиотек элементов, отбор библиотечных компонентов Возможность реализации на стандартных техпроцессах, относительная дешевизна конструктивные способы Необходимость применения специализированных материалов для корпусов Использование специальных корпусов, покрытий и т.п. моделирование эффектов ИИ КП на этапе проектирования ЭКБ Прогнозирование стойкости элементов и аппаратуры на этапе проектирования с использованием специализированных компонентов САПР и моделей компонентов Отсутствие программных продуктов

11. ПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ПРОИЗВОДСТВА И ИСПЫТАНИЙ ЭКБ, СТОЙКОЙ К ДФКП Особенности технологии ИД: доработка технологии отбраковочных испытаний в части ДФКП ИД: объем испытаний в процессе производства ИД: объем дополнительных Образцы ЭКБ Результаты проектирования Результаты испытаний Результаты проектирования Проектирование ЭКБ Моделирование воздействий ДФКП Испытания по воздействию ДФКП (экспериментальное измерение (подтверждение) характеристик, дополнительные отбраковочные испытания) Результаты моделирования Программы и методики испытаний ДФКП − дестабилизирующие факторы космического пространства ИД − исходные данные Задание на обеспечение стойкости ЭКБ к ДФКП Задание на обеспечение технических характеристик ЭКБ Задание на разработку и изготовление ЭКБ

12. АЛГОРИТМ СЕРТИФИКАЦИИ РЭА КА (В ЧАСТИ СТОЙКОСТИ К ИИ КП) Проверка требований по стойкости (этап выдачи и согласования ТЗ (ТТЗ)) Определение состава, уровней воздействия и коэффициентов запаса К з (Коэ= 10, Кдэ= 3) Система мониторинга Расчет локальных условий эксплуатации аппаратуры Отраслевое ПО Проверка специальных мероприятий (этап эскизного проекта, как правило) Выбор ЭКБ Порядок выбора ЭКБ Проверка стойкости выбранной ЭКБ ИСС , отраслевое ПО, порядок оценки стойкости Расчетная оценка стойкости аппаратуры Отраслевое ПО Отраслевое ПО Выявление критических элементов Отраслевое ПО Расчет локальных условий ЭКБ и требований к методам повышения стойкости Методы повышения стойкости Реализация методов повышения стойкости Испытательные стенды Экспериментальное подтверждение стойкости ЭКБ Проверка расчетной оценки стойкости (все этапы проектирования) Соответствие методов оценки требованиям НД Отраслевое ПО Соответствие результатов оценки требованиям ТЗ Необходимость проведения экспериментальной оценки Проверка экспериментальных результатов стой-кости (этап наземной экспериментальной отработки) Порядок выбора типовых представителей и состава испытаний Соответствие состава и методов испытаний требованиям нормативной документации Соответствие испытательного центра требованиям ФСС КТ Сертификация Подтверждение стойкости изделия космической техники

13. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ СТОЙКОСТИ К ИИ КП • методы обеспечения стойкости ЭКБ (РЭА) к ИИ КП: • отраслевая информационно-справочная система (ИСС); • нормативные документы; • пакеты программ расчета (оценки). • 5 Отраслевой центр испытаний ЭКБ с набором. технологических стендов: • контроля ОЭ (8 видов); • неразрушающего контроля ДЭ; • отбора и отбраковки; • акусто-радиографического контроля; • декорпусирование и определение состава корпусов; • дизайн-центр испытаний; • контроля стойкости к естественным нейтронным потокам. • Непосредственный контроль ИИ КП: • бортовой сегмент: • микроминиатюрные сенсоры накопленной дозы; • микроминиатюрные сенсоры тяжелых заряженных частиц; • наземный сегмент: • система наземных измерений. • система сбора и обработки информации. • Методы определения характеристик стойкости ЭКБ и РЭА : • определение стойкости к ДЭ и ОЭ; • отбор повышенной стойкости; • отбраковка потенциально ненадежной; • определение базовой стойкости; • уточнение надежностных характеристик. • Методы повышения стойкости ЭКБ (РЭА) к ИИ КП: • программно-переключаемый резерв; • локальное экранирование; • защита от локального тиристорного эффекта; • временное отключение аппаратуры.

14. 1. ОТРАСЛЕВАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ИИ КП (ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РЭА КА) КА СБИИ КА СБИИ КА СБИИ НИС НИС НИС Воздействие ИИ КП • Не альтернатива, а дополнение к научным системам контроля ИИ КП. • Изменение не характеристик ИИ КП, а результатов их воздействия на ЭКБ. • Метод контроля воздействия ИИ КП максимально приближен к специфике эффектов, протекающих в реальной ЭКБ. НС НС … НС … … ЦУП • Назначение: • Измерение характеристик воздействия ИИ КП на РЭА КА. • Расчет и контроль остаточного ресурса КА. • Управление структурно-алгоритмическими методами для повышения САС РЭА КА. • Прогнозирование изменения (в т.ч. опасного) воздействия ИИ КП на РЭА КА. • Уточнение ТТ к РЭА КА. • Уточнение норм и методов наземных испытаний РЭА(ЭКБ) КА. • Получение полетных данных по стойкости РЭА (ЭКБ) КА. • Уточнение механизмов влияния ИИ КП на РЭА КА. • Уточнение моделей космоса. • Прогноз «космической погоды». ● СГК СГК … ● ● ЛННС ЛНС ИСС Центр оперативного радиационного мониторинга и моделирования ЦНС Центр мониторинга воздействия ИИ КП на РЭА КА Бортовой сегмент- малые масса, габариты, потребление, устанавливается на всех КА. Наземный сегмент -базируется на существующем оборудованииилиниях связи .

15. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СБИИ • обеспечение возможности установки на все КА, микроминиатюрность (веса и габариты) и низкое потребление энергии; • адаптивность, гибкая архитектура и открытость ; • функциональная модульность и функциональный минимализм; • использование только стандартных внутренних и внешних интерфейсов; • использование стандартных средств разработки и отработки; • ограничение набора измеряемых параметров – контроль воздействия ИИ КП на РЭА КА (в области дозовых и одиночных эффектов, а также возможно, всплесков рентгеновского излучения); • технологическая реализуемость и доступность; • использование твердотельных сенсоров накопленной дозы и сигнализаторов ТЗЧ; • измерение интегральной накопленной дозы, а не эффективной мощности дозы; • контроль (1-3) уровней воздействия ТЗЧ; • возможность применения в виде набора ГИМС ЧЭ и сенсоров-сигнализаторов для интегрирования в аппаратуру и в виде самостоятельного прибора; • максимальное использование отраслевого задела и передового зарубежного опыта.

16. МИКРОМИНИАТЮРНАЯ СИСТЕМА БОРТОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ИИ КП (МСБ ИИ) 1 УОИ УОИ УИО УИО ОЧЭ ОЧЭ . . . m m МСБ ИИ – малая масса, габариты и потребление для установки на всех КА Роскосмоса. ПСО МСБ ИИ БИД - блок интерфейсный дозовых сенсоров БИДС – блок интерфейсный дополнительных сенсоров БИО - блок интерфейсный сенсоров одиночных эффектов БКУ- бортовой комплекс управления БО – блок обработки БС – блок сопряжения ДС – дополнительные сенсоры ДЧЭ –дозовый чувствительный элемент ОЧЭ –чувствительный элемент одиночных эффектов ПСО – подсистема сбора и обработки СБИИ-система бортовых измерений ИИ КП СНД - сенсор дозовых нагрузок СТЗЧ – сигнализатор тяжелых заряженных частиц ТМС- телеметрическая система ЦС - целевые системы УДИ –узел дозовых измерений УИД – узел интерфейсный для СНД УИО –узел интерфейсный для СТЗЧ УОИ – узел одиночных измерений СНД ПСОИ Служебные системы Полезная нагрузка 1 БИД УИД УИД УДИ УДИ ДЧЭ ДЧЭ . . . n СТЗЧ СТЗЧ БО БКУ БКУ Б С СТЗЧ ЦС … ЦС БИО … ДС ТМС 1 БИДС УОИ УИО ОЧЭ температура . . . Х-RAY l l • Внешние интерфейсы с подсистемами КА: • - МКО ГОСТ Р52070-2003 (0-10м); • - RS485, RS322 (0-2 м); • - Space Wire (0-10 м); • - последовательный синхронный (ТЛМ). • Внутренние интерфейсы : • - цифровой интерфейс (1-200 кГц) (0-5 м); • - аналоговый интерфейс (0,5-5,0 В) (0-2м); • - RS485.

17. ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ СЕНСОРА НАКОПЛЕННОЙ ДОЗЫ Типы ЧЭ дозиметров • детекторы на основе цилиндра Фарадея; • цилиндрические электростатические анализаторы; • полупроводниковые детекторы: - поверхостно-барьерные; - дифузионно-дрейфовые; • МДП-дозиметры. Преимущества МДП-дозиметров • наличие электрического информационного сигнала пропорционального дозе ИИ; • возможность регистрации накопленной дозы в реальном масштабе времени (а не мощности дозы); • наличие рабочего объема (подзатворный диэлектрик) и его конструкционных особенностей аналогичных области, чувствительной к дозовым отказам в метал-оксид-полупроводниковых (МОП) приборах; • малые габариты и энергопотребление. Внешний вид МЭД-Ч-01 Электрическая схема ЧЭ МЭД-Ч-01 МЭД-Ч-01 Схема включения ЧЭ в СНД Дозовые характеристики МДП ЧЭ

18. БАЗОВЫЙ БОРТОВОЙ СЕНСОР НАКОПЛЕННОЙ ДОЗЫ Структурная схема СНД • Технические характеристики: • Нитрид - МДП - чувствительный элемент. • Диапазон измерения – 102…105 рад . • Частотный выход – 1-200 кГц. • Аналоговый выход – 0,5 В-5 В. • Напряжение питания – 27 В. • Потребление ≤ 2 В т. • Масса ≤ 0,35 кг (в защитном корпусе); • ≤ 0,08 кг (без корпуса). • Управление по напряжению вместо токового управления, требующего точного поддержания электрических параметров для линеаризации выходных характеристик. • Температурная стабилизация за счет выбора рабочей точки (рабочего тока) по минимальному изменению ВАХ ЧЭ в диапазоне температур). +Vсс = 30В +Vсс = 30В Преобразователь напряжение/ частота Вторичный источник питания «Земля» +Vсс Управляющий модуль U +Vсс f~U fвых Выходной модуль Чувствительный элемент +24 - +32В Uвых Калибровочные характеристики ЭО СНД Экспериментальные зависимости изменения напряжения на выходе Экспериментальные зависимостиизменения частоты на выходе • Перспективные технические характеристики: • 0,5102- 5105 рад; • до 16 каналов; • потребление ≤ 1 Вт/канал; • масса ≤0,1 кг /канал; • питание 5 (9) В.

19. ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ БОРТОВОЙ ДОЗИМЕТРИИ 2. Tyndall National Institute Republic of Ireland ESAPMOS4 1. REM OXFORD Ltd. England UK REM CC9.3 /TOT601B-9 Принцип: ионизация положительного заряда в подзатворном диэлектрике МДП структуры (МДП-дозиметр.) Диапазон: 10 Рад – 500000 Рад . Массо-габариты: 14-выводной корпус. Принцип: ионизация положительного заряда в подзатворном диэлектрике МДП структуры (МДП-дозиметр). Диапазон: Доза 10 – 100000 cGy (2-5000cGy) (+9В) Окисел средние толстые окислы в перспективе 2 – 2000000cGy (4-200000cGy) (0В) Массо-габариты: 0,635ммх1,25 ммх0,5 мм. • Недостатки : • конструктивное исполнение – бескорпусное; • нестандартное напряжение питания; • низкая доступность.

20. Направления развития МДП ЧЭ • Использование МНОП ЧЭ для повышения линейности. • Использование дублированных ЧЭ для повышения надежности и точности. • Использование многоотсчетных ЧЭ для расширения диапазона. • Понижение напряжения питания (с 27 В до 5 В) для упрощения применения. ΔUвых~D0,9 ΔUвых ΔUвых~D0,5 Радиационная чувствительность МДП-структур пропорциональна квадрату толщины подзатворного диэлектрика , увеличивается при подаче во время облучения на затвор положительного напряжения. Разрез МНОП транзистора LSiO 2 Наибольшая радиационная чувствительность МНОП-структур при фиксированной общей толщине подзатворного диэлектрика достигается при одинаковых толщинах SiO2 и Si3N4. Чувствительность МНОП-структуры Для минимизации температурной нестабильности параметров ЧЭ используется метод выбора рабочей точки МНОП транзистора по току стока.

21. ● ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ СЕНСОРА ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ • Принцип • Фиксация не ТЗЧ, а вызываемого эффекта • SEE: • SEL,SEHE,SEB,SEGR,SESB (катастроф.); • SEU, SEFI, SET (обратимые). • SEU- наиболее предпочтителен. • Типы СТЗЧ • сцинцилляторы; • ионизационные камеры; • диоды: • поверхностно-барьерные детекторы, • фото диоды, • pin –диоды; • твердотельные бистабильные элементы (ТБСЭ): • динамические, • статические. Передаточная характеристика – зависимость сечения SEU от ЛПЭ ТЗЧ для КМОП СОЗУ Полупроводниковый кристалл КМОП СОЗУ AT60142F 512к8 • Преимущества статических ТБСЭ • проявление наиболее вероятного (SEU) эффекта; • возможность исключения других (катастрофических) эффектов; • относительная простота пространственного разнесения для исключения множественных эффектов; • малые габариты; • малое потребление; • относительная простота фиксации сбоя; • возможность изменения чувствительности; • относительная простота увеличения площади чувствительной области; • относительно низкая угловая чувствительность; • возможность использования серийных элементов. Зависимость сечения одиночных сбоев в КМОП СОЗУ HM6508-RH(1k бит) от угла падения ионов при различных напряжения питания. Электрическая схема ячейки КМОП СОЗУ. Var (VDD) Var Sensitive • СОЗУ: • серийного изготовления каждой партии • ( отбор, калибровка по зависимостям от ЛПЭ ионов , энергии протонов, углов); • специализированные (заказные).

22. БАЗОВЫЙ БОРТОВОЙ СЕНСОР ТЗЧ • Типы СТЗЧ • На базе серийных СОЗУ с выраженным порогом • спектрометры; • твердотельные телескопы; • твердотельные фиксаторы сбоя (СОЗУ) , • чувствительные: • к протонам, • к ТЗЧ. СОЗУ 1…N для увеличения площади ЧЭ СОЗУ 1 порог ~ 1-3 МэВ (мг/см2) СОЗУ 2 ~ 10-12 МэВ (мг/см2) СОЗУ 3 ~ 20-25 МэВ (мг/см2) СОЗУ 1.1 ● ● ● СОЗУ 2.1 ● ● ● СОЗУ 3.1 ● ● ● СОЗУ 1.N СОЗУ 2.N СОЗУ 3.N Byte-канал Микроконтроллер RS485 СОЗУ 1 … СОЗУ N • На специализированных СОЗУ управляемой чувствительности Sensitive=f (Voff) Byte-канал Микроконтроллер RS485 Перспективные технические характеристики: • ЧЭ- СОЗУ с управляемой чувствительностью; • диапазон 1-60 МэВ (мг/см2 ) с дискретой 1-5 МэВ (мг/см2 ); • до 4-х каналов; • потребление ≤ 2,4 Вт/канал; • масса ≤0,15 кг /канал.

23. ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ ФИКСАЦИИ ТЗЧ Протонный монитор (Thomson & Nielson Electronics Ltd , Канада) Назначение: регистрация протонов. Год разработки: 1999 г. Технические характеристики: масса: 350 г; габариты;13,5х10х2,5 см; мощность 300 мВт. SREM(Contraves Spfct AG, Германия) Назначение: регистрация протонов и электронов. Год разработки: 2000 г. Технические характеристики: масса: 2,6 кг; габариты: 9,5х12х24 см; мощность 1,5 Вт. CEASE (АМРТЕК ,США) Назначение: регистрация потоков высокоэнергетичных протонов и тяжелых заряженных частиц. Год разработки: 2000 г. Технические характеристики: масса: 1,3 кг; габариты10х10х8 см; мощность 2 Вт.

24. СТРУКТУРА НАЗЕМНОГО СЕГМЕНТА СМ ИИ КП • • • • • • ЦУП СБИ • Прогноз • Предварительный алерт • Алерт НСС ИИ КП • Бортовые измерения • Наземные измерения • Адаптированные бортовые измерения НС ВП ЦНС РНС НСС КП ЛННС РНСО ЛНСП ЛНС ИСС • Прогноз • Уточненный прогноз • Предварительный алерт • Алерт • Адаптированные бортовые измерения • Прогноз • Предварительный • алерт

25. СТРУКТУРА АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ ЛНС ИСС Web-Сервер ППЭВМ ОПЭВМ ИНТЕРНЕТ К ППЭВМ – Пультовая ПЭВМ ОПЭВМ – Операторская ПЭВМ АПЭВМ – Архивная ПЭВМ К - концентратор ПЭВМ ЛНС – ПЭВМ Локальной наземной станции АПЭВМ ПЭВМ ЛНС

26. Графики зависимости дозовых воздействий ИИ КП на КА ГЛОНАСС №25-29от времени Аппроксимация прямых измерений СНД №1 СНД №1 БОРТОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ СНД (КА ГЛОНАСС) СНД №2 • Изменение накопленной дозы во времени, в целом соответствует темпам накопления дозы от электронов и протонов ЕРПЗ (в соответствии с “моделью космоса”); • выделено несколько зон "дребезга" измерений (продолжительность 1-150 циклов, амплитуда 0,01- 0,02 • у.е., не влияющих на достоверность измерений); • измерения СНД на КА №26-29 отличаются не более 7%; • измерения СНД на КА №25 отличаются не более 24% • СНД на КА №25-29 имеют относительную разницу измерений , не превышающую 1,7 %; • зон с аномально низкими(высокими) темпами роста дозы не обнаружено.

27. ПРОГНОЗ ОПАСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ИИ КП (СОЛНЕЧНАЯ ВСПЫШКА) P(>10MeV) P(>100MeV) January, 2005 Δ Δ> 10 мин Временная задержка относительно начала вспышки для рентгеновского, наземного и протонного возрастания на примере события 14 июля 2000г. Пример выделения алертного сигнала рентгеновской вспышки на уровне Х1 на примере событий в январе 2005 Характеристики протонного события зависят и от мощности, и от гелиодолготы солнечного источника. Прогноз резкого возрастания потока протонов возможен по резкому возрастанию интенсивности рентгеновского излучения (бортовые измерения) и резкому возрастанию нейтронных событий (наземные измерения). Пример выделения алертного сигнала протонного возрастания на примере событий в январе 2005

28. НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ РАБОТ • Бортовой сегмент • создание ряда ГИМС ЧЭ для СНД ; • создание ГИМС ЧЭ для СТЗЧ; • создание ряда ЧЭ СТЗЧ на базе выбора и испытаний серийных ИМС; • создание СНД: • микроминиатюрный прибор, • система в корпусе; • создание ПСО: • система в корпусе, • система на кристалле; • создание модификаций МСБ ИИ: • малогабаритный прибор, • микроминиатюрный прибор; • создание ЧЭ рентгеновского детектора • (микроминиатюрный прибор); • создание рентгеновского детектора: • микроминиатюрный прибор, • система в корпусе. • Наземный сегмент • адаптация существующих каналов связи для отраслевой системы мониторинга ИИ КП; • создание наземной системы сбора и обработки информации; • создание ЦНС; • создание ЛННС; • создание ЛНС ИСС; • организация инфраструктуры выработки сигнала предупреждения (алертного сигнала).

29. 2 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТОЙКОСТИ ЭКБ К ИИ КП Цель: обеспечение широкой номенклатуры ЭКБ для комплектации РЭА и сокращение затрат на ЭКБ за счет использования индустриальной . Результаты используются для: расчетов стойкости (надежности) РЭА;выбора ( в т.ч. предварительного) ЭКБ; обеспечения отбора (отбраковки) ЭКБ. +

30. Экспериментально-аналитический метод определения индивидуальных характеристик дозовой стойкости прогноз Пi(D) = Пiну + АDn П отбор Di≥ Dуэ·Кз отбраковка Пном ● ● IПij– Пij срI≥ δ IПiуст– ПiнуI≥ Δ Пк Пв Пу ● ● ● ● DПНД у Dк DПНД р D

31. ЭФФЕКТ НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ Модель эффективности выхода радиационного заряда • Дозовые зависимости сдвига порога p-канального МОП-транзистора • Скорость деградации зависит от текущего значения мощности дозы Моделирование конкуренции усиления выхода заряда и отжига при повышении температуры облучения Кинетическое уравнение для описания накопления радиационно-индуцированных рекомбинационных центров на границе раздела кремний – полевой окисел над p-n переходом эмиттер-база Дозовые зависимости дискретных биполярных транзисторов Эффект низкой интенсивности - следствие повышенной рекомбинации при высоких интенсивностях и, вследствие этого, снижения выхода радиационного заряда Это – чисто дозиметрический эффект Возможность введения эффективности выхода заряда, зависящей от температуры, мощности дозы, электрического поля. Возможность введения эффективной дозы Возможность расчета коэффициента запаса Нормированная эффективность выхода радиационного заряда Рассчитанные эффективность выхода заряда как функция интенсивности и температуры облучения

32. МЕТОДИКА КОНТРОЛЯ СТОЙКОСТИ К ОЭ При проведении облучений ЭКБ на ускорителях протонов и ТЗЧ регистрируют количество ОРЭ определенного типа (SEU, SEL) и интегральные потоки протонов и ТЗЧ, вызвавших эти ОРЭ. Для обеспечения регистрации ОРЭ в процессе облучений ЭКБ на ускорителях протонов и ТЗЧ проводится дистанционная функциональная диагностика испытываемых изделий, обеспечивающая полноту регистрации ОРЭ во всех функциональных элементах изделия. При проведении испытаний ЭКБ на воздействие одиночных ВЭП и ТЗЧ КП на ускорителях заряженных частиц облучения изделий проводят при комнатной и предельно допустимой повышенной температуре. Для получения дополнительных параметров моделей прогнозирования частот и вероятностей возникновения ОРЭ на борту КА (с учетом изотропного потока частиц в КП) облучение испытываемых электронных компонентов проводят как при нормальном падении пучка частиц на полупроводниковый кристалл изделия, так и при угле падения пучка частиц 60 градусов между нормалью к плоскости полупроводникового кристалла изделия и осью пучка ТЗЧ. НДС Роскосмоса, включает: • требования к параметрам пучка заряженных частиц ускорителей протонов и ТЗЧ; • методы статистической обработки результатов испытаний. Результаты испытаний используются в качестве исходных данных для НДС «Методы расчета показателей стойкости элементов интегральных микросхем к одиночным радиационным эффектам космического пространства»

33. ПОРЯДОК ИСПЫТАНИЙ НА СТОЙКОСТЬ К ОЭ Испытания ЭКБ на воздействие одиночных высокоэнергетических протонов (ВЭП) и тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) КП проводят раздельно методом прямого облучения испытываемыхизделий наускорителях протонов и ТЗЧ, соответственно.

34. УТОЧНЕНИЕ БАЗОВОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ОТКАЗОВ ЭКБ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИИ КП p0 – ВБР ИМС ; б – базовая интенсивность отказов; Кст, Ккорп, Кv, Кэ, Кпр, Кис коэффициенты, учитывающие температуру и сложность ИМС, тип корпуса, напряжение питания, условия эксплуатации (класс исполнения), уровень качества изготовления, освоенность технологического процесса изготовления ИМС; Кии – коэффициент, учитывающий влияние ионизирующего излучения (радиационный коэффициент) «Компонентный» подход - интенсивность отказов ИМС складывается из интенсивностей отказов «компонентов ненадежности» ии и 0 – интенсивности случайных отказов ИМС после и до воздействия ИИ КП; i– доля отказов i-ого «компонента ненадежности» ИМС; *i и i – интенсивности отказов i-ого «компонента ненадежности» ИМС; k – количество «компонентов ненадежности», зависящих от ИИ КП.

35. Испытуемая выборка – не менее 7 ИМС Для «компонентов ненадежности» критичных к ИИ КП: - интенсивность отказов i-ого «компонента ненадежности» ИМС - плотность распределения вероятности нормального закона распределения - вероятность отказа - интеграл от нормального закона распределения от -∞ до Xп Хп – предельное значение критериального параметра по ТУ Xср– среднее значение критериального параметра для предельной эксплуатационной дозы  – среднее квадратичное отклонение величины Xср Кривая 1 – нормальный закон распределения величины Xср Заштрихованная область – вероятность отказа ИМС ГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ОТКАЗОВ «КОМПОНЕНТОВ НЕНАДЕЖНОСТИ» ИМС ДЛЯ ПРЕДЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ДОЗЫ X Xп Xср+ Xср Xср- 1 D Dпред

36. Кривая 1 – нормальный закон распределения величины Xср1 Кривая 2 – нормальный закон распределения величины Xсрi Кривая 3 – дозовая зависимость средних значений критериальных параметров Формируется выборока с количеством ИМС не менее 7 штук. Облучение выборок в трех точках D1=ПНД/8; D2=ПНД/4; D3=ПНД/2. Определение Xср1..Xсрiи 1..i Аппроксимация функции зависимости критериальных параметров Определение интенсивности отказов в точках облучения Определение радиационного коэффициента в точках облучения Kииj Аппроксимация функции зависимости радиационного коэффициента от накопленной дозы X Xп Xсрj+j Xсрj+j Xсрijj Xсрj-j D1 Dj D Интерпретация интенсивности отказов «компонентов ненадежности» ИМС. Определение функции зависимости радиационного коэффициента от накопленной дозы 3 Xсрi 2 Xср1 1

37. ПОТОКИ НЕЙТРОНОВ В АТМОСФЕРЕ – ИСТОЧНИК ОЭ Потоки нейтронов – результат взаимодействия СКЛ и ГКЛ с конструктивными материалами КА и атмосферой Земли • Максимальные потоки нейтронов от 10 до 20 км • Макс. плотность потока на высоте ~ 18 км - ~ 4нейтрон /cм²с • 9 км - ~1.3 ~нейтрон /cм²с • Уровень моря - 0.01 нейтрон/cм²с

38. 3.2  Оптимальное управление резервом в РЭА (повышение САС до 3 раз) 3 КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ ЭКБ (РЭА) К ИИ КП 3.1  Локальное экранирование (повышение стойкости к ДРЭ до 5 раз) Задача локального экранирования – минимизация радиационно-эффективных частиц (без увеличения ГМХ). Типовая формула защитного материала: 80 – 90% вещество с высоким атомным номером; 20 – 10% вещество с низким атомным номером. Программно-переключаемый резерв 3.3 Исключение катастрофического развития одиночных эффектов в РЭА Микросборка ограничения тока потребления (в т.ч. по информационным цепям) для защиты от тиристорного эффекта 3.4 Оптимальное управление (учет) режимами РЭА (повышение САС до 3 раз) р* – вариации локальных условий ИИ КП; е – электрический режим; Т – температурный режим САС = f (р*, е, Т) 3.5 Временное отключение

39. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ЛОКАЛЬНОГО ЭКРАНИРОВАНИЯ К Р И С Т А Л Л Элементы конструкции КА Поле КА Локальный экран Поле ЭКБ Поле ИИ космического пространства Изменение ИИ КП : – уменьшение потоков низкоэнергетических частиц ИИ КП; – вторичное излучение высокоэнергетических частиц. Задача локального экранирования – минимизация радиационно-эффективных частиц. Форма и химический состав дополнительного защитного элемента определяются для конкретных условий и оптимизируются с учетом необходимой степени защиты. Типовая формула защитного материала: 80 – 90% вещество с высоким атомным номером 20 – 10% вещество с низким атомным номером.

40. ЛОКАЛЬНЫЕ ЭКРАНЫ Корпусирование ИМС с удлинением контактных выводов в автономный дополнительный корпус Корпусирование ИМС в автономный корпус

41. РЕЖИМ ПРОГРАММНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ П – критериальный параметр Пu = П(0)+ АuDn, включенное состояние Пo = П(0)+ АoDn, выключенное состояние Аu,Аo - коэффициенты, определяемые экспериментально. n – параметр модели (определяет кривизну) n = 1 – прямая ПППР = ПiD exp[-(Dik-Diи)/Di] Di – постоянная времени, определяемая экспериментально ∆ППР = П ППР – Пu - выигрыш за счет ППР Цель: оптимизация параметров ППР (время переключения, кратность резервирования и т.п.) для минимизации разницы между Пo и ПППР с экспериментальным определением А и Di.

42. ППР, КАК СИСТЕМНЫЙ МЕТОД УВЕЛИЧЕНИЯ СРОКОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БА Режим работы системы объектов: а)доведение до отказа (холодный резерв); б)чередование пассивного и активного режимов (ППР)

43. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ППР а) 3-горячих, 1-холодный б) 1-горячий, 1-холодный (увеличение САС 1,3 раза)(увеличение САС 2 раза) Зависимость деградации минимального напряжения функционирования от дозы при доведении до отказа и при принудительном переключении режима

44. ОГРАНИЧЕНИЕ ТОКА ПОТРЕБЛЕНИЯ Микросборка, работающая в паре с защищаемой ИМС (группой ИМС), отключает питание быстрее, чем развивается тиристорный эффект Основные параметры устройства защиты Механические воздействия

45. УЧЕТ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ Внутри этапаPi,Ui,Ti = CONST • РД В 319.03.39-2000. Изделия электронной техники. Контроль и прогнозирование безотказности в условиях длительного совместного воздействия низкоинтенсивных ионизирующих излучений и термотоковых нагрузок по результатам ускоренных испытаний. – М.: ТК по военной стандартизации №319 МО РФ, 2000. – 39 с..РД 11 1003-2000. Изделия полупроводниковой электроники. Метод прогнозирования надежности в условиях низкоинтенсивного ионизирующего облучения. – СПб.: РНИИ «Электронстандарт», 2000. – 27 с.

46. Временное отключение аппаратуры повышенной чувствительности (при попадании в аномалии ЕРПЗ, при развитии солнечных вспышек и т.п.). Временное локальное экранирование оптических элементов.

47. 4 ИНФОРМАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ • Цель: обеспечение • предварительных расчетов стойкости (и надежности) РЭА; • предварительного отбора ЭКБ, • а также для нормативно-методического и информационного обеспечения работ по контролю стойкости, включая обеспечение аналитических и экспериментальных оценок. • 4.1 Ведение отраслевой информационно-справочной системы (ИСС) по стойкости ЭКБ к ИИ КП: • пополнение БД ИСС (испытания, штатная эксплуатация, литература); • обмен данными с зарубежными БД; • пополнение «справочного» тома; • состояние «космической погоды». НМО ПО 4.2  Отраслевые нормативные документы по стойкости ЭКБ (РЭА) к ИИ КП. • 4.3 Отраслевые пакеты программ расчета (оценки) стойкости РЭА к ИИ КП: • расчет локальных условий ИИ КП в РЭА; • расчет САС РЭА при штатной эксплуатации (вариации интенсивности ИИ КП, электрического и температурного режимов ); • оценка достаточности конструктивно-технологических мер защиты РЭА от ИИ КП; • расчет защитных свойств локальных экранов. Методы испытаний Расчет ЛУ Монито- ринг Расчет стойкости Методы защиты

48. РАЗВИТИЕ ОТРАСЛЕВОЙ ИНФОРМАЦИОННО-СПРАВОЧНОЙ СИСТЕМЫ ПО СТОЙКОСТИ ЭКБ К ИОНИЗИРУЮЩИМ ИЗЛУЧЕНИЯМ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА www.kosrad.ru Назначение: обеспечение предварительного выбора с предоставлением разносторонней информации по стойкости к ИИ КП. • Структура ИСС: • 1. Web-сайт • Образ базы данных • Структура справочного раздела • Средства удалённого доступа • 2. База данных • описание • характеристики (детализированные и интегральные) • дозовые эффекты • одиночные эффекты • ссылки • 3. Справочный раздел • Нормативные документы • Библиография • Справочные БД • Конференции • Программное обеспечение • Ссылки • 4. Состояние и прогноз «космической погоды» • Особенности: • авторизация доступа • защита от несанкционированного использования • регистрация через Роскосмос Структура аппаратных средств АПЭВМ ППЭВМ К Web-сайт ОПЭВМ Расширение функций в части технологических особенностей (типы корпусов, покрытие выводов, специфика пайки и монтажа и т.п.) и характеристик по надежности, вибро- и термопрочности. В настоящий момент база данных содержит более 12000 наименований, справочный раздел – более 2000 записей и постоянно пополняется. ППЭВМ – пультовая ПЭВМ ОПЭВМ – операторская ПЭВМ АПЭВМ – архивная ПЭВМ с основной БД К – концентратор

49. ОТРАСЛЕВОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ • Цель: обеспечение стандартизированными и верифицированными средствами: • информационно-аналитического сопровождения работ по контролю стойкости; • аналитической обработки результатов испытаний ЭКБ; • предварительных расчетов стойкости (и надежности) радиоэлектронной аппаратуры; • предварительного выбора ЭКБ. • Задачи: • расчет локальных условий эксплуатации; • расчет сроков активного существования радиоэлектронной аппаратуры при вариациях интенсивности ионизирующего излучения космического пространства, электрического и температурного режимов; • расчет защитных свойств конструкционных материалов; • автоматизация расчетов стойкости ЭКБ по результатам испытаний; • обеспечение функционирования отраслевой системы мониторинга; • аналитическая оценка достаточности конструктивно-технологических мер защиты радиоэлектронной аппаратуры от ионизирующего излучения космического пространства; Программное обеспечение Расчет условий эксплуатации Методы испытаний Мони- торинг Расчет стойкости Методы защиты • аналитическое обеспечение предварительного выбора ЭКБ для РЭА КА; • аналитическое обеспечение выбора типовых представителей для испытаний; • аналитическое распространение результатов испытаний типовых представителей.

50. НОРМАТИВНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОНТРОЛЯ ОЭ Отраслевые НДС ПО