Диссертация (Метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭА космических аппаратов к возникновению ЭСР), страница 5

A. Фредериксону принадлежит, видимо, наиболее ранняя работа,посвящённая воздействию радиационного излучения на диэлектрики,которая была опубликована ещё в 1974 году [36]. Впоследствии, в 70-80 г.г.ХХ века, А. Фредериксон продолжил разработку проблемы воздействияразличных видов излучения на диэлектрики, в частности, в 1983 году онпубликует статью [37]. Наиболее значимым исследованием А. Фредериксонабыло участие в изучении проблемы спонтанного разряда различныхдиэлектриков под воздействием космической радиации. Это получилоотражение в коллективном исследовании [38] и итоговой статье [39].Последняяработапредставляетнаибольшийинтерес,таккактампредставлены данные об электризации и диэлектрическом разряде 16-тиобразцов материалов, используемых в космической промышленности.

Срединих текстолит, стеклотекстолит, тефлон, каптон и другие. Обе работыоснованы на результатах натурных экспериментов на специальном спутникеCRRES [40], но более поздняя работа [39], опубликованная в 1992 году,29содержит более подробный анализ воздействия космического излучения наразличные образцы диэлектриков и включает результаты предыдущейработы.

Обратимся к содержанию этого исследования.Шестнадцатьобразцовматериаловкосмическойтехникибылиподвержены воздействию излучений радиационных поясов Земли в течение14 месяцев. Спонтанные разряды были зафиксированы в каждом образце исравнивались с уровнями радиации, которые фиксировались одновременно сними. В образцах с не металлизированной поверхностью разрядныеимпульсынаблюдалисьнаиболеечасто.Амплитудабольшинствазарегистрированных импульсов была менее 50 вольт на резисторе 50 Ом.Была отмечена слабая корреляция частоты возникновения импульсов свеличиной потока электронов, и не было обнаружено никакой корреляции свеличиной потока протонов [39, 43].

Исследование было выполнено припомощи специальной аппаратуры, размещённой на спутнике CRRES, котораяобеспечивала фиксацию внутренних разрядов (Internal Discharge Monitor –IDM). Реальными объектами исследования были уменьшенные копиикабелей и электронных плат различной формы. Всего было зарегистрировано4300 разрядных импульсов на 16 образцах в течение 14 месяцев.

Науказанном спутнике находились различные спектрометры, способныеизмерять космическое излучение, включающее электроны от 1 эВ до 10 МэВ.Энергия максимально интенсивных потоков электронов лежала в диапазонемежду 200 и 400 кэВ. Детально описаны образцы различных диэлектриков,их количественные параметры. Анализируя итоговую таблицу частотыразрядов в различных образцах, можно убедиться в справедливости вывода отом, что более подвержены разрядам диэлектрические образцы с неметаллизированной поверхностью. Различия в количестве разрядов огромны.Часть образцов практически вообще не была подвержена электрическимразрядами, втовремякак некоторые образцы, например, FR 4(стеклотекстолит) испытал более 1,5 тыcяч (!) разрядов различной мощности.Авторы цитируемой работы демонстрируют связь количества разрядов с30формой (геометрией) исследуемых объектов и материалом, из которых ониизготовлены.

Наименее подверженыразрядам,согласнополученнымданным, образцы, выполненные из каптона. Наихудшим материалом для КА,по мнению авторов исследования, является стеклотекстолити егомодификации.Обсуждая изменения в уровне и частотности разрядов с течениемвремени, авторы исследования склонны связывать эти особенности разрядов(их неравномерность) с эффектом постоянного нахождения диэлектриков поддавлением высокого напряжения, в процессекоторого диэлектрикипроизводят меньше частичных разрядов с увеличением времени [40].

Вданной работе также содержится положение оразличиях в величиневременной постоянной затухания разряда в связи с различными периодаминаблюдений. Авторы статьи воздерживаются от попыток объяснить данныйфеномен. Они лишь отмечают изменения временной «постоянной» затуханиязаряда в связи с длительностью наблюдения. В первые семь месяцеввременная постоянная затухания импульса составляла 10 часов. Послеседьмого месяца временная константа падала до одного часа или даже менееВ статье обозначены количественные параметры «безопасного»флюенса электронов, который не нанесет существенного вреда аппаратуреКА.

По этим данным, он составляет 5,5·105 электронов на см2 длядесятичасового полета. Подводя итог исследованию, авторы делают вывод отом, что спонтанные диэлектрические разряды возможны, если плотностьпотока электронов на поверхности диэлектрика превышает 5 нА/см2. Крометого, не было обнаружено связи между электростатическими разрядами ипотоками протонов.Врассматриваемомисследованиибылипоставленыосновныепроблемы, касающиеся внутренней электризации, и проанализированыосновные понятия, посредством которых изучаются электростатическиеразряды в КА.

В нём была показана существенная роль таких понятий, как«безопасный»потокэлектроновипорогбезопасностидля31функционирования бортовых приборов. В последующих исследованияхизучениепроблемывнутреннейэлектризацииприобреталоновыеформулировки, основные положения уточнялись, количественные данныепроверялись для более длительных периодов наблюдения, но все же анализданного вопроса шёл в русле основных понятий, выделенных А.Фредериксоном и его коллегами.Изучение проблем внутренней электризации в ХХI веке стало ещёболее актуальным ввиду конструктивных изменений в отечественныхкосмическихаппаратах,которыетеперьлишеныгерметичноготермостатируемого контейнера, представлявшего собой существенныйбарьер для космических излучений.Современные отечественные исследования внутренней электризацииКА не обладают такой степенью интеграции и координации, которая имеломесто в 70-80 гг.

и даже в начале 90 гг. ХХ века. Но, тем не менее, в нашейстранепродолжаютсяработыпоувеличениюсроковактивногосуществования спутников. Важнейшим направлением этих работ являетсянейтрализация нежелательных эффектов внутренней электризации элементовбортового электронного оборудования. «По некоторым оценкам, от 40% до50 % всех обусловленных ФКП неполадок на современных космическихаппаратахсвязанысдействиемстатическогоэлектричества.Электростатические разряды вызывают сбои и отказы в работе бортовойаппаратуры, постепенную деградацию свойств диэлектрических материалови покрытий КА, и даже способны привести к полной его потере» [41, 69].Впоследниегодыименнофеноменвнутреннейэлектризациистановится всё более востребованным предметом исследований, как в нашейстране [69,71], так и за рубежом.

По мнению авторов работы [41], акцент висследованиях сместился с поверхностной на внутреннюю электризацию,особенно критичную для элементной базы электронной аппаратуры.Электрический заряд накапливается в диэлектриках электронных схем засчёт проникающих извне корпускулярных излучений, прежде всего32электронов с энергией в несколько МэВ. В результате возможновозникновение ЭСР в непосредственной близости от электронных схем КА[41,70]. Именно внутренняя электризация признана причиной потеримногочисленных спутников связи США.Авторы рассматриваемой работы настаивают на разностороннемизучении проблемы внутренней электризации и практическом примененииразличных способов нейтрализации её нежелательных эффектов. Так, ониотмечают продуктивность использования активной защиты от потокаэлектронов, установленной на МКС.

Активная антистатическая защитасостоит в использовании генераторов низкотемпературной плазмы, спомощью которых удаётся удерживать потенциал КА относительнокосмической плазмы в приемлемых пределах [41]. Дальнейшая разработкаактивнойзащитыпредставляетсяперспективнымнаправлениемисследований. Возможности данного направления ещё далеко не исчерпаны,и здесь могут быть достигнуты позитивные результаты.Среди них важное место занимает совершенствование методовопределения параметров поражающих факторов и степени электризации. Вэтонаправлениевходитэкспериментальноетестированиевлиянияэлектронных потоков на Земле и реальное измерение плотности потоков истепени внутренней электризации в космосе. Здесь важнейшей задачейявляется нахождение безопасного потока, то есть порога безопасности дляработы аппаратуры КА.

Анализ данных в течение длительного периодавремени (иногда более 20 лет), полученных при помощи специальнойаппаратуры, установленной на спутниках – важнейшее направлениеисследований.Существенную роль в аккумуляции знаний о внешней и внутреннейэлектризации КА и их распространении среди проектировщиков испециалистов-инженеров призваны сыграть специальные руководства НАСА,посвящённые указанным проблемам. Они содержат в себе информацию,(NASA HDBK4002, 1999 and NASA HDBK4002A, 2011) [12, 42],33характеризующую процессы электризации и электростатических разрядов, икомплекс возможных мер, направленных на нейтрализацию нежелательныхпоследствий внешней и внутренней электризации КА.Важную роль в подготовке руководств сыграли работы ещё одногоизвестного исследователя электризации КА Г.

Гэррата, который достаточноактивно исследовал проблему внутренней электризации, наряду с рядомдругих областей исследования. В обобщенном виде результаты исследованияэффектов электризации на космических кораблях были изложены Г.Гэррэтом в [55], а также вместе с его соавторами в виде одного из первыхруководств НАСА[6]. В 1996 году Г. Гэррат и А. Уитлеси обновили данныеоб электризации космических кораблей.[56]Руководство НАСА позволяет унифицировать данные, полученныеучёными, и сориентировать исследователя или проектировщика в широкомдиапазоне возможных способов преодоления последствий электризации. Так,в руководстве НАСА от 2011 года в начале даются определения основныхпонятий [12], затем рассматриваются процесс и факторы внутреннейэлектризации, после этого анализируются количественные данные офункционировании приборов в условиях внутренней электризации.